机械原理第一章机构的构型分析1.pptVIP

第二章 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 机构自由度的计算 26 计算平面自由度时应注意的事项 27 平面机构的组成原理及其结构分类 内容提要 1 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 2.绘制机构运动简图和自由度的计算 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？ 3.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。 2 名词术语解释: 1.构件(Link) 独立的运动单元 内燃机 22 机构的组成 内燃机 连杆 套筒 连杆体螺栓 垫圈 螺母 轴瓦 连杆盖 零件(part、element) 独立的制造单元 3 2.运动副（kinematic pair） a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 （2）运动副元素(elements of pair) 直接接触的部 分（点、线、面） 例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。 （1）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 4 （3）运动副的分类： 1）按引入的约束数分有： （约束（constrain)联接时相对运动所受到的限制） I 级副 球与平面接触 II 级副 球与方槽接触 III级副 球与球腕接触 I 级副、II 级副、III 级副、IV 级副、V 级副。 引入1个约束 引入2个约束 引入3个约束 引入4个约束 引入5个约束 5 2）按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动(Planar kinematic pair) 平面机构 全部由平面运动副组成的机构。 IV级副 圆柱与圆孔 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 空间机构 至少含有一个空间运动副的机构。 6 3）按运动副元素分有（即按两构件的接触情况分） ： 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）（revolute pair） 移动副 。（sliding pair、prismatic pair） 7 （4）常见运动副符号的表示: 国标GB446084 转动副 移动副 高副 8 表2-1 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 （V级）（V级） （V级）（V级） 9 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 （IV级） （IV级） （V级） （V级） （III级） （IV级） （III级）（IV级） 10 （5）构件的表示方法: 两副构件 三副构件 11 表2-3 一般构件的表示方法 杆、轴类构件 固定构件 同一构件 12 三副构件 两副构件 一般构件的表示方法 13 运动链 两个以上的构件通过运动副 的联接而构成的相对可动的系统。 注意事项: 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) 开式链(Open chain）多用于机械手 作者：潘存云教授 14 若干1个或几个1个 4. 机构（ mechanism） 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。 (frame) 机构的组成： 机构机架原动件从动件 原（主）动件 按给定的已知运动规律独立运动的构件。 (driving link) 从动件 其余可动构件。(driven link、follower) 15 23 机构运动简图 一、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。 二、作用 1.表示机构的结构和运动情况。 三、机构示意图 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。 16 表2-2 常用机构运动简图符号（教材P10） 在 机 架 上 的 电 机 齿 轮 齿 条 传 动 带 传 动 圆 锥 齿 轮 传 动 17 链 传 动 圆柱 蜗杆 蜗轮 传动 凸 轮 传 动 外啮 合圆 柱齿 轮传 动 18 四、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 19 五、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。 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。 20 步骤： 1. 运转机械，搞清楚运动副的类型性质、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 举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图 。 强调：看懂结构图、了解工作原理、找出机架、 原动件、从动件。 21 22 23 鳄式破碎机1 偏心轮 动颚板 定颚板 24 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 25 24 机构具有确定运动的条件 给定S3S3(t) 一个独立参数 ， 则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 26 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。 (degree of 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 27 25 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 = ？ 单个自由构件的自由度为3? 28 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 29 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： 30 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 如仅取构件1为原动件，则因F=2原动件数=1 ，所以运动不确定。 31 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 动画 32 33 内燃机及其机构运动简图 F3n(2plph) 36 27 3 1 34 当未刹车时， ，ph=0，pl=8，刹车机构自由度为 当闸瓦之一刹紧车轮时， ，ph=0，pl=7，刹车机构自由度为 习题2-18 35 26 自由度计算中的特殊问题 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！ 动画 1.正确计算运动副的自由度。 36 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个转动副。 两个低副 动画 37 三个构件在同一轴线处，两个转动副。 推理：m个构件时，有m 1个转动副。 38 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。 （当AB=AE、BC=BD、CE=ED=DF=FC时） 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 圆盘锯机构 39 F3n2PLPH 3 2 1 2 3 F3n2PLPH 3 2 231 -1 两构件间构成多个运动副 错 22 1 1 对 移动动副导导路平行 转动转动 副轴线轴线 重合 平面高副接触点公法线 40 两构件构成高副，两处接触，且法线重合。 如等宽凸轮（只算一个高副 ） 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 计算右图的自由度=？ 误：F=3 2 -2 3-1 2=-2 正：F=3 2 -2 2-1 1=1 相当于一个转动副 相当于一个移动副 41 例题计算图示两种凸轮机构的自由度。 解：左边机构 n=3， PL=3， F=3n 2PL PH =33 23 1 =2 F原动件数，运动确定？ 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 动画 42 2. 2. 局部自由度局部自由度（passive degree of freedom）-用F 表示 F=3n 2PL PH F =33 23 1 1 =1 本例中局部自由度 F=1 或计算时去掉滚子和铰链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。 一般出现在加装滚子的场合 ，计算时应去掉F。 滚子的作用：滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦。 1 2 3 1 2 3 43 解：n=4， PL=6， F=3n 2Pl Ph =34 26 =0 PH=0 3.虚约束( passive或redundant 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点的轨迹是重合的，都是圆弧。 增加的约束不起作用，应去掉构件4。 例题已知：ABCDEF，计算图示平行四 边形机构的自由度。 1 2 34 A BC D E F 平行四边形机构 44 解：n=4， PL=6， PH=0 例题已知：ABCDEF，计算图示平行四 边形机构的自由度。 1 2 34 A BC D E F 1 对 F3n2PLPH+P 3 2 + 4 6 0 1 45 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。 ABCDEF46 出现虚约束的场合： 1）两构件联接前后，联接点的轨迹重合， 如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。 误：F=3 4 -2 6=0 计算右图的自由度=？ 47 F3n2PLPH+P 3 2 + 34 1 1 1 对 n4，PL4，PH0，P1 F1 48 2）运动时，两构件上的某 两点距离始终不变，也将带入1个虚约束（ E、F） EF 计算右图的自由度=？ 误：F=3 4 -2 6=0 正：F=3 4 -2 6+1=1 动画 49 3）在机构中，不影响机构运动传递的重复部分 所带入的约束为虚约束。既对运动不起作用的对 称部分。如多个行星轮。 P P 2P2P l l + P + Ph h -3 -3n n 50 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 计算右图的自由度=？ 误：F=3 5 -2 5-1 6=-1 正：F= 3 5 -2 5-1 6+2或= 3 3 -2 3-1 2=1 P P 2P2P l l + P + Ph h -3 -3n n = =2 2+4-2 3=2 51 F F3n- (2P3n- (2P l l + P+ Ph h -P -P ) )- F- F = = 311 （217 -2） =1 P P 2P2P l l + P + Ph h -3 -3n n = =2 10-6 3=2 52 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 ! 53 平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式 F3n- (2Pl+ Ph -P)- F F 局部自由度数 PH 高副数 n 活动构件数 P 虚约束数 PL 低副数 F 局部自由度数 54 B2 I 9 C 3 A 1 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 例题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 F F3n- (2P3n- (2P l l + P+ Ph h -P -P ) )- F- F = = 39 （211 +3-1）- 2=1 55 B2 I 9 C 3 A 1 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 例题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 56 或F=3n 2Pl Ph =37 292 =1 F=3n 2Pl Ph-F =38 2102-1 =1 动画 57 局部自由度 复合铰链 虚约束 n=10 Pl=14 Ph=1P=1 题1 F=1 58 例题2 局部自由度 复合铰链 虚约束 n=9 Pl=12 Ph=2F=1 59 27 平面机构的组成原理及其结构分 类及结构分析 一、平面机构的组成原理 a)原动件作移动 (如直线电机、斜 面机构、流体压力作动筒)。 2 1 1.基本机构（或称I级机构） 定义：由一个原动件和一个机架组成的双 杆机构。 60 b)原动件作转动 (如电动机、杠杆机构) 。 2 1 61 2.基本杆组 定义：最简单最简单的F0 的构件组，称为基本杆组。 阿苏尔杆组 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从机构中断 开，则原动件与机架构成了基本机构基本机构，其F1。 剩下的构件组必有F F0 0。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。 62 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 3 5 F=3 1-2 1=1 F=3 2-2 3=0 F=3 4-2 6=0 63 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。 64 二、平面机构的结构分类 设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有： F3n2PLPh0 考虑低副机构：则 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 65 n=4 （PL6）的杆组有以下四种类型: 以上三种