ch02平面机构的结构分析.ppt

第2章 平面机构的结构分析,2-1平面机构的组成 2-2平面机构运动简图 2-3平面机构的自由度计算 2-4平面机构的组成原理及结构分析,基本要求,弄清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念； 掌握绘制常见机构运动简图的方法； 熟练掌握平面机构的自由度计算； 对平面机构的组成原理有所了解。,1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件,2.按结构特点对机构进行分类,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。,机构的结构分析研究内容及目的,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。,4.研究机构的组成原理,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。,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。,一、机构的组成要素,机构是是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用运动副联接起来的构件系统（GB10853-89）,1、构件,2、运动副,2.1平面机构的组成,两个要素：,1、构件,所谓构件是指机器中独立的运动单元。,零件是加工制造的单元。,2、运动副,对运动副的理解要把握以下三点：,组成运动副的两个构件之间能相对运动,两构件组成的直接接触而又能产生相对运动的活动联接称为运动副。,两构件参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。,运动副由两个构件组成；,运动副是一种联接,两构件直接接触；,运动副元素不外乎为点、线、面。,螺旋副,球面副,转动副,移动副,运动副类型,（1）按运动副相对运动形式分,低副: 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副;,（2）按运动副接触形式分,高副: 凡两构件系通过点或线接触而构成的运动副统称为高副;,螺旋副,球面副,（3）按运动副的运动空间分:,平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副;,空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。,（4）自由度与约束,两构件构成运动副之前，有6个独立的相对运动，即6个自由度。,两构件构成运动副之后，某些独立的相对运动受到限制，自由度减少。,对独立的相对运动所加的限制，称为约束。,运动副还可根据约束数目分类，引入1个约束，I级副，2个约束，II级副，依此类推。 球面副为III级副，螺旋副为V级副,二、运动链,闭链: 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。,开链: 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。,运动链:构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。,三、机构,机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件, 则运动链便成为机构。,机架：机构中固定不动构件。,原动件: 机构中按给定的运动规律独立运动的构件。,从动件:机构其余活动构件。,2.2 平面机构的运动简图,完全反映原机械具有的运动特性。,为什么要画机构运动简图？,模型不是越真实越好，在满足应用要求的前提下，越简单越好！,机构运动简图的要求,A 满足应用要求：分析机构组成 工作原理 运动分析、受力分析,B 表达简捷,C 符号统一、便于交流,机构的运动特性与哪些因素有关？,运动副类型,构件,原动件运动规律,运动副相对位置,与构件的结构尺寸和形状、 运动副的具体构造是否相关？,机构运动简图,为了表明机构结构状况, 不要求严格地按比例而绘制的简图称为机构的示意图。,指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。,常用运动副的符号,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,平面运动副,两构件之一为固定时的运动副,运动副 名称,平面高副,螺旋副,球面副球销副,空间运动副,平面运动副,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,构件的表示方法,常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）,常用机构运动简图符号（续）,常用机构运动简图符号（续）,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,3,2,1,4,（二）绘制机构运动简图的步骤与方法,4. 选择适当的比例尺, 用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动简图画出来。,1.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。,2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目;还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运动副间的相对位置；如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。,3. 恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。,例2-1 绘制颚式破碎机的构运动简图,例2-1 绘制颚式破碎机的构运动简图,(1)机构的组成及运动情况，共四个构件：机架1、偏心轴2、动颚3和肘板4,(2)运动副的类型及数量,偏心轴与机架 转动副A,动颚与偏心轴 转动副B,肘板与动颚 转动副C,肘板与机架 转动副D,(3)选定投影面和比例尺,定出各运动副的相对位置,绘制出机构运动简图,1,2,3,4,A,B,例2-2,C,1,2,3,4,5,6，7,例2-3,例2-4泵机构,例2-5冲压机构,给定一个独立参数11(t), 机构运动唯一确定，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 。,一、机构具有确定运动的条件,2.3平面机构的自由度计算,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动数目称为机构的自由度。,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,二、 平面机构自由度的计算公式,作平面运动的刚体的位置需要三个独立的参数（x, y, ）才能唯一确定。,(x , y),运动副 自由度数 约束数 回转副 1（） + 2（x，y） = 3,R=2, F=1,R=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，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,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,推广到一般：,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=,0,1,2,3,4,1,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=,1,1,2,3,三、计算平面机构自由度的注意事项,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！,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,在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,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。,8,Peaucellier 精确直线机构,F,G,准确识别复合铰链举例 关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,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=32 22 1 =1,定义：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链：,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,1,2,3,1,2,3,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH =34 26 =0,PH=0,3.虚约束 对机构的运动实际上不起作用的约束。 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。,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,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,B,C,D,E,F,4,F,虚约束,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),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。,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意： 法线不重合时，变成实际约束！,A,A,n1,n1,n2,n2,n1,n1,n2,n2,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 !,计算图示大筛机构的自由度。,n=,7,PL =,9,PH =,1,F=3n 2PL PH=37 29 1=2,计算包装机送纸机构的自由度,2个转动副,杆9和运动副F、I引入一个虚约束,分析 活动构件数,n9,复合铰链,虚约束,运动副D,1处,去掉局部自由度和虚约束,局部自由度,n6，pL7，pH3 F3n2pLpH3627131,滚子3、8绕自身轴线的转动,可以用含有两个低副的构件代替一个高副,自由度没变 各构件运动特征也没有变,2-4 平面机构的组成原理与结构分析,2-4-1平面机构中的高副低代,高副低代：在平面机构中用虚拟的低副代替高副方法。,a.代替机构和原机构的自由度必须完全相同。 b.瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。,进行高副低代必须满足的条件：,即保证机构的运动特征保持不变。,意义：使平面低副机构的运动分析和动力分析方法能适用于所有平面机构，简化平面机构组成原理和结构分析。,根据：平面高副与平面低副之间的内在联系,任意曲线轮廓高副机构,a),若高副两元素之一为一点(如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图b：,若高副两元素之一为一直线(如下图a)，则因其曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图b或图c：,根据以上的分析可得出以下结论： 在平面机构中进行高副低代时，只需将一虚拟构件在构成高副的两构件接触点的曲率中心处分别与该两构件以转动副相联。,对于含有高副的平面机构可以通过高副低代将其转化为只含有低副的平面机构。因此，对平面机构的结构分析、运动分析及动力分析只需讨论仅含低副的机构，使研究得以简化。,机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。 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的F0的构件组，直到不能再拆为止。,定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组，简称杆组。,2-4-2平面机构中的组成原理,杆组按结构分类： 设杆组中有n个构件，PL个低副，则由条件F0有： F3n2PLPH0 (低副机构中PH0 ),因为 PL 为整数， 所以 n只能取偶数。 n 2 4 6 PL 3 6 9 ,得 PL3n/2,其中最简单的组合是n=2 ， PL=3。这种杆组每个构件都只有二个运动副，称为II级组应用最广而又最简单的杆组。共有以下5 种类型：,n=4 （PL6）的是级组，有以下三种类型:,结构特点：其中一个构件有三个运动副。,IV级组：,结构特点： 有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。 IV级组在实际机构中应用很少。,机构命名方式： 按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,必须强调指出： 杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。例如下图中两种情况杆组都不能运动。,机构的级别与原动件的选择有关。,由上述机构结构分析的过程可知，平面机构的组成原理是：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接到原动件和机架上所组成。,平面机构的组成原理,例如右图所示牛头刨床主机构的设计过程。,在设计一个新机构时，可先选定机架，并将等于该机构自由度数的若干个原动件用低副连接于机架上，然后将各个基本杆组连接于机架和原动件上，即可完成该简图的设计。,牛头刨床主机构的组成原理,2-4-3平面机构中的结构分析,机构的结构分析：将已知机构分解为原动件、机架和若干基本杆组，并确定机构的级别。与机构的组成过程正好相反。,对机构进行结构分析应遵循以下原则（4条）： 1应先除去机构中含有的局部自由度和虚约束