西北工大版机械原理第章机构的结构分析ppt课件.ppt

第二章机构的结构分析 1了解机构结构分析的内容及目的2机构的组成3掌握机构运动简图4机构具有确定运动的条件5掌握平面机构自由度的计算6自由度计算中的特殊问题7机构的组成原理及其结构分类 2 1机构结构分析的内容及目的 1 研究机构的组成及其具有确定运动的条件目的是 2 按结构特点对机构进行分类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 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 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 4 研究机构的组成原理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 机构有简有繁 构件有多有少 而运动确定是它们的共同特征 名词术语解释 1 构件 Link 每一个独立的运动单元 内燃机中的连杆 2 2机构的组成 内燃机连杆 零件 part 独立的制造单元 作者 潘存云教授 2 运动副 a 两个构件 b 直接接触 c 有相对运动 运动副元素 直接接触的部分 点 线 面 例如 凸轮 齿轮齿廓 活塞与缸套等 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 三个条件 缺一不可 作者 潘存云教授 运动副的分类 1 按引入的约束数分有 III级副 I级副 II级副 III级副 IV级副 V级副 2 按相对运动范围分有 平面运动副 平面运动 Plannarkinematicpair 平面机构 全部由平面运动副组成的机构 IV级副 例如 球铰链 拉杆天线 螺旋 生物关节 空间运动副 空间运动 Spatialkinematicpair V级副1 V级副2 V级副3 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 highpair 点 线接触 应力高 低副 lowerpair 面接触 应力低 例如 滚动副 凸轮副 齿轮副等 例如 转动副 回转副 移动副 常见运动副符号的表示 国标GB4460 84 详见教材P7页 常见运动副符号的表示 国标GB4460 84 详见教材P7页 常用运动副的符号 运动副名称 运动副符号 两运动构件构成的运动副 转动副 移动副 两构件之一为固定时的运动副 平面运动副 平面高副 螺旋副 空间运动副 构件的表示方法 一般构件的表示方法 杆 轴构件 固定构件 同一构件 三副构件 两副构件 一般构件的表示方法 运动链 两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统 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 闭式链 Closechain 3 运动链 Kinematicchain 作者 潘存云教授 开式链 Openchain 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 机构的组成 机构 机架 原动件 从动件 机构是由若干构件经运动副联接而成的 很显然 机构归属于运动链 那么 运动链在什么条件下就能称为机构呢 即各部分运动确定 分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论 在运动链中 如果以某一个构件作为参考坐标系 当其中另一个 或少数几个 构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时 其余所有的构件都能得到确定的运动 那么 该运动链便成为机构 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 2 3平面机构运动简图 机构运动简图 按一定的比例尺 l 实际尺寸m 图上长度mm 用以说明机构中各构件之间的相对运动情况的简化图形 作用 1 表示机构的结构和运动情况 机构示意图 不按比例绘制的简图现摘录了部分GB4460 84机构运动简图如下表 2 作为运动分析和动力分析的依据 机构各部分运动由什么决定 原动件 运动副 运动尺寸 常用机构运动简图符号 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运动尺寸成比例 绘制机构运动简图 方法 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 4 画出原动件的运动方向 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 图上长度 m mm 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 5 检验机构是否满足运动确定的条件 颚式破碎机 举例 绘制破碎机机构运动简图 绘制内燃机机构运动简图 绘制小型压力机机构运动简图 2 4机构具有确定运动的条件 给定S3 S3 t 一个独立参数 1 1 t 唯一确定 该机构仅需要一个独立参数 若仅给定 1 1 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 1 四杆机构 2 滑块机构 3 五杆机构 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 Freedom 原动件 能独立运动的构件 三 机构具有确定运动的条件 由前述可知 从动件是不能独立运动的 只有原动件才能独立运动 通常原动件是与机架用低副相联的 所以每个原动件只能给定一个独立运动 如电动机具有一个独立的转动 内燃机活塞具有一个独立的移动 机构具有确定相对运动的条件为 机构的自由度数目应等于机构的原动件数 即F 给定的原动件数 且F 0 讨论 1 如F 原动件数 2 如F 原动件数 机构的运动不确定 导致机构卡死或产生破坏 2 5平面机构自由度的计算 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 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 由于有约束 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 3 n 2 PL 1 Ph 例题 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 3 3 2 4 1 高副数PH 0 推广到一般 例题 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 3 4 2 5 2 高副数PH 0 例题 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 3 2 2 2 1 1 高副数PH 1 例 计算图中机构的自由度 解 n 5 PL 7 PH 0 F 3n 2PL PH 3 5 2 7 0 1 计算破碎机机构自由度 1 2 3 4 5 n 5 PL 7 PH 0 F 3n 2PL PH 1 计算内燃机机构自由度 1 2 3 4 56 n 6 PL 7 PH 3 F 3n 2PL PH 3x6 2x7 3 1 2 空间机构自由度的计算 公式 F 6n 5P5 4P4 3P3 2P2 P1 6n 例如计算缝纫机踏板空间机构自由度 F 6n 5P5 4P4 3P3 2P2 P1 6 3 5 2 4 1 3 1 1 N 3 p5 2 p4 1 p3 1 1 没有公共约束 则公式 F 6 m n 按m值不同公共约束可能有0 1 2 3 4 机构分为0族 1族 2族 3族 4族 2 有m个公共约束 对于平面机构而然 各构件都被限制在平面内运动 都有三个相同约束 把这种相同约束叫公共约束 设有m个 0族 m 0 F 6n 5P5 4P4 3P3 2P2 1P1 1族 m 1 F 5n 4P5 3P4 2P3 1P2 2族 m 2 F 4n 3P5 2P4 1P3 3族 m 3 F 3n 2P5 1P4 4族 m 4 F 2n 1P5 例如四杆机构自由度 F 6 m n 5 m P5 2n P5 2 2 3 1 m 4 p5 3 例如斜楔滑块机构自由度 2 6 平面机构自由度计算时注意事项 例题 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 3 7 2 6 0 9 计算结果肯定不对 构件数不会错 肯定是低副数目搞错了 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m 1转动副 两个低副 上例 在B C D E四处应各有2个运动副 例题 重新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 3 7 2 10 0 1 可以证明 F点的轨迹为一直线 圆盘锯机构 计算图示两种凸轮机构的自由度 解 n 3 PL 3 F 3n 2PL PH 3 3 2 3 1 2 PH 1 对于右边的机构 有 F 3 2 2 2 1 1 事实上 两个机构的运动相同 且F 1 2 局部自由度 不影响其它构件的运动 F 3n 2PL PH F 3 3 2 3 1 1 1 本例中局部自由度FP 1 或计算时去掉滚子和铰链 F 3 2 2 2 1 1 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F 滚子的作用 滑动摩擦 滚动摩擦 解 n 4 PL 6 F 3n 2PL PH 3 4 2 6 0 PH 0 3 虚约束 formalconstraint 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 FE AB 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 重新计算 n 3 PL 4 PH 0 F 3n 2PL PH 3 3 2 4 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 解 n 4 PL 6 F 3n 2PL PH 3 4 2 6 0 PH 0 虚约束 formalconstraint 对机构的运动实际不起作用的约束 设个数为P 计算自由度时应去掉虚约束 公式 F 3n 2PL PH P F 3n 2PL PH 1 3 4 2 6 1 1 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 3 两构件构成多个转动副 且同轴 4 对运动不起作用的对称部分 如多个行星轮 作者 潘存云教授 5 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 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 自由度计算总公式 F 3n 2PL PH P F 局部自由度 虚约束 解 例 求图示机构的自由度 作者 潘存云教授 作者 潘存云教授 计算图示包装机送纸机构的自由度 分析 活动构件数n 9 复合铰链 局部自由度 1个 虚约束 1处2处 去掉局部自由度和虚约束后 n 6 PL 7 F 3n 2PL PH 3 6 2 7 3 1 PH 3 求下列机构的自由度 1 2 3 4 5 n 5 PL 7 F 3n 2PL 3x5 2x7 1 1 2 3 4 5 6 n 6 PL 7 PH 3 F 3n 2PL Ph 3x6 2x7 3 1 2 7机构的组成原理及其结构分类 一 机构的组成原理 a 原动件作移动 如直线电机 流体压力作动筒 b 原动件作转动 如电动机 1 基本机构由一个原动件和一个机架组成的双杆机构 2 基本杆组 定义 最简单的F 0的构件组 称为基本杆组 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F 1 剩下的构件组必有F 0 将构件组继续拆分成更简单F 0的构件组 直到不能再拆为止 推论 任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上 依次添加若干个杆组所形成的 机构的组成原理 机构 基本机构 杆组 原动件 基本杆组 结论 该机构包含一个基本机构和两个基本杆组 换句话说 将两个基本杆组添加到基本机构上 构成了该八杆机构 设基本杆组中有n个构件 则由条件F 0有 F 3n 2PL Ph 0 PL为整数 n只能取偶数 n 24n 4已无实例了 PL 36 n 2的杆组称为 级组 应用最广而又最简单的基本杆组 共有5种类型 二 结构分类 得PL 3n 2 低副机构中Ph 0 n 4 PL 6 的杆组有以下三种类型 以上三种形式称为 级组 结构特点 其中一个构件有三个运动副 典型 级组 机构命名方式 按所含最高杆组级别命名 如 级机构 最高为 级杆组 级机构 最高为 级杆组 等 只含原动件和机架的叫I级机构 必须强调指出 1 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 如 2 机构的级别与原动件的选择有关 举例 将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组 平面机构中的高副低代 将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替 进行高副低代的条件 1 代替前后机构的自由度完全相同 2 代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同 方法 1 用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可 K1 K2 K1 K2 方法 1 用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可 2 如高副元素之一为直线 因其曲率中心在无穷远 低代时这一端转动副转化为移动副 本章重点 机构运动简图的测绘方法 自由度的计算 机构的组成原理 一 填空 1 组成机构的要素是和 构件是机构中的单元体 2 机器是由 和所组成的 3 机器和机构的主要区别在于 4 从机构结构观点来看 任何机构是由三部分组成 5 运动副元素是指 6 构件的自由度是指 机构的自由度指 7 两构件之间以线接触所组成的平面运动副 称为副 它产生个约束 而保留了个自由度 8 机构具有确定