机械设计基础第三章机构运动简图及平面机构自由度

1,机械设计基础之第二部分常用传动机构设计基础（1）,2,第三章机构运动简图及平面机构自由度,3,本章主要内容：,3-1机构的组成3-2机构运动简图3-3平面机构的自由度,如何判定是机构？,机构的定义是？,机构是由构件以可动联接方式联接起来的、用来传递运动和力的构件系统。,4,一、机构的组成要素,构件,运动副,机构中的运动单元体，由一个或若干个零件组成。,机架（或固定构件）,活动构件,3-1机构的组成,5,二、运动副,两构件组成的直接接触而又能产生相对运动的活动联接称为运动副。两构件参与接触而构成运动副的部分(点、线、面)称为运动副元素。,对运动副的理解要把握以下三点：,（）运动副由两个构件组成；（）运动副是一种联接,两构件直接接触；（）组成运动副的两个构件之间有相对运动。,运动副是机械原理中最重要的概念之一,6,(1)运动副元素,运动副元素不外乎为点、线、面。,7,(2)运动副的自由度与约束,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。在平面内具有3个自由度。,2.约束：指通过运动副联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。,8,按运动副相对运动形式分：,（3）运动副类型,球面副,转动副,移动副,螺旋副,9,按运动副接触形式分：,低副:两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副;高副:凡两构件系通过点或线接触而构成的运动副统称为高副;,10,球面副,按运动副的运动空间分:平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副;空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。,螺旋副,11,三、运动链,运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。,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。,12,三、机构,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。,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。,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。,13,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。,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。,机构示意图,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,而与机构的结构尺寸和形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的因素。,3-2机构运动简图,为什么要画机构运动简图？,14,机构运动简图中常用的规定符号绘制机构运动简图的步骤和方法机构运动简图的识别,Theabilitytodrawthekinematicdiagramofmechanismsisabasictechnicalskillforengineers.,机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。,需要掌握：,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,一、机构运动简图中常用的规定符号,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）,23,二、绘制机构运动简图的步骤与方法,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，以确定构件和运动副的数目。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;还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运动副间的相对位置。如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。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。4、选择适当的比例尺,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。,24,例3-1绘制颚式破碎机的构运动简图,(1)分析机构的组成及运动情况，共四个构件：机架1、偏心轴2、动颚3和肘板4(2)确定运动副的类型及数量偏心轴与机架转动副A动颚与偏心轴转动副B肘板与动颚转动副C肘板与机架转动副D(3)选定投影面和比例尺，定出各运动副的相对位置，绘制出机构运动简图,25,26,1,2,3,4,27,28,29,30,能动吗？,3-3平面机构的自由度,31,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。,若仅给定11（t）,则234均不能唯一确定。若同时给定1和4，则32能唯一确定，该机构需要两个独立参数。,S3,1,2,3,S3,1,1,2,3,4,1,一、机构具有确定运动的条件,32,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,33,二、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。,(x,y),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，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,3n,2PL,1Ph,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=3n2PLPH=3324=1,高副数PH=,0,S3,1,2,3,推广到一般：,36,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=3n2PLPH=3425=2,高副数PH=,0,1,2,3,4,1,37,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=3n2PLPH=32221=1,高副数PH=,1,1,2,3,38,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,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=3n2PLPH,高副数PH=0,=37260,=9,计算结果肯定不对！,39,1.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m1转动副。,两个低副,三、计算平面机构自由度的注意事项,40,上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。,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=3n2PLPH=372100=1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,41,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,42,计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n2PLPH=33231=2,PH=1,对于右边的机构，有：F=32221=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,1,2,3,1,2,3,43,2.局部自由度,F=32221=1,定义：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链：,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,1,2,3,1,2,3,44,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n2PLPH=3426=0,PH=0,3.虚约束对机构的运动实际上不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。,FEABCD，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。,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,45,重新计算：n=3,PL=4,PH=0,F=3n2PLPH=3324=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,4,F,虚约束,46,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),47,(4)运动时，两构件上的两点距离始终不变。,(3)两构件构成多个转动副，且同轴。,(5)对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,48,(6)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！,A,A,n1,n1,n2,n2,n1,n1,n2,n2,49,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!,50,计算图示大筛机构的自由度。,位置C，2个低副,复合铰链:,局部自由度,1个,虚约束,E,n=,7,PL=,9,PH=,1,F=3n-2PL