机械专业2结构分析.ppt

1,机械原理 第 2 章 MECHANISMS AND MACHINE THEORY CHAPTER 2,平面机构的结构分析 Structure Analysis of Planar Mechanisms,2,2-1 机构结构分析的内容及目的 The content and purpose of structural analysis for a mechanisms 2-2 机构的组成 The composition of a mechanism 2-3 机构运动简图 the kinematic diagram of a mechanism 2-4 机构具有确定运动的条件 conditions for a mechanism to have a determined motion 2-5 机构自由度的计算 calculation of a mechanisms degree of freedom 2-6 计算自由度时的注意事项 points for attention during the calculation of DOF 2-8 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析 the composition principle, structural classification and structural analysis of a planar mechanism,3,掌握机构的组成，能绘制机构运动简图 能熟练计算各种平面机构的自由度 能熟练进行机构的高副低代、拆分机构的基本杆组 掌握与上述内容相关的基本理论,第2章的学习要求,4,内容： 机构的组成要素及机构运动简图 机构自由度及机构具有确定运动的条件 机构的组成原理及结构分类,目的： 对机构进行分析与综合 判断机构是否可动、是否作确定的运动 1）提供构思机构的方法 2）对机构按结构归类以便于进行机构运动和力分析,第2章 机构的结构分析,2-1 内容及目的,5,构件 link,运动副 Kinematic pair,运动链 Kinematic Chain,机构 Mechanism,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,+,指定1个构件为机架,6,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,1、构件/link,独立的运动单元。可以是单一的零件（制造单元），也可以是由多个零件固结而成的刚性结构。,内燃机连杆,7,2、运动副/Kinematic pair,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,两个构件直接接触并能产生一定的相对运动的可动的连接称为运动副。,8,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,每个运动副由两个构件组成。 构件上参与接触而构成运动副的表面称为运动副元素/pairing element 。 两构件在空间可能具有的独立相对运动数目称为构件自由度。自由构件之间，自由度=6，运动副自由度f6， 6- f=运动副约束数s，即f=6-s。f0，故s最多为5，最小为1。图示运动副s=2，f=4。,9,运动副按约束/constraint数目分类,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,此运动副为级副。,10,面接触的运动副称为低副/lower pair；,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,运动副按接触情况分类：,点或线接触的运动副称为高副/higher pair,11,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,运动副按相对运动不同分类：,只能相对转动的称为转动副/revolute pair； 只能相对直线移动的称为移动副/sliding pair； 螺旋运动的称为螺旋副/helical pair 球面运动的称为球面副/spherical pair；,12,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,两构件的相对运动均在同一平面内的称为平面运动副/planar pair,两构件的相对运动不都是在同一平面内的称为空间运动副/spatial pair,运动副按相对运动是否在同平面内分类：,13,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,运动副分类汇总,14,15,3、运动链/Kinematic Chain,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,开链机械,闭链机械,构件通过运动副相联而构成的相对可动的系统,16,机架/frame/fix link相对固定不动的构件 原动件/driving link按给定的运动规律独立运动的构件 从动件/driven link 随动构件,4、机构/Mechanism,2-2 机构的组成,第2章 机构的结构分析,Kinematic Chain,Mechanism,有1个构件固定为机架/fixed link,17,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,第2章 机构的结构分析,用简单线条和规定符号表示构件和运动副，并用一定比例表示运动副位置的图形，称为机构运动简图。有时可不按比例绘制，称为机构示意图。,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,在机架上的电动机,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,19,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,带传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,20,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,链传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,21,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,外啮合圆柱齿轮传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,22,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,内啮合圆柱齿轮传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,23,齿轮齿条传动,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,24,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,直齿圆锥齿轮传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,25,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,圆柱蜗杆蜗轮传动,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,26,凸轮传动,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,27,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,棘轮机构,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,28,常用运动副的符号,第2章 机构的结构分析,槽轮机构,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,杆、轴构件,固定构件,同一构件,一般构件符号,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,三副构件,两副构件,第2章 机构的结构分析,一般构件符号,Ternary link,Binary link,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,31,第2章 机构的结构分析,注意：画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质和相对位置。,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,32,第2章 机构的结构分析,尺寸比例尺：l =实际尺寸 m / 图上长度mm,l = lAB /AB =0.02m/10mm =0.002m/mm,A,B,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,33,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,绘制机构运动简图步骤,3.标注运动副标号（用大写字母）、构件标号（用数字）和原动件（用箭头）、。,1.明确机架、原动件和从动件。 机架相对固定的构件。 原动件（输入件）由外界输入已知运动规律的构件。 从动件随动构件。,2.从原动件开始，对每个构件先画出构件上的所有运动副（运动副之间的相对位置按比例或不按比例画）；再用简单线条连接各运动副，构件便画出。,A,B,C,D,1,2,3,4,34,A,O,F,C,B,D,E,l=1mm/1mm,例2-1：绘制颚式破碎机运动简图,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,1,35,例2-2：绘制内燃机的运动简图。,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,36,例：绘制偏心泵的运动简图,偏心泵,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,例：绘制机构运动简图。,第2章 机构的结构分析,2-3 机构运动简图/Kinematic Diagram,38,在讨论构件自由度时已经知道1是构件1 的独立运动参数，在此给定这1个参数，整个机构相对机架的位置便确定。,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,故该机构具有1个自由度。,39,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,运动不确定,该机构需2个独立参数，才能确定机构的位置，即该机构有2个自由度。,40,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,为了使机构具有确定的运动，自由度为1的机构需要指定1个原动件。,自由度为2的机构需要指定2个原动件。,41,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,总结：机构具有确定运动的条件是： 机构的原动件数目应等于机构的自由度。,42,若： 原动件数F 机构破坏 机构自由度F=0 机构不能动,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,43,一般指定与机架相连的构件为原动件,第2章 机构的结构分析,2-4 机构具有确定运动的条件,44,平面机构自由度：F=3n -（2pl +ph ）,活动构件数n,低副数pl,高副数ph,活动构件总自由度,运动副总约束数,第2章 机构的结构分析,2-5 平面机构自由度的计算,共具有自由度,共引入约束,3n,2pl,ph,45,例2-3:计算内燃机的自由度。,F=3n2plph =36273 =1,第2章 机构的结构分析,2-5 机构自由度的计算,解：n=6,pl=7,ph=3,46,第2章 机构的结构分析,2-5 机构自由度的计算,例1:计算图示机构的自由度。,解：n=3,pl=5,F=3n2plph=3325= -1,ph=0,不能动。,47,1. 要正确确定运动副数目,两个以上的构件在同一处以转动副相联构成复合铰链/Multiple joints/Compound hinges) ，算(m-1)个转动副！,m个构件,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,m-1个转动副,48,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,例1-5 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（ B、C、D、E 四处复合铰链）,F=3n 2PL PH,高副数PH= 0,=37 210 0,=1,圆盘锯机构,49,1. 要正确确定运动副数目,a.两构件之间多个法线方向重合的高副,只算1个高副！,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,50,c.两构件之间多个导路相平行（或重合）的移动副，只算1个！,b.两构件之间多个共轴线的转动副，只算1个！,1. 要正确确定运动副数目,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,51,活动构件数n= 2,低副数pl=,2,F=3n2pl ph,高副数ph=1,= 1,=32221,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,例：计算图示凸轮机构的自由度。,52,活动构件数n=2,低副数pl=2,高副数ph=1,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,1. 要正确确定运动副数目,一对渐开线齿轮的两个轴心用构件相连，不论几对轮齿啮合，都只能算1个高副,F=3n2pl ph,= 1,=32221,53,但若两齿轮轴心之间未用构件相连，由于重力的作用，会出现另一法线方向的高副，故要算2个高副。,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,1. 要正确确定运动副数目,54,某些构件所具有的、不影响其他构件运动的运动自由度（例如滚子的转动）称为局部自由度，用F表示 。应在机构自由度中减去局部自由度。,2. 要除去局部自由度/passive DOF,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,55,F=3n- 2pl- ph -F =33 -23 -1 -1 =1,2. 要除去局部自由度/passive DOF,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,例：计算图示凸轮机构的自由度。,56,2. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,重复约束称为虚约束，应在约束总数中减去虚约束。,平行四边形机构中的虚约束,轨迹重合,57,构件5和转动副E、F共引入约束 p =2pl-3n=22-31=1，为虚约束，应从机构的约束总数中去掉。,F=3n-（2pl+ph - p ）-F =34 -（26 +0 -1）-0 =1,3. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,58,3. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,出现虚约束的三种情况：,1）转动副连接轨迹重合点,2）双转副杆连接距离不变的两点,59,3. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,3）不影响运动传递的重复部分,60,例:计算椭圆仪自由度，已知 CAD=90，AB=BC=BD。,3. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,F=3n-（2pl+ph - p ）-F =34 -26 -0 +1-0 =1,解: C或D处存在转动副连接轨迹重合点情况。,由滑块、转动副、移动副三者引入虚约束 p=2pl-3n=22-31=1,61,62,3. 要除去虚约束/redundant constraint,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,例:计算齿轮系自由度。,F=3n-（2pl+ph - p ）-F =35 -25 -6 +2-0 =1,解: 2个小齿轮为不影响运动传递的重复部分。由此引入虚约束 p=2pl+ph-3n=22+4-32=2,63,例2-8:计算图示包装机送纸机构的自由度。,解： 活动构件数n=9,低副数pl=11（复合铰链D）,F=3n-(2pl +ph-p )-F =39-211 3+1-2 =1,高副数ph=3,虚约束p=1（双副杆6或9）,局部自由度F=2（两滚子）,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,64,例:计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度或虚约束须指出：,解：活动构件数n=8,低副数pl=10,F=3n-(2pl +ph-p )-F =38-210 2+1-1 =2,高副数ph=2,虚约束p=1,局部自由度F=1,C处为复合铰链,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,65,解：活动构件数n=10,低副数pl=13,F=3n-2pl - ph F =310 -213-2-1 =1,高副数ph=2,例:计算图示机构的自由度,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,66,解：活动构件数n=9,低副数pl=12,F=3n-2pl - ph +p F =39 -212-1-1 =2,高副数ph=1,第2章 机构的结构分析,2-6 机构自由度应注意的事项,例:计算图示机构的自由度,并问需几个原动件？,局部自由度F=1,虚约束p=1,67,平面机构的组成原理/composition principle,F=1,F=0,F=1,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,F=1,68,F=1,F=0,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,平面机构的组成原理/composition principle,69,F=0,F=0,F=0,F=0,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,注意：有4个复合铰链,平面机构的组成原理/composition principle,不能再拆分的F=0的构件组称为基本杆组/assur group（阿苏尔杆组），简称杆组,70,F=1,=,任何机构都是由若干个基本杆组依次连接到原动件和机架上而构成的。,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,平面机构的组成原理/composition principle,+,71,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,设计新机构的途径添加杆组。 但注意：不可将1个杆组的两个外接副/outer pair连接于同一构件上。,同一刚体,平面机构的组成原理/composition principle,72,基本杆组的自由度为：3n -（2pl + ph）=0 若 ph= 0 则 3n -2pl = 0 即 n/2 = pl /3 n必为2的倍数，pl必为3的倍数即： 又因为： pl =（3 / 2）n 故基本杆组的类型有： 1）n = 2， pl =3 2）n = 4， pl = 6 ,2. 平面机构的结构分类,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,II级杆组（两杆三副）,III级杆组（四杆六副）,III级以上（含III级）的杆组称为高级杆组,73,2. 平面机构的结构分类,II级杆组/binary-group的五种类型： 转动副 Revolute Pair R 移动副 Prismatic Pair P RRR RRP RPR PRP PPR,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,74,III级组/tenary-group的三种类型：,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,2. 平面机构的结构分类/classification,75,机构级别/grades of structure: III 级机构 基本杆组级别最高为III 级的机构,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,2. 平面机构的结构分类/classification,II 级机构基本杆组级别最高为II 级的机构 I 级机构 只由机架和原动件构成的机构,级机构,76,目的：了解机构的组成，确定机构的级别。,3.平面机构的结构分析/structural analysis,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,77,步骤： 从离原动件最远的构件开始拆卸杆组，先试拆II级组，拆剩部分仍应是一个同自由度的机构。 II级组拆不成就拆III级组（注意画基本杆组时，不应把机架带入杆组中）； 全部杆组拆出，只剩原动件与机架（画在一起，原动件上不应有外接副）； 按所具有的杆组的最高级别，写出机构的级别。,II级机构,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,例：,3.平面机构的结构分析/structural analysis,78,级机构,第2章 机构的结构分析,2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,原动件不同,机构级别可能不同。,例：,3.平面机构的结构分析/structural analysis,79,4. 平面机构中的高副低代/substitue higher pair by lower pair,