01-平面机构的自由度和速度分析.doc

机械设计基础课程讲稿第1章 平面机构的自由度和速度分析教学要求1、了解课程的性质与内容，能根据实物绘制机构运动简图2、熟练掌握机构自由度计算方法。了解机构组成原理教学的重点与难点1、机构及运动副的概念、绘机构运动简图2、自由度计算，虚约束，高副低代教学内容11 运动副及其分类名词术语解释:1.构件 独立的运动单元 零件 独立的制造单元2.运动副定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动三个条件，缺一不可运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：滚子凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。运动副的分类： 1)按引入的约束数分有：I级副I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。II级副III级副 2)按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动空间运动副空间运动例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。平面机构全部由平面运动副组成的机构。空间机构至少含有一个空间运动副的机构。3)按运动副元素分有： 高副点、线接触，应力高。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。低副面接触，应力低例如：转动副（回转副）、移动副 。常见运动副符号的表示: 国标GB446084注意事项: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. 运动链 运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。闭式链、 开式链4. 机构定义：具有确定运动的运动链称为机构 。机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件按给定运动规律运动的构件。从动件其余可动构件。机构的组成：机构机架原动件从动件12 平面机构运动简图机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用： 1.表示机构的结构和运动情况。2.作为运动分析和动力分析的依据。机动示意图不按比例绘制的简图机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。绘制机构运动简图思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸 m / 图上长度mm4.检验机构是否满足运动确定的条件。举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。DCBA1432绘制图示鳄式破碎机的运动简图。13 平面机构的自由度S3123S31给定S3S3(t)，一个独立参数11（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。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：自由度原动件数一、 平面机构自由度的计算公式作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。单个自由构件的自由度为 3yx(x , y)经运动副相联后，构件自由度会有变化： 运动副 自由度数 约束数回转副 1（） + 2（x，y） = 3移动副 1（x） + 2（y，）= 3高 副 2（x,） + 1（y） = 3结论：构件自由度3约束数自由构件的自由度数约束数推广到一般： 计算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：记住上述公式，并能熟练应用。计算曲柄滑块机构的自由度。S3123解：活动构件数n=3低副数PL=4高副数PH=0F=3n2PLPH=3324 =1 二、计算平面机构自由度的注意事项1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个低副计算：m个构件, 有m1转动副。2.局部自由度定义：构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。本例中局部自由度 FP=1F=3n 2PL PH FP=33 23 1 1=1或计算时去掉滚子和铰链：F=32 22 1 =1滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦3.虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 !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。14 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用机构速度分析的图解法有：速度瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析。一、速度瞬心及其求法1)速度瞬心的定义两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动 ，该点称瞬时速度中心。相对瞬心重合点绝对速度不为零。 Vp2=Vp10 绝对瞬心重合点绝对速度为零。Vp2=Vp1=0特点： 该点涉及两个构件。 绝对速度相同，相对速度为零。 相对回转中心。2）瞬心数目若机构中有n个构件，则每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有Nn(n-1)/2构件数 4 5 6 8瞬心数 6 10 15 283）机构瞬心位置的确定1.直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。2.三心定律定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。结论： P21 、 P 31 、 P 32 位于同一条直线上。二、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度已知凸轮转速1，求推杆的速度。解：直接观察求瞬心P13、 P23 。根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置P12 。求瞬心P12的速度 。V2V P12l(P13P12)1长度P13P12直接从图上量取。2.求角速度a)铰链机构已知构件2的转速2，求构件4的角速度4 。解：瞬心数为6个直接观察能求出4个余下的2个用三心定律求出。求瞬心P24的速度 。VP24l(P24P12)2VP24l(P24P14)4 4 2 (P24P12)/ P24P14 方向: CW, 与2相同。b)高副机构已知构件2的转速2，求构件3的角速度3 。解: 用三心定律求出P23 。求瞬心P23的速度 :VP23l(P23P12)2VP23l(P23P13)3 32(P13P23/P12P23)CCW, 与2相反。3.求传动比定义：两构件角速度之比传动比。3 /2 P12P23 / P13P23推广到一般： i /j P1jPij / P1iPij结论:两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的距离之反比。角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧时，两构件转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心之