平面机构的自由度.ppt

第二讲 平面机构的自由度,2-1 平面机构的运动简图和自由度 2-2 平面四杆机构的基本类型 2-3平面四杆机构的特点及其设计简介,平面连杆机构由若干刚性构件用低副连接而成的机构。 平面四杆机构有四个刚性构件组成的平面连杆机构。,2-1 平面机构的运动简图和自由度,（一）运动副及其分类 1、自由度： 一个自由构件作平面运动时有三个独立运动的可能性，这种可能出现的独立运动称为自由度。,2、运动副 两构件之间的直接接触而又能产生一定相对运动的活动联接称为运动副。,3、约束： 两构件间的运动副所起的作用是限制构件间的相对运动，这种限制作用称为约束。所限制的独立运动的数目称为约束数。,4、运动副的分类 1) 根据构成运动副的两元素间相对运动的空间形式进行分类： 如果运动副元素间只能相互作平面平行运动，则称之为平面运动副，否则称为空间运动副。,2 ) 根据平面运动副的两构件的接触情况进行分类： 平面低副 凡是以面接触的运动副。 平面高副以点或线相接触的运动副。,低副又分为转动副和移动副。 转动副：允许构件作相对转动的运动副。 移动副：允许构件作相对移动的运动副。 低副的约束数为。 高副的约束数为。,（ 二）平面机构运动简图,机构中的构件按运动性质分为: (1) 机架：支承活动构件的的构件。 (2) 原动件：输入构件。 (3) 从动件：随着原动件的运动而运动的其他活动构件。,1、机构运动简图的定义：,用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样绘制出的简明图形就称为机构运动简图。,2、机构运动简图的绘制,（1）运动副的表示方法： 机架 低副,高副,（2）构件的表示方法：,轴、杆 固定件 同一构件 两个、三个运动副,第二讲 平面机构的运动分析 -自由度计算,绘制机构简图 1） 确定机构中的原动部分和工作部分，然后再把两者之间的传动搞清楚，从而找出组成机构的所有构件并确定构件间的运动副类型。,2） 恰当地选择投影面。一般选择机构中与多数构件的运动平面相平行的面作为绘制机构运动简图的投影面。 3) 简化构件, 确定出运动副在构件上的相对位置 4）选择适当的比例尺 ，,5) 用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副元素用简单线条连接起来，即为所绘的机构运动简图。,绘制内燃机的机构运动简图：P2,计算自由度,1、平面机构自由度计算公式的运用 2、计算机构自由度时应注意的事项,1、自由度计算公式的使用,F=3n-(2PL+PH)= 3n - 2PL- PH 设一个平面机构有K个构件，其中必有一个构件为机架，机架的自由度为零，则活动件个数为： n=K-1；其中，n为构件总数。 确定机构中有PL个低副和PH个高副，则引入的约束数为(2PL+PH)，最后带入自由度的计算公式中。,例一、计算内燃机机构的自由度 解： LH 56 2 1,例二、计算牛头刨床机构的自由度 解： LH 68 1 1,2、计算机构自由度时应注意的事项,（1）复合铰链 （2）局部自由度 （3）虚约束,（1）复合铰链,概念：由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。 复合铰链的转动副个数：由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含（m-1）个转动副。,例三、计算直线机构的自由度 解： LH 710 1,（2）局部自由度,概念：对整个机构（或其他构件）运动无关的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。 运动副个数：不计入机构的自由度计算中,例四、计算凸轮机构的自由度 解： LH 22 1 1,（3）虚约束,概念：在机构中不起独立限制作用的（或着说这些约束所起的限制作用是重复的）约束称为虚约束。 运动副个数：不重复计入机构的自由度计算中，或只计入一个运动副。,常见的虚约束有以下几种情况,1) 移动副导路平行 当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束,2) 转动副轴线重合 当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转副都是虚约束。,3) 轨迹重合 如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。,4) 对运动起重复约束作用的对称部分 在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。,5) 如果两构件在多处接触而构成平面高副，且在接触点处的公法线彼此重合,则只能算一个平面高副。 F=32-22-1 =1,小 结,基本概念和常用术语 机械 机器 机构 构件 部件 零件 通用零件 专用零件 自由度 约束 原动件 从动件 基本结论 机构的自由度数目和机构原动件的数目与机构的运动有着密切的关系。 1）机构自由度F0，则机构不能运动。 F=32-23 =0,2) 机构自由度0，且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的；这就是机构具有确定运动的条件。 =33-24 =1,3) 机构自由度0，而原动件数F，则构件间的运动是不确定的；,(LH)（）,4）若0，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。,341 原动件=2,作 业,P17： 1-1 P18： 1-3，1-4 P18 ：1-5，不用画图,第一讲 平面四杆机构的基本类型,由若干个刚性构件通过低副(Lower-pair)连接而组成的机构称为连杆机构，又称为低副机构。 由四个刚性构件连接而成的平面连杆机构为平面四杆机构。基本类型有铰链四杆机构、偏心轮机构、曲柄滑块机构和导杆机构。,平面四杆机构的基本类型,（一）铰链四杆机构 铰链四杆机构就是当平面机构中的运动副均为转动副时，称这样的四杆机构为铰链四杆机构。,构件名称：,机架：固定不动的构件称为机架。 连架杆 ：与机架相连的构件称为连架杆。 连杆 ：不直接与机架相连的构件称为连杆。,曲柄：能够绕固定铰链作整周运动的连架杆称为曲柄。 摇杆：只能绕转动中心在某一角度内摆动的连架杆称为摇杆。,铰链四杆机构的分类,连架杆位移（转角、行程转动范围） 1、曲柄摇杆机构 2、双曲柄机构 3、双摇杆机构,1、曲柄摇杆机构： 若在铰链四杆机构的两连架杆中, 其中一个为曲柄，另一个为摇杆，那么，此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,2、双曲柄机构 在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。,（1）正平行四边形机构： 在平行四边形机构中若两对边的长度相等且平行时，称为正平行四边形机构。 （2）反平行四边形机构： 在平行四边形机构中若两对边的长度相等不平行，称为反平行四边形机构。,3、双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。 等腰梯形机构：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。,铰链四杆机构的演化,变化铰链四杆机构的机架 曲柄摇杆机 双曲柄机构 双摇杆机构,1)、极位夹角,曲柄摇杆机构中曲柄与连杆两次共线位置之间夹角 称为极位夹角（或两极限位置曲柄所夹之锐角）。 曲柄与连杆两次共线时，摇杆所处的位置称为极限位置。 摇杆在两极 限位置所夹的角 称为摆角。,2)、急回运动(quick-return motion),当曲柄以1等速顺时针转过1角（AB1AB2）时，摇杆则顺时针摆过角（C1DC2D）， 设所用时间为t1， 则： t1= 1/ 1,当曲柄继续转过2（AB2AB1），摇杆逆时针摆回同样大小的角（C2DC1D），设所用时间为t2， t2= 2/ 1 则： 推程运动角为 1=180+ 回程运动角为 2=180- 即 t1 t2,在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动称为急回运动。 摇杆往复摆动的平均角速度 3= /t1 3= /t2 3)、行程速比系数(coefficient of travel speed variation) k 为了衡量摇杆急回作用的程度，把从动件往复摆动平均速度的比值（大于1）称为行程速比系数，即：,极位夹角： 四杆机构有无急回运动性质，取决于曲柄与连杆共线位置的夹角即有无极位夹角，不论是何种机构，只要机构在运行过程中具有极位夹角，则该机构就具有急回作用。 角越大，则K值越大，说明急回运动的性质也越显著。,4)、死点(dead point)位置 传动角（压力角）：压力角的余角。连杆传递给从动杆的力作用线和从动杆绝对速度方向所夹的锐角。 指从动件的传动角 =0时机构所处的位置。（不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力的影响）。,对于曲柄摇杆机构，当摇杆1为主动件，连杆与曲柄共线时的位置即摇杆处于两个极限位置时， 连杆2传给从动 曲柄3的驱动力F， 通过曲柄的转动 中心A。,在此位置传动角 =0，即通过连杆传给曲柄的力对A点不产生力矩，即驱动力对从动曲柄3 的有效力矩为零， 故不能推动曲柄转动, 机构处于卡死位置， 同时曲柄的转向也 不确定，机构的这 种位置称为死点位置。,死点位置的存在：与哪一构件为主动件有关（曲柄、摇杆），即在运动传递的过程中， =0 的情况是否存在。,例如：曲柄摇杆机构，当1为主动件时无死点位置，但有极限位置，当3为主动件时有死点位置。,死点位置的克服办法,（1）利用飞轮惯性来克服死点位置 例1：在缝纫机的曲轴上安装一个大皮带轮，利用惯性来克服。 例2：火车的驱动机构是曲柄滑块机构，滑块3为主动件，故将出现死点位置。在运行过程中是利用火车本身的惯性。,（2）利用机构错位排列法来克服死点位置。 例如：蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组曲柄滑块机构中，曲柄AB与AB位置错开90。,2、死点位置在机构中的作用 有利于增强承受冲击的能力：如飞机起落架的着陆 增强夹紧作用：如钻床工件夹紧机构,（二）偏心轮机构,（三）曲柄滑块机构,改变相对杆长、转动副演化为移动副,（四）导杆机构,变化单移动副机构的机架： 曲柄滑块机构 转动（摆动）导杆机构 曲柄摇块机构 移动导杆机构,曲柄摇块机构,移动导杆机构（定块机构）,平面四杆机构的特点,优点 1. 低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击。 2. 其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，而靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单,工作可靠。 3. 可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。,缺点 1、机构复杂时，累计误差较大，影响其传动精