机构的结构分析.ppt

本章教学目的 了解机构的组成 搞清运动副 运动链 自由度等概念 能绘制常用机构的机构运动简图 能计算平面机构的自由度 了解平面机构组成的基本原理 掌握平面机构结构分析的方法 第一章平面机构的结构分析 第一章平面机构的结构分析 本章教学内容 1 1平面机构的组成1 2平面机构的运动简图1 3平面机构自由度1 4机构的组成原理及结构分析1 5平面机构中的高副低代 1 构件 Link 机械的独立运动单元 传递运动和力的载体 实例 内燃机中的缸体 活塞 连杆 曲轴等 1 2平面机构的组成 内燃机连杆 构件可以是一个零件 也可以由几个零件刚性连接组成 实例 连杆由连杆体 轴瓦 连杆盖 螺栓 垫圈 螺母 连杆衬套等相互刚性连接组成 零件 Part 是机械的制造单元 2 运动副两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互直接接触所形成的可动连接 运动副元素 两个构件上相互接触的表面 运动副元素不外乎为点 线 面 1 构件的自由度 指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动 一个自由构件在空间具有6个自由度 2 约束 指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目 运动副引入的约束数 最多为5个 构件自由度与约束 一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度为sx sy sz x y z 即自由度数F 6 平面运动刚体的自由度为sx sy z 即自由度数F 3 刚体的自由度 观察图示两构件组成的圆柱副 两构件保留的相对运动sz和 z 即自由度数F 2 两构件之间受限制的相对运动sx sy x和 y 即约束数s 4 运动副的分类 按运动副引入的约束数分类I级副 II级副 III级副 IV级副 V级副 按运动副的接触形式分类点 线接触的运动副 高副面与面接触的运动副 低副 按两构件相对运动的形式分类平面运动副空间运动副 按接触部分的几何形状分类圆柱副 球面副 螺旋副 球面 平面副 平面 平面副 球面 圆柱副 圆柱 平面副等等 运动副举例 球面 平面副Sphere planepair空间I级高副 圆柱 平面副Cylinder planepair空间II级高副 球面副Sphericalpair空间III级低副 球销副Sphere pinpair空间IV级低副 圆柱副Cylindricpair空间IV级低副 螺旋副Helicalpair空间V级低副 转动副Revolutepair平面V级低副 轴承Bearing 铰链Hingedjoint 移动副Prismaticpair Slidingpair平面V级低副 运动副的封闭保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭 几何封闭 Geometricclosure 力封闭 Forcedclosure 弹簧力封闭 重力封闭 3 运动链 运动链 指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运动的系统 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 平面运动链 各构件间的相对运动为平面运动的运动链 空间运动链 各构件间的相对运动为空间运动的运动链 空间运动链 4 机构 机构 机构 机架 原动件 从动件系统 4 机构 机构 在运动链中将一构件加以固定 而其余构件都具有确定的运动 则运动链便成为机构 机架 机构中固定不动构件 平面机构 机构中各构件间的相对运动为平面运动 空间机构 机构中各构件间的相对运动为空间运动 机架 原动件 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 平面机构是应用最广泛的机构 平面运动副的约束数为1 s 2 点 线接触的平面运动副 平面高副 面接触的平面运动副 平面低副转动副移动副 滚动副凸轮副齿轮副 1 2机构运动简图 机构运动简图 机构运动简图 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 为什么要画机构运动简图 机构的运动 与原动件运动规律 运动副类型 机构运动尺寸有关 机构示意图 机构的示意图 指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 常用运动副和构件的表示方法 机构运动简图应满足的条件 构件数目与实际机构相同 运动副的性质 数目与实际机构相符 运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例 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 画构件时应撇开构件的实际外形 而只考虑运动副的性质 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 2 确定运动副类型和数目 3 选定比例尺 用线条和规定符号作图 例绘制转动翼板式水泵机构运动简图 绘制旋转泵机构运动简图 绘制图示机构的机构运动简图 画机构运动简图的方法 1 确定构件数目 辨清主 从动件 机架 原动件 从动件 例2 作图步骤 1 分析结构和相对运动2 选择视图平面和比例尺3 选择原动件的一个位置4 按表达方式作图 例1 1 2 3 4 A B C 14 12 23 A14 B12 C234 3 2 4 1 4 例题3 例题4 内燃机 例题5 绘制图示颚式破碎机的机构运动简图 分析 该机构有6个构件和7个转动副 6 A B C E F D G 例题5 破碎机 平面机构运动简图绘制举例 偏心泵 例题 例题7 图示为一冲床 绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件 与滑块2在B点铰接 滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动 拨叉3与圆盘4为同一构件 当圆盘4转动时 通过连杆5使冲头6实现冲压运动 试绘制其机构运动简图 画机构运动简图的方法 分析 绘制简图 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 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 选择适当的比例尺 定出各运动副之间的相对位置 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 从原动件开始 按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号 在原动件上标出箭头以表示其运动的方向 小结 实例分析 1 3平面机构自由度 四杆机构 给定一个独立运动参数 其余构件有确定运动 机构中给定独立运动参数的构件为原动件 问题 取运动链中某个构件为机架 其余构件在什么条件下才具有确定运动 五杆机构 一机构具有确定运动的条件 给定一个独立运动参数 机构没有确定运动 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度 给定两个独立运动参数 机构有确定运动 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 结论 二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 自由度F 0原动件数目 机构自由度数目 n 6 Pl 8 Ph 1 3与5同一构件 F 3n 2Pl Ph 3 6 2 8 1 1 原动件 机构有确定运动 例 机构具有确定运动的条件 F 0不动 多于不确定 少于破坏 3 内燃机及其机构运动简图 F 3n 2pl ph 3 6 2 7 3 1 直线机构 计算错误的原因 三计算机构自由度时应注意的问题 举例直线机构自由度计算 解n 7 pL 6 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9错误的结果 两个转动副 复合铰链定义 两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副 k个构件组成的复合铰链 有 k 1 个转动副 正确计算B C D E处为复合铰链 转动副数均为2 n 7 pL 10 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 10 1 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 实例分析2 计算图示凸轮机构自由度 解 F 3n 2pl ph 3 3 2 3 1 2 F 3n 2pl ph F 3 3 2 3 1 1 1 方法二 假想构件2和3焊成一体 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 局部自由度 计算机构自由度应注意的事项 续 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动 把这种局部运动的自由度称为局部自由度 数目用F 表示 注意 计算机构自由度时 应将局部自由度除去不计 方法一 指机构在某些特定几何条件或结构条件下 有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束 用P 表示 计算机构自由度应注意的事项 续 虚约束 注意 在计算自由度时 应将虚约束除去不计 将因虚约束而减少的自由度再加上 即 F 3n 2pl ph P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数 F 3n 2pl ph 去除虚约束的方法 虚约束定义 机构中不起独立限制作用的重复约束 计算具有虚约束的机构的自由度时 应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去 虚约束发生的场合 两构件间构成多个运动副 若两构件在多处相接触构成平面高副 且各接触点处的公法线重合 则只能算一个平面高副 若公法线方向不重合 将提供各2个约束 此两种情况没有虚约束 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 附加的构件5和其两端的转动副E F提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一个约束 但这个约束对机构的运动不起实际约束作用 为虚约束 去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 附加的构件4和其两端的转动副E F以及附加的构件1和其两端的转动副A B提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一个约束 但这个约束对机构的运动不起实际约束作用 为虚约束 去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 平行四边形机构 椭圆仪机构 构件2和4在E点轨迹重合 构件1和2在B点轨迹重合 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 对称布置的两个行星轮2 和2 以及相应的两个转动副D C和4个平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束 未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1 周转轮系 去掉虚约束后 F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 1 虚约束的作用 改善构件的受力情况 分担载荷或平衡惯性力 如多个行星轮 增加结构刚度 如轴与轴承 机床导轨 提高运动可靠性和工作的稳定性 如机车车轮联动机构 注意 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 则虚约束将变成实际有效的约束 从而使机构不能运动 小结 计算机构自由度应注意的事项 续 存在于转动副处正确处理方法 复合铰链处有m个构件则有 m 1 个转动副 复合铰链 局部自由度 常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处 正确处理方法 计算自由度时将局部自由度减去 虚约束 存在于特定的几何条件或结构条件下 正确处理方法 将引起虚约束的构件和运动副除去不计 典型例题一 计算图示某包装机送纸机构的自由度 并判断该机构是否有确定运动 解法2 复合铰链 D包含2个转动副局部自由度 F 2虚约束 杆8及转动副F I引入1个虚约束 计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度 动画演示 解法1 计算机构自由度典型例题分析 n 6pl 7ph 3F 3n 2pl ph 1 典型例题二 计算图示机构的自由度 如有复合铰链 局部自由度和虚约束 需明确指出 画箭头的构件为原动件 解 分析 计算机构自由度典型例题分析 典型例题二 续 计算机构自由度典型例题分析 一 机构的组成原理 机构具有确定运动的条件 自由度数 原动件数 基本杆组 把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组 1 4平面机构的组成原理及结构分析 1 杆组 机架和原动件与从动件组分开 从动构件组自由度为零 可以再拆成更简单的自由度为零的杆组 基本杆组应满足的条件F 3n 2pL 0即n 2 3 pL 基本杆组的构件数n 2 4 6 基本杆组的运动副数pL 3 6 9 根据n的取值基本杆组分为以下几种情况 n 2 pL 3的双杆组 II级组 内接运动副 外接运动副 R R R组 R R P组 R P R组 P R P组 R P P组 n 4 pL 6的多杆组III级组 结构特点有一个三副构件 而每个内副所联接的分支构件是两副构件 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上 就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构 2 机构的组成原理 动画演示 机构组成过程 机构创新设计应遵循的原则利用机构组成原理进行机构创新时 在满足相同工作要求的条件下 机构的结构越简单 杆组的级别越低 构件数和运动副数越少越好 机构结构组成举例 注意杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上 在进行新机械方案设计时 可以按设计要求由杆组组成机构 进行创新设计 二 平面机构的结构分类 II级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构 III级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构 级机构只由机架和原动件组成的机构称为 级的机构 杠杆机构 斜面机构 机构结构分类的依据 根据机构中基本杆组的级别进行分类 结构分析目的 三 平面机构的结构分析 了解机构的组成 确定机构的级别 把机构分解为基本杆组 机架和原动件 结构分析的过程 拆杆组 从离原动件最远的构件开始试拆 先拆II级组 若不成 再拆III级组 每拆出一个杆组后 机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构 直到只剩原动件为止 杆组拆分原则 机构结构分析步骤 典型例题1 试确定图示机构级别 1 正确计算机构的自由度 2 根据机构拆分原则进行拆分3 最后定出机构的级别 杆组拆分示例 机构结构分析举例 机构级别III级机构 III级组 II级组 机构级别II级机构注意机构的级别与原动件的选择有关 II级组 II级组 II级组 平面机构中高副低代的目的为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构 需要进行平面机构的高副低代 高副低代的含义根据一定条件对平面高副机构中的高副虚拟地用低副来代替的方法 高副低代的条件 代替前后机构的自由度不变 代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变 1 5平面机构的高副低代 1 5