机械设计基础.第一章-平面机构PPT课件

.,1,第一章平面机构的自由度和速度分析,运动副及其分类平面机构运动简图平面机构的自由度速度瞬心及其在机构速度分析上的应用,.,2,1.1运动副及其分类,所有构件都在相互平行的平面内运动的机构。,平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构。,否则为空间机构,一、自由构件的自由度,1.自由度：,自由构件可能出现的独立运动个数。,2自由度的个数：,3个（平面机构）,.,3,运动副的定义,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）如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,.,4,运动副的分类,按运动副元素分有：高副(highpair)点、线接触，应力高。,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,.,5,运动副的分类,低副(lowerpair)面接触，应力低。,例如：转动副（铰链）、移动副,两个构件只能在平面内相对运动,两个构件只能沿某一轴线相对运动,.,6,也可将运动副分为平面运动副和空间运动副。1）平面运动副：组成运动副两构件间作相对平面运动，如:,转动副,.,7,2）空间运动副：组成运动副两构件间作相对空间运动。（不属于本章范围）如:,螺旋副,球面副,.,8,1-2平面机构运动简图,一、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化图形。,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。,.,9,二、常见平面运动副符号的表示:国标GB446084,详见教材P7页。,.,10,常用符号,凸轮机构,齿轮机构,.,11,移动副,转动副,.,12,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,.,13,平面高副,.,14,构件的表示方法1,.,15,构件的表示方法2,.,16,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。,.,17,机构中构件的分类,1、固定件：,用来支承活动构件的构件。,2、原动件：,是运动规律已知的活动构件。(输入构件),3、从动件：,随着原动件运动而运动的其余活动构件。（其中输出预期运动的构件为输出构件，其余的从动件起传递运动的作用）。,.,18,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。,.,19,机构运动简图的绘制,1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；3.测量出运动副间的相对位置,适当地选择运动简图的视图平面4.选择比例，按规定符号绘制。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。,绘制路线：原动件中间传动件输出构件观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误区：构件外形注意：要合理选择原动件的位置,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。,.,20,O2,C,O3,6,5,4,3,1,例2图示为颚式碎矿机。当曲轴2绕轴心O1连续回转，动颚板6绕轴心O3往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,2,.,21,P9,绘制图示破碎机的运动简图。,.,22,平面机构运动简图的绘制实例,机构运动简图是用规定的运动副符号及代表构件的线条来表示机构的运动特性，并根据运动学尺寸，按一定的比例画成的简单图形。,.,23,1.3平面机构的自由度,机构的各构件间应具有确定的相对运动。不能产生相对运动或作无规则乱动的一堆构件是难以传递运动。,1.平面机构自由度定义：平面机构相对于机架所具有的独立运动的个数。2.计算公式1)约束-对构件间运动的限制2)运动副与约束的关系每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度,.,24,2,1,构件1、2作平面运动,.,25,x,y,2,1,o,将构件2固定在oxy坐标系中,.,26,y,2,1,o,观察构件1的运动,x,.,27,x,y,2,1,o,在平面自由运动的构件1有三个自由度,.,28,x,y,o,2,1,构件2、1用转动副联接，其相对运动只有绕z轴的转动,.,29,x,y,o,2,1,构件2、1用转动副联接，其相对运动只有绕z轴的转动,.,30,构件2、1用转动副联接，其相对运动只有绕z轴的转动,x,y,o,2,1,构件2、1用移动副联接，其相对运动只有沿x轴的移动,.,31,构件2、1用转动副联接，其相对运动只有绕z轴的转动,x,y,o,2,1,构件2、1用移动副联接，其相对运动只有沿x轴的移动,.,32,x,y,o,2,1,构件2、1用高副联接，其相对运动有沿x轴的移动和绕z轴的转动,.,33,x,y,o,2,1,构件2、1用高副联接，其相对运动有沿x轴的移动和绕z轴的转动,.,34,x,y,o,2,1,低副,高副,因此，高副提供一个约束，低副提供两个约束,构件2、1用高副联接，其相对运动有沿x轴的移动和绕z轴的转动,.,35,平面自由度计算公式,设机构的构件数为K，除去机架外，其活动构件数为n=K-1,n个自由构件的自由度为3n。设有PL个低副，PH个高副，则它们提供的约束为2PL+PH机构自由度为：,F=3n-2PL-PH,.,36,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=33-24=1,高副数PH=,0,.,37,例题计算图中所示结构的自由度,解：活动构件数n=,低副数PL=,高副数PH=,2,3,0,F=3n-2PL-PH=32-23=0,.,38,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=34-25=2,高副数PH=,0,.,39,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=32-22-1=1,高副数PH=,1,.,40,二、机构具有确定运动的条件,.,41,F=32-23=0,桁架结构,F=3n-（2PL+PH）,.,42,1,3,1,2,3,.,43,1,3,1,2,3,.,44,1,3,1,2,3,.,45,3,F=3n-（2PL+PH）,F=33-(24+0)=1,给一个主动件，机构有确定运动。,四杆机构动画,.,46,1,1,4,2,3,4,.,47,1,1,4,2,3,4,.,48,1,1,4,2,3,4,五杆机构不确定运动,.,49,1,1,F=34-25=2,4,2,3,4,F=3n-（2PL+PH）,给两个主动件，机构有确定运动,五杆机构运动确定,.,50,F=0,F=2,F=1,.,51,F=0,F=2,F=1,机构具有确定运动的条件：1.F02.F=机构的主动件数,(F=0不动；多于不确定；少于破坏）,.,52,三、计算机构自由度的注意事项,1.复合铰链2.局部自由度3.虚约束,.,53,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,=37-26-0,=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！,.,54,1.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,.,55,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=3n2PLPH=372100=1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,圆盘锯机构,.,56,2.局部自由度,.,57,F=?,F=33-(23+1)=2?,.,58,.,59,.,60,.,61,滚子与廓线间纯滚动以减小摩擦。滚子转动否是否影响机构整体运动？,.,62,.,63,.,64,.,65,可见，滚子转动否与机构整体运动无关。,这种与机构整体运动无关的自由度称为局部自由度。计算机构自由度时应去掉。相当于将滚子与推杆固结。,.,66,F=33-(23+1)=2?,F=32-(22+1)=1!,.,67,A,B,C,D,E,F,1,2,3,4,5,机构自由度F=？,AB=CD=EF,BE=AF,EC=FD.,F=34-26-0=0?,.,68,3）虚约束(formalconstraint),虚约束：在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束。,.,69,解：n=,4，,PL=,6，,F=0,PH=0,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。,.,70,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,虚约束,.,71,常见的虚约束,1)两构件联接前后，联接点的轨迹重合,F=3324=1,n=3,PL=4,如平行四边形机构，火车轮，,椭圆仪等。,.,72,2）两构件组成的若干个导路中心线互相平行或重合的移动副。,x1,x2,A,B,C,1,2,3,4,F=3324=1,n=3,PL=4,.,73,3）两构件组成若干个轴线互相重合的转动副,A,B,F=322221=1,n=2,PL=2,PH=1,两个轴承支持一根轴,.,74,作者：潘存云教授,4）运动时，两构件上的两点距离始终不变,A,B,C,D,E,F,计算机构自由度时应去掉构件5,1,2,3,4,5,.,75,5）对运动不起作用的对称部分如多个行星轮、,行星轮系,F=332321=1,n=3,PL=3,PH=2,OH,3,1,2,H,.,76,周转轮系,F=342421=2,n=4,PL=4,PH=2,OH,2,H,行星轮系,.,77,6）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！,.,78,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。,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!,.,79,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=3n2PLPH=37291=2,.,80,A,1,计算图示包装机送纸机构的自由度,分析：,活动构件数n=,9,2个低副,复合铰链:,局部自由度,2个,虚约束:,1处,去掉局部自由度和虚约束后：,n=,6,PL=,7,F=3n2PLPH=36273=1,PH=,3,选讲,.,81,14速度瞬心及其在机构速度分析中的应用,.,82,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,绝对瞬心重合点绝对速度为零。,相对瞬心重合点绝对速度不为零。,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。求法？,1)速度瞬心的定义,.,83,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,每两个构件就有一个瞬心根据排列组合有,123,若机构中有K个构件，则,NK(K-1)/2,.,84,3）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。,2.三心定理,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。,.,85,结论：P21、P31、P32位于同一条直线上。,.,86,瞬心多边行（圆）：1）以构件为多边形的各个顶点，2）以已知瞬心（直接观测法求）为顶点间的连线3）作完所有已知顶点间连线后，用三心定理求其他未知瞬心，这是三心定理演变成一个个三角形4）找到两个有公共未知边的三角行（其他边均已知），即可用两次三心定理画出两条线，其交点即为所求瞬心。具体用法见下例,.,87,举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。,解：瞬心数为：,1.作瞬心多边形圆,2.直接观察求瞬心,3.三心定理求瞬心,NK(K-1)/26K=4,.,88,二、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。,求瞬心P12的速度。,V2VP12l（P13P12）1,长度P13P12直接从图上量取。,根据三心定理和公法线n-n求瞬心的位置P12。,.,89,2.求角速度,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(P24P14)4,42(P24P12)/P24P14,a)铰链机构已知构件2的转速2，求构件4的角速度4。,VP24l(P24P12)2,方向:CW,与2相同。,相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同,.,90,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(P23P13)3,32(P13P23/P12P23),方向:CCW,与2相反。,VP23l(P23P12)2,相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。,.,91,3.求传动比,定义：两构件角速度之比传动比。,3/2P12P23/P13P23,推广到一般：i/jP1jPij/P1iPij,结论:两构件的角速度之比等于绝