机械原理 平面机构的结构分析

第一章 平面机构的结构分析Chapter 1 Structure Analysisi of Planar Mechanism,了解机构的组成，运动副、运动链、约束和自由度等基本概念；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。重点：运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、机构具有确定运动的条件及机构自由度的计算。难点：机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理,主要内容,1-1 研究平面机构结构目的1-2 运动副、运动链和机构1-3 平面机构运动简图1-4 平面机构的自由度1-5 平面机构的组成原理和结构分析,1-1 研究平面机构结构目的,探讨机构运动的可能性和具有确定运动的条件研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类合理设计机构和创造新机构，了解构建机构的规律正确绘制机构运动简图和机构示意图,1-2 运动副、运动链和机构,机构是传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的机械装置。机构的组成要素为构件和运动副1、构件machine member2、运动副 kinematic pair3、运动链 kinematic chain4、机构 mechanism （区分运动链和机构）,构件,从制造加工角度：机械由零件组成零件(component)独立制造单元体 从运动和功能实现角度：构件独立运动的单元体,内燃机连杆,内燃机连杆,在机构中，每个构件都是以一定的方式与其它构件相互联接 。,运动副,运动副：(两构件直接接触并) 能产生相对运动的联接(joint)。 运动副元素: (两个构件直接接触构成运动副的)几何元素（点、线、面）。,构件间可以通过点、线、面接触构成运动副。运动副元素的几何形状决定了两构件的相对运动形式。,根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类：,凡是以面接触的运动副称为低副(low pair)，而以点或线相接触的运动副称为高副(high pair),根据构成运动副的两构件的运动情况进行分类：,平面运动副(planar pair)，空间运动副(spatial pair),螺旋副 screw pair orhelical pair,球面副 spherical pair,自由度(Degree of Freedom or d.o.f.),可能出现的独立运动的数目称为自由度。一个自由构件作平面运动时有三个独立运动的可能性。平面运动构件有三个自由度。空间运动构件有六个自由度？,运动副的约束(constraint),两构件间的运动副所起的作用是限制构件间的相对运动，这种限制作用称为约束。平面低副的约束数为2，自由度为1。,转动副 revolute pair,移动副 prismatic pair,运动副的约束(constraint),平面高副的约束数为，自由度为2。,运动链(Kinematic Chain):若干个构件通过运动副联结组成的构件系统称为运动链。, 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。,作者：潘存云教授,运动链,平面运动链(Planar kinematic chain): 各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链(Spatial kinematic chain): 各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。,空间运动链,机构,在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件, 并给定另外一个或少数几个构件的运动规律，则运动链便成为机构有确定运动的运动链机构的组成：机构机架原动件从动件,按给定运动规律运动的构件,机构中固定不动构件,其余可动的构件,1-3 平面机构运动简图kinematic sketch of planar mechanism,1）影响机械运动的因素： 原动件的运动规律； 运动副类型； 构件的尺寸。2）不影响机构运动的因素：构件的外形尺寸；断面形状； 运动副的具体构造。机构运动简图：表明机构结构和运动特征的简单图形,平面机构运动简图,用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的运动关系。这样绘制出的简明图形就称为机构运动简图。为了表示机构的结构情况，不严格按比例绘制的机构简图，称为机构示意图。,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，绘制示意图。 3）按比例绘制运动简图。比例尺:l =实际尺寸 m / 图上长度mm 4) 检验机构是否满足运动确定的条件。,构件的表示方法：,轴、杆,固定件,机架 :,低副,高副,3 机构运动简图中常用的规定符号（GB446084）,例题一：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。,机构的运动简图,例题二：绘制图示偏心泵传动机构的运动简图,机构的运动简图,作者：潘存云教授,偏心泵,分析: 原动件,绕固定中心A转动的菱形盘1,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。,机构的运动简图,例题三：绘制图示冲床传动机构的运动简图,例3:绘制机构运动简图,插齿机, 1-4 平面机构的自由度,1.4.1 平面机构自由度计算一个平面机构有K个构件，活动件个数 n=K-1；这些活动构件在未组成运动副前总共有3 n个自由度，组成运动副后，自由度将减少。若机构中有PL个低副和PH个高副，则机构的自由度F为:F= 3n - 2PL- PH,计算油泵机构机构的自由度,解：n=3,L =4,H =0LH34 01,1.4.2 平面机构具有确定运动的条件,问题：运动链中，选定机架、原动件即构成机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？,F 小于等于零;F 大于零若独立运动数大于自由度F 大于零若独立运动数小于自由度F 大于零若独立运动数等于自由度,结论,机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于0,且原动件数d等于机构的自由度数目。,给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。,给定两个独立运动参数：机构有确定运动。,机构的自由度与确定运动条件,1.4.2 机构自由度计算应注意问题,1、复合铰链2、局部自由度3、虚约束,1、复合铰链,由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。,由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含（m-1）个转动副。,例：计算直线机构的自由度,解：LH710 1,2、局部自由度,对整个机构（或其他构件）运动无关的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。,?,3、虚约束,在机构中不起独立限制作用的（或着说这些约束所起的限制作用是重复的）约束称为虚约束。,轨迹重合:如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。,常见的虚约束(1),常见的虚约束(2),移动副导路平行: 当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束，,转动副轴线重合:当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转副都是虚约束。,常见的虚约束(3),？,常见的虚约束(4),机构存在对运动起重复约束作用的部分,如果两构件在多处接触而构成平面高副，且在接触点处的公法线彼此重合,则只能算一个平面高副。,例：计算内燃机机构的自由度,解： n=5,L =6,H =2LH56 21,例：计算大筛机构的自由度,解:LH79 12,存在于转动副处计算：铰链处m个构件,有(m-1)个转动副。,复合铰链,局部自由度,为减小高副磨损，将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。计算：将局部自由度减去。,虚约束,存在于特定的几何条件下。计算：不计算引起虚约束的构件和运动副。,小结,例题1：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。,分析：复合铰链：D处2个转动副(杆4和7)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。 计算前可直接去除虚约束和局部自由度： n=6 p5=7 p4=3 F=3n-2p5-p4=1,计算自由度典型例题分析,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,例题2：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。,复合铰链,局部自由度,1个虚约束,复合铰链,计算自由度典型例题分析,机构的自由度与确定运动条件,例题3 计算图示机构的自由度,计算机构自由度典型例题分析,计算图示机构自由度。分析：该机构具有5个活动构件，有7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为,机构的自由度与确定运动条件,F=3n-2 p5 p4=35 - 27-0=1,1-5 平面机构组成原理和结构分析1.5.1平面机构的高副低代,1) 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。2) 高副低代的含义：根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。3) 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。,高副低代方法,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,平面机构的组成原理和结构分析,高副两元素之一为直线,高副两元素之一为一点,因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。,因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移副；,平面机构的组成原理和结构分析,高副两元素之一为直线,因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移副；,1.5.2平面机构的组成原理,（1）杆组：机构中最后不能再拆分的自由度为零的构件组称为机构的杆组。,机架和原动件与从动件组分开，运动副仍保留在杆组： 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,（2）平面机构的组成原理,任何平面机构都可看作是若干个杆组依次连接到原动件和机架或相互连接而成，即自由度为F的机构= F个主动杆+1个自由度为0的机架+若干个自由度为0的基本杆组,（3）杆组分类,对于全低副的杆组：n个构件、pl 个低副，有F3n2Pl0, 杆组级别由杆组中包含的最高级别封闭多边形来确定(i)n=2, pl=3：称为级杆组 常见级杆组的形式有,（ii）n=4, p5=6的多杆组，又叫 级杆组。 特征为杆组中具有一个三副构件。 常见的三种形式为：,(3)机构分类,机构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。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、转子机构）II级机构 -机构中基本杆组的最高级别为II级的机构III级机构-机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构,1.5.3平面机构的结构分析,结构分析目的 ：了解机构的组成，确定机构的级别。结构分析的过程：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。杆组拆分原则：从离原动件最远的构件开始，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。,例题：计算图示机构的自由度，并进行机构的结构分析.,二级机构,机构结构分析步骤,1、除去虚约束和局部自由度，正确计算机构的自由度；2、指定机构的主动件3、全部平面高副替换为低副4、根据机构拆分原则进行拆分5、确定机构的级别。6、对于带有气、液缸的平面机构，可先拆杆数较少的带缸或不带缸的杆组，带缸杆组自由度为缸数，而不带缸杆组自由度为0,典型例题：计算图示机构