机械原理第一章机构的构型分析2.ppt

第二章 平面机构的结构分析 21 机构结构分析的内容及目的 22 机构的组成 23 机构运动简图 24 机构具有确定运动的条件 25 平面机构自由度的计算 26 自由度计算中的特殊问题 27 机构的组成原理及其结构分类 21 机构结构分析的内容及目的 1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件目的是 2.按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构 加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力 分析的一般方法。 3.绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。 弄清机构包含哪几个部分; 各部分如何相联？ 以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？ 这对于设计新的机构显得尤其重要。 4.研究机构的组成原理 目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运 动确定性的要求。 机构有简有繁，构件有多有少，而运动确定是 它们的共同特征。研究的 名词术语解释: 1.构件(Link) 独立的运动单元 内燃机中的连杆 12 机构的组成 作者：潘存云教授 内燃机 连杆 套筒 连杆体螺栓 垫圈 螺母 轴瓦 连杆盖 零件(part) 独立的制造单元 作者：潘存云教授 2.运动副 a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 运动副元素直接接触的部分（点、线、面） 例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。 定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产 生某些相对运动的联接。 三个条件，缺一不可 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 运动副的分类： 1)按引入的约束数分有： I级副II级副III级副 I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。 2)按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair) 平面机构全部由平面运动副组成的机构。 IV级副 例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。 空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair ) V级副1V级副2 V级副3 两者关联 空间机构至少含有一个空间运动副的机构。 3)按运动副元素分有： 高副(high pair)点、线接触，应力高。 低副(lower pair)面接触，应力低。 例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。 例如：转动副（回转副）、移动副 。 常见运动副符号的表示: 国标GB446084 详见教材 P13 页。 常用运动副的符号 运动副 名称 运动副符号 两运动构件构成的运动副 转 动 副 移 动 副 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 两构件之一为固定时的运动副 1 2 2 1 2 1 平 面 运 动 副 平 面 高 副 螺 旋 副 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球 面 副 球 销 副 1 2 1 2 1 2 空 间 运 动 副 1 2 1 2 1 2 构件的表示方法: 一般构件的表示方法 杆、轴构件 固定构件 同一构件 三副构件 两副构件 一般构件的表示方法 运动链两个以上的构件通过运动副 的联接而构成的系统。 注意事项: 作者：潘存云教授 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副 的性质。 闭式链(Close chain) 3. 运动链 (Kinematic chain) 作者：潘存云教授 开式链(Open chain) 若干1个或几个1个 4. 机构 定义：具有确定运动的运动链称为机构 。 机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆 底盘、飞机机身。 机构的组成： 机构机架原动件从动件 机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就 能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论： 在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系 按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 原（主）动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。 12 平面机构运动简图 机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对 运动关系的简单图形。 作用： 1.表示机构的结构和运动情况。 机动示意图不按比例绘制的简图 现摘录了部分GB446084机构示意图如下表。 2.作为运动分析和动力分析的依据。 常用机构运动简图符号 在 机 架 上 的 电 机 齿 轮 齿 条 传 动 带 传 动 圆 锥 齿 轮 传 动 链 传 动 圆柱 蜗杆 蜗轮 传动 凸 轮 传 动 外啮 合圆 柱齿 轮传 动 机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。 棘 轮 机 构 内啮 合圆 柱齿 轮传 动 绘制机构运动简图 顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。 步骤： 1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目 ； 4.检验机构是否满足运动确定的条件。 2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面） ， 绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸 m / 图上长度mm 思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路 末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副 的类型，并用符号表示出来。 举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图 。 鳄式破碎机 作者：潘存云教授 1 2 3 4 绘制图示偏心泵的运动简图 偏心泵 作者：潘存云教授 24 机构具有确定运动的条件 给定S3S3(t)，一个独立参数 11（t）唯一确定，该机 构仅需要一个独立参数。 若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同 时给定1和4 ，则3 2 能 唯一确定，该机构需要两个独立 参数 。 4 S3 1 2 3 S3 1 1 23 4 1 定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。 (Freedom) 原动件能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数 机构具有确定运动的条件为： 自由度原动件数 25 平面机构自由度的计算 作平面运动的刚体在空间的位 置需要三个独立的参数（x， y, ）才能唯一确定。 y x (x , y) F = 3 单个自由构件的自由度为 3 自由构 件的自 由度数 运动副 自由度数 约束数 回转副 1（） + 2（x，y） = 3 y x 1 2 S y x 1 2 x y 12 R=2, F=1R=2, F=1 R=1, F=2 结论：构件自由度3约束数 移动副 1（x） + 2（y，）= 3 高 副 2（x,） + 1（y） = 3 经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化： 自由构件的自由度数约束数 活动构件数 n 计算公式： F=3n(2PL +Ph ) 要求：记住上述公式，并能熟练应用。 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 3n 2 PL 1 Ph 例题计算曲柄滑块机构的自由度。 解：活动构件数n= 3 低副数PL = 4 F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数PH = 0 S3 1 2 3 推广到一般： 例题计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数n= 4 低副数PL =5 F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数PH=0 1 23 4 1 例题计算图示凸轮机构的自由度。 解：活动构件数n= 2 低副数PL =2 F=3n 2PL PH =32 221 =1 高副数PH=11 2 3 26 自由度计算中的特殊问题 作者：潘存云教授 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 例题计算图示圆盘锯机构的自由度。 解：活动构件数n= 7 低副数PL =6 F=3n 2PL PH 高副数PH=0 =37 26 0 =9 计算结果肯定不对！构件数不会错，肯定是低副数目搞错了！ 1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动 副相联。 计算：m个构件, 有m1转动副。 两个低副 上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。 例题重新计算图示圆盘锯机构的自由度。 解：活动构件数n=7 低副数PL=10 F=3n 2PL PH =37 2100 =1 可以证明：F点的轨迹为一直线。 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 作者：潘存云教授 圆盘锯机构 计算图示两种凸轮机构的自由度。 解：n=3， PL=3， F=3n 2PL PH =33 23 1 =2 PH=1 对于右边的机构，有： F=32 22 1=1 事实上，两个机构的运动相同，且F=1 1 2 3 1 2 3 2.局部自由度 F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1 本例中局部自由度 FP=1 或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1 定义：构件局部运动所产生的自由度。 出现在加装滚子的场合 ，计算时应去掉Fp。 滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。 1 2 3 1 2 3 作者：潘存云教授 解：n=4， PL=6， F=3n 2PL PH =34 26 =0 PH=0 3.虚约束( formal constraint) 对机构的运动实际不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件4前后E点 的轨迹都是圆弧，。 增加的约束不起作用，应去掉构件4。 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 1 2 34 A BC D E F 作者：潘存云教授 重新计算：n=3, PL=4, PH=0 F=3n 2PL PH =33 24 =1 特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： 1 2 3 4 A BC D E F 4 F 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 ABCDEF 虚约束 作者：潘存云教授 出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合， 2.两构件构成多个移动副，且 导路平行。 如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明) 作者：潘存云教授 4.运动时，两构件上的 两点距离始终不变。 3.两构件构成多个转动副， 且同轴。 5.对运动不起作用的对 称部分。如多个行星轮 。 EF 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。 如等宽凸轮 W 注意： 法线不重合时， 变成实际约束！ A A n1 n1 n2 n2 n1 n1 n2 n2A A 虚约束的作用： 改善构件的受力情况，如多个行星轮。 增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。 使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。 注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 B2 I 9 C 3 A 1 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 计算图示包装机送纸机构的自由度 。 分析：活动构件数n ： A 1 B2 I 9 C 3 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 9 2个低副复合铰链: 局部自由度 2个 虚约束: 1处 I 8 去掉局部自由度 和虚约束后： n =6PL = 7 F=3n 2PL PH =36 27 3 =1 PH =3 27 机构的组成原理及其结构分类 一、机构的组成原理 a)原动件作移动 (如直线电机、 流体压力作动筒)。 2 1 b)原动件作转动 (如电动 机)。 2 1 1.基本机构 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。 2.基本杆组 定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。 机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。 F=1 F=0 现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架 构成了基本机构，其F1。剩下的构件组必有F0。将 构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆 为止。 作者：潘存云教授 举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。 7 1 3 2 4 5 6 8 推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的 基础上，依次添加若干个杆组所形成的。 机构的组成原理： 机构基本机构基本杆组 结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换 句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上， 构成了该八杆机构。 二、结构分类 设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副机构中Ph0 ) PL 为整数， n只能取偶数。 n 2 4 n4 已无实例了! PL 3 6 n=2 的杆组称为级组应用最广而又最简单的 基本杆组。共有 5 种类型 n=4 （PL6）的杆组有以下四种类型: 以上三种形式称为级组。结构特点：其中一个构件 有三个运动副