机构自由度计算.ppt

1 机械学基础课程电子教案 机械与电子工程学院闫锋欣 西北农林科技大学 2 第1章机构的组成及平面连杆机构 1 零件 螺钉 轴 2 构件 刚性组合 3 机构 确定的运动 一 基本定义 1 1平面机构的运动简图和自由度 4 自由度 第2章平面连杆机构 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设计 基本要求 掌握基本概念熟练掌握机构运动简图的绘制熟练掌握机构自由度的计算方法掌握平面连杆机构的类型 特点 演化方法掌握平面四杆机构的工作特性 2 1平面机构的运动简图和自由度 一 构件二 运动副三 机构四 平面机构的运动简图五 平面机构的自由度 一 构件 构件 独立影响机构功能并能独立运动的单元体 实物 刚体 运动的整体 机架 原动构件 从动构件零件 单独加工的制造单元体通用零件 专用零件 构件可以由一个零件组成也可以由几个零件组成 原动件 机架 与动力源组合 机器的组成 从运动观点看 由构件组成 从制造观点看 由零件组成 机械 构件 零件 零件 构件 机构 机器 静联接 动联接 运动副 二 运动副 运动副 两构件直接接触而形成的可动联接运动副元素 构成运动副时直接接触的点 线 面部分接触形式 点 线 面 运动副分类 按接触形式分类按相对运动分类 按接触形式分类 接触形式 点 线 面低副 面接触高副 点 线接触 平面低副空间低副 高副 高副 空间低副 平面低副 平面低副 按相对运动分类 运动副的性质 即运动副引入的约束 确定了两构件的相对运动按相对运动分类 转动副 相对转动 回转副 铰链移动副 相对移动螺旋副 螺旋运动球面副 球面运动 运动副类型小结 平面低副 转动副 移动副 面接触 平面高副 齿轮副 凸轮副 点 线接触 空间低副 螺旋副 球面副 圆柱副 面接触 空间高副 球和圆柱与平面 球与圆柱副 点 线接触 运动副特性 运动副一经形成 组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定 而且这种可能的相对运动 只与运动副类型有关 而与运动副的具体结构无关 工程上常用一些规定的符号代表运动副 平面副 低副 转动副 移动副 面接触 高副 齿轮副 凸轮副 点 线接触 空间副 高副 点 线接触 球面副 螺旋副 了解 机构是由构件通过运动副连接而成的原动件 按给定运动规律独立运动的构件从动件 其余的活动构件机架 固定不动的构件 闭链 开链 机构 三 机构 1概述2构件的表示方法3运动副的表示方法4运动简图的绘制方法5例题 四 平面机构的运动简图 1概述 机构各部分的运动 取决于 原动件的运动规律 各运动副的类型 机构的运动尺寸 确定各运动副相对位置的尺寸 机构运动简图 表示机构运动特征的一种工程用图 用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较 机构示意图 没严格按照比例绘制的机构运动简图用途 分析现有机械 构思设计新机械 2构件的表示方法 杆 轴类构件机架同一构件两副构件三副构件 3运动副的表示方法 转动副移动副高副 齿轮副 凸轮副 4运动简图的绘制方法 步骤 确定构件数目及原动件 输出构件各构件间构成何种运动副 注意微动部分 选定比例尺 投影面 确定原动件某一位置 按规定符号绘制运动简图标明机架 原动件和作图比例尺绘制路线 原动件 中间传动件 输出构件观察重点 各构件间构成的运动副类型良好习惯 各种运动副和构件用规定符号表达误区 构件外形 5例题 内燃机 A B C E F D G 例题 破碎机 1 2 3 4 A B C 14 12 23 A14 B12 C234 3 2 4 1 4 例题 1平面机构自由度的计算2机构具有确定运动的条件3几种特殊结构的处理复合铰链局部自由度虚约束4小结 五 平面机构的自由度 1平面机构自由度的计算 1 平面运动构件的自由度 构件可能出现的独立运动 2 平面运动副引入的约束R 对独立的运动所加的限制 与其它构件未连之前 3 用运动副与其它构件连接后 运动副引入约束 原自由度减少 R 2 R 2 R 1 结论 平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束 3 平面机构自由度计算公式 如果 活动构件数 n低副数 pl高副数 ph 未连接前总自由度 3n 连接后引入的总约束数 2pl ph F 3n 2pl ph 机构自由度F F 3n 2pl ph 机构自由度举例 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 0 2 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 1 1 F 3n 2pl ph 3 4 2 5 0 2 F 3n 2pl ph 3 3 2 5 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 2 3 0 0 2机构具有确定运动的条件 F 0 刚性桁架 构件之间无相对运动原动件数小于F 各构件无确定的相对运动原动件数大于F 在机构的薄弱处遭到破坏 结论 机构具有确定运动的条件 1机构自由度 02原动件数 机构自由度数 m个构件 m 2 在同一处构成转动副m 1个低副 1 复合铰链 F 3n 2pl ph 3 2 5 6 0 3 F 3n 2pl ph 3 2 5 7 0 1 错 对 计算在内 2 3 5 1 3几种特殊结构的处理 F 3n 2pl ph 3 2 3 3 1 2 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 错 对 排除 2 局部自由度 定义 机构中某些构件所具有的独立的局部运动 不影响机构输出运动的自由度局部自由度经常发生的场合 滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子 轴承中的滚珠解决的方法 计算机构自由度时 设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起 视作一个构件 动画 不影响机构运动传递的重复约束在特定几何条件或结构条件下 某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致 这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束虚约束经常发生的场合处理方法 计算自由度时 将虚约束 或虚约束构件及其所带入的运动副 去掉结论 F 3n 2PL PH 3 2 F 3n 2PL PH 3 2 2 3 1 1 错 2 2 1 1 对 排除 3 虚约束 虚约束经常发生的场合 A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分 A两构件之间构成多个运动副时 两构件组合成多个转动副 且其轴线重合两构件组合成多个移动副 其导路平行或重合两构件组合成若干个高副 但接触点之间的距离为常数 目的 为了改善构件的受力情况 F 3n 2PL PH 3 2 2 2 1 1 动画 B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时 在这两个例子中 加与不加红色构件AB效果完全一样 为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 F 3n 2PL PH 3 2 4 6 0 0 错 对 1 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 1 C两构件上联接点的轨迹重合 在该机构中 构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合 为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理 也可将构件4当作虚约束 将构件4及其引入的约束去掉来计算 效果完全一样 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 1 动画 D机构中对运动不起作用的对称部分 在该机构中 齿轮3是齿轮2的对称部分 为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理 将齿轮2当作虚约束去掉 完全一样目的 为了改善构件的受力情况 F 3n 2PL PH 3 2 3 3 2 1 动画 虚约束 结论 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的 如果这些几何条件不满足 则虚约束将变成有效约束 而使机构不能运动 采用虚约束是为了 改善构件的受力情况 传递较大功率 或满足某种特殊需要在设计机械时 若为了某种需要而必须使用虚约束时 则必须严格保证设计 加工 装配的精度 以满足虚约束所需要的几何条件 4自由度计算小结 自由度计算公式 F 3n 2pl ph机构自由度 3 活动构件数 2 低副数 1 高副数 计算步骤 确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构 局部自由度 虚约束 复合铰链计算 验证自由度几种特殊结构的处理 1 复合铰链 计算在内2 局部自由度 排除3 虚约束 重复约束 排除 38 二 运动副及其分类 回转副 回转副简图 1 低副 面接触 39 移动副 移动副简图 40 2 高副 点 线接触 三 平面机构运动简图 41 活塞泵机构 机构简图 例题1 1 绘制如图所示活塞泵机构的机构简图 已知活塞泵由曲柄1 连杆2 齿扇3 齿条活塞4和机架5共五个构件组成 42 常用机构代表符号 43 四 平面机构的自由度 1 机构自由度计算公式 2 机构具有确定运动的条件 44 3 计算自由度的注意事项 1 复合铰链 2 局部自由度 3 虚约束 导路重合的虚约束 1 复合铰链 K个构件构成 K 1 个回转副 2 局部自由度 与输出构件运动无