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汽车机械基础 机电工程系 汽车机构分析 第11章机构的组成及汽车常用机构 研究内容 1 研究机构的组成及其具有确定运动的条件 2 根据结构特点进行机构的结构分类 3 研究机构的组成原理 研究目的 在机构设计中 需要知道机构是怎样组合起来的 而且在什么条件下才能实现确定的运动 对机构组成原理的研究还可以为新机构的创造提供途径 通过对机构的结构分析与分类 可以为举一反三地研究机构的运动分析和动力分析提供方便 第一节机构的组成与运动简图 一 机构的组成机构是由各个具有确定相对运动的运动单元组成 1 构件构件 link 机器中每一个独立的运动单元体 2 运动副由两个构件组成的可动的联接称为运动副 kinematicspair 例如轴与轴衬的配合 滑块与导轨的接触 一 机构的组成 两齿轮轮齿的啮合 球面与平面的接触 圆柱与平面的接触 齿轮副 平面机构构件在同一平面或在相互平行的平面内运动的机构 常用的机构大多数为平面机构 空间机构至少有两个构件能在三维空间中相对运动 空间任意两个构件1与2 当它们尚未构起运动副之前 构件1相对于构件2共有6个相对运动的自由度 当两构件以某种方式相联接而构成运动副 则两者间的相对运动便受到一定的约束 其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目 两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1 而最多为5 二 自由度 约束与运动副 自由度 约束 对独立运动的限制 构件含有独立运动的数目 运动副的分类 1 按两构件的接触情况进行分 点或线接触而构成的运动副统称为高副 面接触而构成的运动副则称为低副 2 按两构件之间的相对运动的不同分 转动副或回转副 移动副 螺旋副 球面副 平面运动副 空间运动副 运动副的符号 转动副 移动副 凸轮副 齿轮副 运动副的符号 三 机构运动简图 用简单的线条和规定的符号表示组成机构的构件和运动副 并按一定的比例尺表示运动副的相对位置的简单图形称为机构运动简图 绘制步骤如下 1 分析机构的运动情况 定出其原动部分 工作部分 搞清楚传动部分 2 合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置 3 选择适当的比例尺 scale 4 用简单的线条和规定的符号绘图 5 检验 颚式碎石机 a b 四 机构具有确定运动的条件 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 机构具有确定运动的条件 机构的自由度必须大于或等于l 且机构原动件的数目应等于机构的自由度的数目 如图 只有在给构件4确定运动规律后 此时系统才成为机构 平面机构自由度 平面机构自由度计算公式 原动件数 F 机构破坏 原动件数 机构自由度 铰链五杆机构 原动件数 机构自由度数 机构运动不确定 任意乱动 构件间没有相对运动机构 刚性桁架 多一个约束 超静定桁架 四 机构具有确定运动的条件 F 0 构件间无相对运动 不成为机构 F 0 原动件数 F 运动确定 原动件数 F 运动不确定 原动件数 F 机构破坏 四 机构具有确定运动的条件 1 复合铰链 两个以上的构件同在一处以转动副相联接 若有m个构件以复合铰链 joint 相联接时 其构成的转动副数应等于 m 1 个 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 2 局部自由度在有些机构中 某些构件所产生的局部运动 并不影响其他构件的运动 我们把这种局部运动的自由度称为局部自由度 如图所示 在计算机构的自由度时 应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去 凸轮机构三维实体图 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 对于图示凸轮机构自由度为F 3 3 2 4 0 1F 3 2 2 2 1 1 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 3 虚约束在机构中 有些运动副带入的约束 对机构的运动实际上不起约束作用 我们把这类约束称为虚约束 在计算机构的自由度时应将这类虚约束除去 机构中的虚约束常发生在下列情况 1 在机构中如果两构件用转动副联接其联接点的运动轨迹重合 则该联接将带入1个虚约束 F 3 n 2Pl Ph 3 4 2 6 0错F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 4 1对 多余约束 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 2 如果两构件在多处接触而构成移动副 且移动方向彼此平行 如图2 14所示 则只能算一个移动副 图2 14 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 如果两构件在多处相配合而构成转动副 且转动轴线重合 如2 15所示 则只能算一个转动副 转动轴线重合 图2 15 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 如果两构件在多处相接触而构成平面高副 且各接触点处的公法线彼此重合 如图2 16所示 则只能算一个平面高副 机构对称 图2 16 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 3 在机构运动的过程中 若两构件上某两点之间的距离始终保持不变 则如用双转动副杆将此两点相联 也将带入1个虚约束 图2 17所示 F 3 n 2Pl Ph 3 4 2 6 0错F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 4 1对 图2 17 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 4 在机构中 某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束亦为虚约束 轨迹重合 F 3 n 2Pl Ph 3 5 2 5 6 1错F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 3 2 2对 图2 18 五 计算平面机构自由度时应注意的事项 第二节平面连杆机构 一 平面连杆机构 用低副连接而成的平面机构 平面连杆机构的特点 1 能实现多种运动形式 如 转动 摆动 移动 平面运动 2 运动副为低副 面接触 承载能力大 便于润滑 寿命长 几何形状简单 便于加工 成本低 运动规律丰富 可以满足不同轨迹的要求 平面连杆机构的特点 3 缺点 1 有较长的运动链 使连杆机构产生较大的积累误差 降低机械效率 2 连杆及滑块的质心都在作变速运动 它们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除 增加机构的动载荷 所以连杆机构一般不宜用于高速传动 3 只能近似实现给定的运动规律 4 设计复杂 一 平面连杆机构 连杆机构在实际中用处较多 如图a中的机械手驱动机构 图b中的溜冰鞋刹车机构和图c中的夹子驱动机构 a b c 所有运动副均为转动副的平面四杆机构 二 平面四杆机构的基本型式 一 铰链四杆机构 4 机架 1 3 连架杆 定轴转动 2 连杆 平面运动 整转副 二构件相对运动为整周转动 摆动副 二构件相对运动不为整周转动 一 铰链四杆机构 铰链四杆机构的基本形式 1 曲柄摇杆机构2 双曲柄机构3 双摇杆机构 曲柄 作整周转动的连架杆 摇杆 非整周转动的连架杆 一 铰链四杆机构 1 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中 若两个这架秆中一个为曲柄 另一个为摇杆 则此四杆机构称为曲柄摇杆机构 当曲柄为原动件 摇杆为从动件时 可将曲柄的连续转动转变成摇杆的往复摆动 2 双曲柄机构 在铰链四杆机构中 若两个这架杆都是曲柄 则称为双曲柄机构 在双曲柄机构中 若其相对两杆平行且相等 则成为平行四边形机构 铰链四杆机构中两连架杆都是摇杆 则称为双摇杆机构 double rockermechanism 3 双摇杆机构 二 铰链四杆机构的演化 1 曲柄滑块机构 偏距ee 0 偏置曲柄滑块机构e 0 对心曲柄滑块机构 构件3为机架 移动导杆 曲柄滑块机构 构件4为机架 曲柄滑块 构件1为机架 转动导杆 构件2为机架 曲柄摇块 1 曲柄滑块机构 四 铰链四杆机构的基本性质 1 平面四杆机构有曲柄的条件 若1和4能绕A整周相对转动 则存在两个特殊位置a d b c 1 b c d a即a b c d 2 c b d a即a c b d 3 a d b c 1 b c d a即a b c d 2 c b d a即a c b d 3 1 2 得2a b d 2c b d即a c 1 3 得a b 2 3 得a d 由此可见 两构件作整周相对转动的条件 整转副存在的条件 1 此两构件中必有一构件为运动链中的最短构件 2 最短构件与最长构件的长度之和小于等于其它两构件长度之和 杆长之和的条件 1 平面四杆机构有曲柄的条件 铰链四杆机构分为两大类 1 最短构件与最长构件的长度之和大于其他两构件长度之和 所有运动副均为摆动副 均为双摇杆机构 2 最短构件与最长构件的长度之和小于等于其他两构件长度之和 最短构件上两个转动副均为整转副 取最短构件为机架 双曲柄机构 取最短构件任一相邻构件为机架 曲柄摇杆机构 取最短构件对面的构件为机架 双摇杆机构 曲柄滑块机构有曲柄的条件 AC1E b a e AC2E a b e 即有曲柄的条件 b a ee 0 b a 原动件作匀速转动 从动件作往复运动的机构 从动件正行程和反行程的平均速度不相等 二 行程速度变化系数 1 机构的急回运动特性 2 行程