机械设计基础教案

1、1第二章第二章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析第一节第一节 机构的组成机构的组成第二节第二节 平面机构运动简图平面机构运动简图 第三节第三节 常用机械传动机构常用机械传动机构第四节第四节 平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件第五节第五节 传动机构运动方案分析实例传动机构运动方案分析实例2第一节第一节 机构的组成机构的组成 一、一、运动副运动副 二、二、运动副类型运动副类型 三、三、运动链运动链 四、四、机构机构 3构件运动时，其上任一直线始终与构件运动时，其上任一直线始终与初始位置保持平行。如初始位置保持平行。如活塞的直线平动,料槽的曲线平动一、构件的运动一、构件的运动1

2、 1、构件平动、构件平动 (t2) (t1)AABBO1O料槽的曲线平动料槽的曲线平动4构件运动时，始终有而且只有一条构件运动时，始终有而且只有一条直线固定不动。固定不动的直线为直线固定不动。固定不动的直线为轴线或转轴。如轴线或转轴。如齿轮,凸轮,主轴等2 2、构件定轴转动、构件定轴转动3. 3.构件平面运动构件平面运动构件运动时，既不是平动也不是转构件运动时，既不是平动也不是转动，是平动和转动合成的复杂的平动，是平动和转动合成的复杂的平面运动，面运动，其特征：其上任一点始终其特征：其上任一点始终在同一平面内运动，该该平面平行在同一平面内运动，该该平面平行与空间某一个固定平面。与空间某一个固定

3、平面。如车轮沿直线轨道滚动如车轮沿直线轨道滚动, ,内燃机连杆的运动内燃机连杆的运动5二、运动副二、运动副 运动副运动副 构件直接接触并能产生一定相对运动的联接构件直接接触并能产生一定相对运动的联接 6v 对构件施加的对构件施加的约束个数等于其约束个数等于其自由度减少的个自由度减少的个数。数。v 一个在平面内作自由运动的构件间具一个在平面内作自由运动的构件间具有有3 3个独立的相对运动；在三维空间作自个独立的相对运动；在三维空间作自由运动的两构件间具有由运动的两构件间具有6 6个独立的相对运个独立的相对运动。动。自由度、约束自由度、约束 yxAB自由度自由度 构件所具有的独立运动数目构件所具有

4、的独立运动数目约约 束束n组成运动副后组成运动副后, ,构件的某些独立运动受到限制构件的某些独立运动受到限制, ,构件自由构件自由度减少度减少, ,这种对构件独立运动的限制称为这种对构件独立运动的限制称为约束约束7低副低副运运动动副副两构件通过面接触两构件通过面接触高副高副点或线接触的运动副点或线接触的运动副转动副转动副移动副移动副组成运动副的两个构件只能组成运动副的两个构件只能在一个平面内做相对转动在一个平面内做相对转动, , 也称铰链也称铰链假设组成运动副的两个构假设组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移动件只能沿轴线相对移动8转动副、移动副实例转动副、移动副实例9运动副类型及其代表符号运动

5、副类型及其代表符号移动副移动副平面高副平面高副球销副球销副球面副球面副圆柱副圆柱副螺旋副螺旋副转转动动副副低副低副 =1 =1 ( (螺旋副螺旋副 =1)=1)由面接触而构成的运动副由面接触而构成的运动副 高副高副 =2 =2 ( (球面副球面副 =3)=3)由点、线接触而构成的运动副由点、线接触而构成的运动副 ffff10三、运动链三、运动链1. 1.运动链运动链: :假设干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相假设干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相对运动的系统。对运动的系统。 闭式运动链简称闭链：运动链的各构件首尾封闭闭式运动链简称闭链：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开链：未

6、构成首尾封闭的系统开式运动链简称开链：未构成首尾封闭的系统 (d) (e) (f)(d) (e) (f)(a)(a)、(b)(b)平面闭链平面闭链; (c); (c)平面开链；平面开链；(d)(d)空间闭链；空间闭链；(e)(e)、(f)(f)空间开链空间开链 a a b b (c) (c) 112. 2.机构机构机构机构 在运动链中，假设选定某构件为机架，在运动链中，假设选定某构件为机架，且各构件具有确定的相对运动，那么称该运且各构件具有确定的相对运动，那么称该运动链为机构。动链为机构。 平面机构平面机构 机构中各构件的运动平面互相平行机构中各构件的运动平面互相平行空间机构空间机构 机构中至

7、少有一构件不在相互平行的平面上运动，或机构中至少有一构件不在相互平行的平面上运动，或至少有一构件能在三维空间中运动至少有一构件能在三维空间中运动 机机 架架 机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动动原动件：原动件： 按给定运动规律独立运动的构件；按给定运动规律独立运动的构件；从动件从动件 机构中其余活动构件。其运动规律决定于原机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。 12 机构示意图机构示意图不按比例绘制的简图不按比例绘制的简图二、绘制：二、绘制：1 1、运动副的符号、运动

8、副的符号 第二节第二节 机构运动简图机构运动简图转动副转动副 移动副移动副 高高 副副 定义：用运动副代表符号和简单线条按一定的比例来反映定义：用运动副代表符号和简单线条按一定的比例来反映机构中各构件之间运动关系的简图。机构中各构件之间运动关系的简图。13常用运动副的符号常用运动副的符号运动副运动副名称名称运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副122121平平面面运运动动副副14平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面

9、副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212152 2、构件的表示、构件的表示16 构件符号：构件符号： 表表1-217步骤：步骤：l(mmm)mm)运动尺寸的实际长度或图上所画长度（实例实例 分析机构组成和运动原理分析机构组成和运动原理, ,弄清由主动件至从动件弄清由主动件至从动件之间的运动路线之间的运动路线, ,以及原动件的运动方向；以及原动件的运动方向；确定运动副的类型以及数目确定运动副的类型以及数目选择一个最能反映机构中各构件之间的运动关系的选择一个最能反映机构中各构件之间的运动关系的平面平面, ,绘制机构草图绘制机构草图, ,测量各运动副相对位置实际尺寸测量各运动副相

10、对位置实际尺寸选择适宜比例选择适宜比例, ,按照比例绘制各运动副。按照比例绘制各运动副。18例例2-1 2-1 卡车翻斗卸料机构示意图卡车翻斗卸料机构示意图194. 4.确定实际尺寸和绘制图的比例确定实际尺寸和绘制图的比例U,U,绘制机构简图绘制机构简图. .确定机构组成确定机构组成: :车体车体1- 1-机架机架; ;活塞杆活塞杆3- 3-原动件原动件; ;翻斗翻斗2 2和液压刚体和液压刚体4 4为从动件为从动件2. 2.运动副类型运动副类型:3 :3和和4 4移动副移动副;3 ;3和和2,42,4和和1,21,2和和1 1构成构成三个转动副三个转动副3. 3.机构草图绘制机构草图绘制, ,

11、测量各运动副相对位置实际尺寸测量各运动副相对位置实际尺寸. .本图中本图中, ,测量测量Lab,LbcLab,Lbc以及以及BCBC连线与水平线的夹角连线与水平线的夹角. .20例例2-2 2-2 液压泵机构示意图液压泵机构示意图211. 1.组成组成: :偏心轴偏心轴1( 1(原动件原动件), ),圆套圆套2, 2,隔板隔板3( 3(从动件从动件), ),泵泵体体4( 4(机架机架). ).注意注意: : 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。动副的性质。 2. 2. 1,4 1,4转动副转动副A,2A,2和和1 1转动副转动副B,2B,

12、2和和3 3转动副转动副C,3C,3和和4 4移移动副动副, ,移动导路通过转动副移动导路通过转动副C C的中心的中心3. 3.选择平面后选择平面后, ,按照比例绘图并标明原动件按照比例绘图并标明原动件1 1的运动的运动方向方向. .22原动件原动件 传动局部传动局部 执行局部执行局部 1 -2 -3 -4 -7 -8 1 -2 -3 -4 -7 -8 1 1 -6 -5 -4 -7 -8 -6 -5 -4 -7 -8 工作原理工作原理例例2- 2-3 3压压力力机机运运动动简简图图的的绘绘制制23沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以

13、确定运动副的类型和数目确定运动副的类型和数目 转动副转动副：偏心轮偏心轮1 1和杆件和杆件2 2 杆件杆件2 2和杆件和杆件3 3 杆件杆件3 3和杆件和杆件4 4滑块滑块7 7和压杆和压杆8 8 槽凸轮槽凸轮66齿轮齿轮66和机座和机座9 9杆件杆件4 4和滚子和滚子5 5 机座机座9 9和偏心轮和偏心轮11齿轮齿轮11移动副移动副杆件杆件3 3和机座和机座9 9 杆件杆件4 4和滑块和滑块7 7 压杆压杆8 8和机座和机座9 9高副高副齿轮齿轮11和齿轮和齿轮6 6 滚子滚子5 5和槽凸轮和槽凸轮6 6 2425第三节第三节 常用机械传动机构常用机械传动机构1 1 实现运动形式的变换实现运

14、动形式的变换: :一、机械传动机构的根本功能一、机械传动机构的根本功能2627282 2、实现运动的变换、实现运动的变换低速倒车档低速倒车档 (1)-2(7)- 8- 6(1)-2(7)- 8- 6( ) )高速档高速档: : - - 中速档中速档: : (1)-2(3)- 4(1)-2(3)- 4( ) )低速档低速档: : (1)-2(5)-6(1)-2(5)-6( ) )实现减速实现减速, ,增速增速, ,变速的功变速的功能293 3、实现运动的合成和分解、实现运动的合成和分解303 3、获得大的机械效益、获得大的机械效益31第四节第四节 平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的

15、条件32移动副移动副: :约束了沿约束了沿y y轴方向的移动和在轴方向的移动和在xOyxOy平面内的平面内的转动转动, , 只保存沿只保存沿x x轴方向的移动；轴方向的移动；一、平面机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算33转动副转动副: :约束了约束了x x、 y y两个方向的移动两个方向的移动, , 只保存一个转动；只保存一个转动；34高副高副: :只约束了沿接触处只约束了沿接触处公法线公法线n-nn-n方向方向的移动。的移动。 35单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 3低副引入两个约束！低副引入两个约束！高副引入一个约束！高副引入一个约束！活动构件数活动构件数 n n 计

16、算公式：计算公式： F=3nF=3n(2P(2PL L +P +Ph h ) )要求：记住上述公式，并能熟练应用。要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3 3n n 2 2 P PL L1 1 P Ph h36HL23PPnF 式中，式中， 为为活动构件个数活动构件个数; ; 为低副个数为低副个数; ; 为高副个数。为高副个数。 nLPHPF = 3F = 332324 = 14 = 1F = 3F = 342425 = 25 = 2n = 3n = 3P Pl l= 4= 4n = 4n = 4P Pl l = 5= 537二

17、、运动链的可动性及运动确定性的条件二、运动链的可动性及运动确定性的条件举例：举例：图图a a所示：所示： n=2 PL=3 PH=0n=2 PL=3 PH=0F=3n-2PL-PH = 0F=3n-2PL-PH = 0各构件间已无相对运动，只构成了一个各构件间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构刚性桁架，因而不能成为机构 图图b b所示所示 n=3 PL=5 PH=0n=3 PL=5 PH=0F=3n-2PL-PH = -1F=3n-2PL-PH = -1已成为超静定桁架了，也不能成为机构已成为超静定桁架了，也不能成为机构运动链可动性的必要条件运动链可动性的必要条件: :自由度

18、自由度F0F0机构的自由度机构的自由度 机构所具有的独立运动的数目机构所具有的独立运动的数目38现从下面两种情况分析现从下面两种情况分析: : 当运动链自由度大于当运动链自由度大于0 0时时, , 如果如果原动件数少于自由度数原动件数少于自由度数, , 那么运动链就会出现运动不确那么运动链就会出现运动不确定现象定现象, , 不能成为机构不能成为机构, , 如图如图2 - 192 - 19所示；所示；图图 2 - 19 2 - 19 原动件数小于原动件数小于F F 39图图 2 - 202 - 20原动件数大于原动件数大于F F1234如果原动件数大于自如果原动件数大于自由度数由度数, , 那么

19、运动链那么运动链中最薄弱的构件或运中最薄弱的构件或运动副可能被破坏动副可能被破坏, , 也也不能成为机构不能成为机构, , 如图如图2 2 - 20- 20所示。所示。402 2F0 F0 如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数损坏损坏 如原动件数小于机构自由度数如原动件数小于机构自由度数运动运动 不确定不确定结论结论1 1F=0 F=0 机构蜕化成刚性桁架，无相对运动。机构蜕化成刚性桁架，无相对运动。平面机构具有确定运动的条件：平面机构具有确定运动的条件：机构自由度数大于零机构自由度数大于零原动件的数目等于机构的自由度数目。原动件的数目等于机构的自由度数目。机构的自由度机构的自

20、由度 机构所具有的独立运动的数目。机构所具有的独立运动的数目。 由上可知：由上可知：41 2 24. 4.试计算图示牛头刨床工作机构的自由度试计算图示牛头刨床工作机构的自由度计算实例计算实例解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=7,N=7, 活动构件数活动构件数n=6,n=6, 5 5个转动副、个转动副、3 3个移动副，个移动副， 1 1个高个高 副。副。由此可得机构的自由度数为：由此可得机构的自由度数为： F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=36-26-28-1=18-1=142例例2-5 2-5 试机算图示航空照相机快门机构的自由度。试机算图示航空照相机快门机构的自

21、由度。解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=6,N=6,活动活动构件数构件数n=5,6n=5,6个转动副、一个移动个转动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：自由度数为： F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=35-25-27-0=17-0=1431. 1. 局部自由度局部自由度 2. 2. 复合铰链复合铰链 3. 3. 虚约束虚约束 二、计算平面机构的自由度应注意的事项二、计算平面机构的自由度应注意的事项441. 1.局部自由度局部自由度 在某些机构在某些机构中，不影响其他中，不影响其他构件运动的自由构件运动的自由度称为度称为局

22、部自由局部自由度度。滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动, , 该转该转动的自由度即动的自由度即局部自由度局部自由度。45图图 2 - 23 局部自由度局部自由度 （a）滚子的作用：滚子的作用：滑动摩擦滑动摩擦滚滚动摩擦。动摩擦。计算时先把滚子看成与从动件连成一体计算时先把滚子看成与从动件连成一体, , 消除转动副后消除转动副后再计算其自由度再计算其自由度此时机构中，此时机构中，n=2, PLn=2, PL2, PH 2, PH 1 1 那么那么F F3n3n2PL2PLPHPH3 32 22 22 21 11 1 123123462. 2.复合铰链

23、复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副联接，那么构成复合两个以上的构件在同一处以转动副联接，那么构成复合铰链。假设铰链。假设m m个构件在同一处构成复合铰链，该处的实际个构件在同一处构成复合铰链，该处的实际转动副数目为转动副数目为m-1m-1个。个。47例例 2 - 62 - 6计算图计算图2 - 222 - 22所示钢板剪所示钢板剪切机的自由度。切机的自由度。 图图 2 - 22 2 - 22 钢板剪切机钢板剪切机 O123BAO45C16解解 由图可知由图可知, n=5, PL=7, , n=5, PL=7, PH=0(BPH=0(B处为复合铰链处为复合铰链, , 含两个含两个转动副转动

24、副) )， 那么那么F F3n3n2PL2PLPH PH 3 35 52 27 70 01 1 48 对机构运动实际上不起限制作用的约束称为对机构运动实际上不起限制作用的约束称为虚约束虚约束。3. 3. 虚约束虚约束(1) (1) 转动副连接两构件运动轨迹重合转动副连接两构件运动轨迹重合ABAB、CDCD、EFEF平行且相等平行且相等 (2)(2)两构件组成多个转动副、且各转动副轴线重合两构件组成多个转动副、且各转动副轴线重合 (3)(3)两构件组成多个移动副、且各转动副导路平行两构件组成多个移动副、且各转动副导路平行 或者重合或者重合(4)(4)两构件组成多个平面高副、且各高副接触点处公法线

25、重合两构件组成多个平面高副、且各高副接触点处公法线重合(5)(5)对机构运动不起作用的对称局部如：行星轮对机构运动不起作用的对称局部如：行星轮 49图图 2 - 242 - 24轨迹重合平行四边形机构轨迹重合平行四边形机构 计算机构自由度时计算机构自由度时, , 应按图应按图2 - 24(b)2 - 24(b)处理处理, , 将构件将构件5 5及其及其两个转动副两个转动副E E、F F去掉。去掉。F=3F=33-23-24=14=1（b）A AB BD DC C（a）A AB BD DC CF FE E5 51 12 23 34 4(1) (1) ABAB、CDCD、EFEF平行且相等平行且相

26、等 。如图连接构件。如图连接构件5 5上上E E点的点的轨迹与机构连杆轨迹与机构连杆BCBC上的轨迹重合上的轨迹重合, , 构件构件5 5引入了虚约束。引入了虚约束。50图图 2 - 25 2 - 25 导路平行的多个移动副导路平行的多个移动副 B23A1DDC4A2B3CD4(a)(b)1(2) (2) 导路平行或重合的移动副：导路平行或重合的移动副： 两构件构成多个导路相互平两构件构成多个导路相互平行的移动副时行的移动副时, , 会出现虚约束。会出现虚约束。 如图如图2 - 25(a)2 - 25(a)所示的曲柄滑块所示的曲柄滑块机构中机构中, , 移动副移动副D D和和DD只有一个起约束

27、作用只有一个起约束作用, , 另一个那么为另一个那么为虚约束。虚约束。 计算时按图计算时按图2 - 25(b)2 - 25(b)处理。处理。 51图图 2 - 26 2 - 26 轴线重合的转动副轴线重合的转动副 1AA2BB1A2B(a)(b)(3) (3) 轴线重合的轴线重合的转动副转动副： 两构件构成多个轴线相互重合的转两构件构成多个轴线相互重合的转动副动副, , 会出现虚约束。会出现虚约束。 如图如图2 - 262 - 26所示的齿轮机构中，所示的齿轮机构中， 转动转动副副A A和和AA、 B B和和BB只有一个起约束作用只有一个起约束作用, , 另一个为虚约束。另一个为虚约束。F=3F=31-21-21=11=1F=3F=32-22-22-1=12-1=1524 4、两构件构成高副，两处接触，且法线重合。、两构件构成高副，两处接触，且法线重合。注意：注意：法线不重合时，变法线