机械原理教学课件

1、1. 孙桓孙桓 陈作模主编陈作模主编 机械原理机械原理 高教出版社高教出版社 第第7 7版版 2006年年2. 申永胜主编申永胜主编 机械原理教程机械原理教程 清华大学清华大学出版社出版社 2000年年 3. 邹惠君等主编邹惠君等主编 机械原理机械原理 高教出版社高教出版社 第第1 1版版 1999年年参考教材：参考教材：本章教学内容本章教学内容本章教学目的本章教学目的 本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容 使学生了解本课程研究的对象、内容使学生了解本课程研究的对象、内容 了解本课程的地位、作用和任务了解本课程的地位、作用和任务 了解机械原理学科的发展现状了解机械原理学科的发展现状 调

2、动学生学习本课程的兴趣和积极性调动学生学习本课程的兴趣和积极性本章重点本章重点通过机械原理课通过机械原理课程将要学习什么？程将要学习什么？为什么要学为什么要学机械原理？机械原理？ 学习本课程的目的学习本课程的目的 如何进行本课程的学习如何进行本课程的学习 机械原理学科发展现状机械原理学科发展现状一、研究对象一、研究对象机械机械什么叫机械？什么叫机械？1-1 1-1 本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容 机械机械: : 机器和机构的总称机器和机构的总称 机器机器 切削机床、运输机械、切削机床、运输机械、建筑机械、轻工机械、建筑机械、轻工机械、动力机器、医用机械、动力机器、医用机械、家用机

3、械、机器人等家用机械、机器人等 机器是根据某种使用要求而设计的机械系统，可以用机器是根据某种使用要求而设计的机械系统，可以用来变换或传递能量、物料与信息。来变换或传递能量、物料与信息。机器是由什么组成的？机器是由什么组成的？机器具有那些特征？机器具有那些特征？实例分析：实例分析：内燃机内燃机工件自动装卸装置工件自动装卸装置l机械是机器和机构的总称l机器是由一个或若干个机构组合而成，实现了物料、信息和能量的存储、传递和转换导向机构棘条机构机械系统的组成机械系统的组成系统系统装置装置设备设备机器机器仪器仪器构件构件零零件件机械系统机械系统机械产品机械产品部件部件零件零件机械系统组成的相对性机械系统

4、组成的相对性l零件是机械系统中不可拆分的最小组 成部分。l除“零件”外，其他概念均具有相对性。 如变速箱，作为一个单独的产品，可 以说它是一个机械系统、装置或者设 备，但是把它放到汽车中，它又是汽 车系统的一个组成部件，或者一个分 系统。l机构的工作原理，运动分析，参数计算l各种常用机构及综合l有关机械动力学的一些基本知识。 本课程作为一门机械系的重点技术基础课，是研究现有机械运动及工作性能和设计新机械的知识基础，通过本课程的学习，将为学习机械设计、机床、机械制造工艺及其它课程打下专业基础。世界机械发展史简介世界机械发展史简介u技术萌芽期u工业革命时期 u现代工业 技术萌芽期技术萌芽期 技术萌

5、芽期的机械都是结构、功能相对简单的，这些机械的主要有两个作用：一是用来取代人的劳动；二是用来获得动力，将自然能量(如水能、风能)转化为机械能。这个时期的机械在多采用对称性的结构，特别是旋转对称的结构。采用旋转对称的原因是因为旋转对称的结构可以实现周期性的循环工作，这种结构在将水能转化为机械能以及在传动、驱动机械中都有广泛的用途。简单机械的出现简单机械的出现 古代五种简单的机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面和螺旋。杠杆是典型的不对称的应用；车轮是平移对称的，并且有功能对称和原理对称；滑轮是旋转对称的；螺旋是旋移对称的。 建造金字塔时使用的车轮 阿基米德螺旋 古代水车 罗马型水车 古代机械钟的擒纵轮 最

6、早的钢球车床 工业时期是机械工业大步发展的时期，这个时期的机械结构、功能都变得复杂。大型的组合机械和小巧精密的机械都有大的发展，另一方面，这些机械的发展也推动了机床工业的迅速发展。 珍妮纺纱机 瓦特的行星轮 维尔金森的镗床 佩尔顿水车 德拉瓦尔的气轮机 现代工业的特点是自动化、集成化程度高。这个时期的机械的大型机械越来越多，其结构极其复杂，零部件很多，采用原理也纷繁复杂。其功能适用于人们生活的方方面面，使得现代人几乎生活在机器当中。 汽车发动机剖面图 古代机械钟的擒纵轮 发动机的气缸和曲拐布置图 吸收式消声器原理图 某种散热器结构简图 CA6140普通机床主轴传动系统 CA6140普通机床刀架

7、结构图 l远古工具时期l古代机械时期l近代机械时期 石铲 耕田器 古代的秤 竹蜻蜓 水排 龙尾车 戒尺 石磨 古代大纺车 晋代出现的行星轮传动系统 的地震仪张衡 机器的主要组成：各种机构。机器的主要组成：各种机构。 机器是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机机器是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构的组合。具有以下共同特征：构的组合。具有以下共同特征： 它们都是一种人为的实物组合体；它们都是一种人为的实物组合体； 组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动；组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动； 能够完成有用的机械功或转化机械能。能够完成有用的机械功或转化机械能。小结小结:机构机构

8、 机构是机器中用来传递运动和力或改变运动形式的机械机构是机器中用来传递运动和力或改变运动形式的机械 装置。具有机器的前两个特征。即装置。具有机器的前两个特征。即 它们都是一种人为的实物组合体；它们都是一种人为的实物组合体； 组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动；组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动；常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构二、研究内容二、研究内容 机构结构分析的基本知识：对机构的结构进行分析机构结构分析的基本知识：对机构的结构进行分析, 了解机构的组成及其具有确定运动的条件了解机构的组成及其具有确定运动的条

9、件; 了解机构的了解机构的组成原理和结构分类。组成原理和结构分类。 机构的运动分析。机构的运动分析。 常用机构的分析与设计：对各种常用机构的类型、运常用机构的分析与设计：对各种常用机构的类型、运动特点、功能及设计方法进行分析和研究。动特点、功能及设计方法进行分析和研究。 机器动力学：机器动力学：(1)分析机器在运转过程中其各构件的分析机器在运转过程中其各构件的受力情况受力情况, 以及机械平衡和机械效率问题以及机械平衡和机械效率问题; (2) 研究机器研究机器在外力下的真实运动规律和速度波动等问题。在外力下的真实运动规律和速度波动等问题。机械系统方案设计机械系统方案设计l本课程的教学顺序： 第一

10、章、第二章、第八章、第三章、第九章、第十章、第十一章、第十二章、第四章、第六章、第五章、第七章、第十四章1-2 1-2 学习本课程的目的学习本课程的目的机械原理课程的地位机械原理课程的地位1. 机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。2. 与一般的基础课比更接近工程实际。与一般的基础课比更接近工程实际。3. 与专业课比具有更宽的研究面和更广的适应性。与专业课比具有更宽的研究面和更广的适应性。学习本课程的目的学习本课程的目的1. 为学习机械类有关专业课打好理论基础。为学习机械类有关专业课打好理论基础。2. 为机械产品的创新设计打下良好的基础为机

11、械产品的创新设计打下良好的基础3. 为现有机械的合理使用和革新改造打基础。为现有机械的合理使用和革新改造打基础。1-3 1-3 如何进行本课程的学习如何进行本课程的学习学习方法：学习方法：1. 在学习知识的同时，注重能力的培养。在学习知识的同时，注重能力的培养。2. 在重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。在重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。3. 注意先修课程的应用。注意先修课程的应用。4. 理论联系实际，能够做到举一反三。理论联系实际，能够做到举一反三。教学环节：教学环节： 理论教学理论教学 实验教学实验教学 课程设计课程设计1-4 1-4 机械原理学科的发展现状及趋势机械原

12、理学科的发展现状及趋势机械工业发展方向：机械工业发展方向： 高速、高精度、重载、高效率、低噪声高速、高精度、重载、高效率、低噪声 先进制造技术的应用先进制造技术的应用 自动生产线自动生产线机构分析与综合机构分析与综合 常用机构的研究常用机构的研究 已经非常深入已经非常深入 自动控制机构、机器人机构、仿生机构、机电光液自动控制机构、机器人机构、仿生机构、机电光液综合机构等进展也非常大综合机构等进展也非常大 计算机的应用：计算机辅助设计、优化设计、大计算机的应用：计算机辅助设计、优化设计、大型通用或专用的软件等型通用或专用的软件等本章教学目的本章教学目的 了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度

13、了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度等概念；等概念； 能绘制常用机构的机构运动简图；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；能计算平面机构的自由度；了解平面机构组成的基本原理；了解平面机构组成的基本原理； 掌握机构结构分析的方法。掌握机构结构分析的方法。本章教学内容本章教学内容2-1 机构的组成机构的组成2-2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制2-3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件2-4 机构自由度的计算机构自由度的计算2-5 计算平面机构自由度应注意事项计算平面机构自由度应注意事项2-6 机构的组成原理及结构分析机构的组成原理及结构分析2-7 平面机构

14、中的高副低代平面机构中的高副低代一、构件一、构件二、运动副二、运动副 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。 从制造加工角度：机械由零件组成从制造加工角度：机械由零件组成 零件零件制造单元体制造单元体 从运动和功能实现角度：从运动和功能实现角度： 构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体注意：注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接运动副元素不外乎运动副元素不外乎为点、线、面为点

15、、线、面。1. 构件的自由度构件的自由度：指一：指一个构件相对另一个构件个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具一个自由构件在空间具有有6个自由度。个自由度。2. 约束约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独：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。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。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为运动副引入的约束数：最多为5个。个。1. 按运动副相对运动形式分按运动副相对运动形式分 运动副分类运动副分类 2. 按运动副引入的约束数分

16、：按运动副引入的约束数分： X级运动副：指引入级运动副：指引入X个约束的运动副。个约束的运动副。级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副级副级副级副级副级副级副级副3. 按运动副接触形式分按运动副接触形式分 低副低副: 两构件通过面接触而构成的两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副运动副统称为低副; 高副高副: 凡两构件系通过点或线接触凡两构件系通过点或线接触而构成的运而构成的运 动副统称为高副动副统称为高副; 124. 按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分: 平面运动副平面运动副:指构成运动副的两指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的构件之间的相对运动为平面运动的运

17、动副运动副; 空间运动副空间运动副:指构成运动副的两指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。构件之间的相对运动为空间运动。教材教材P7：表：表2-1三、运动链三、运动链 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。指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。 闭链闭链: 运动链运动链的各构件构成首的各构件构成首尾封闭的系统。尾封闭的系统。 开链开链: 运动运动链的各构件未链的各构件未构成首尾封闭构成首尾封闭的系统。的系统。平面运动链平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运

18、动链各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。 四、机构四、机构机构机构:在运动链中将一构在运动链中将一构件加以固定件加以固定, 而其余构件都而其余构件都具有确定的运动，则运动链具有确定的运动，则运动链便成为机构。便成为机构。机架：机构中固定不动构件。机架：机构中固定不动构件。 平面机构平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。机架机架原动件原动件原动件原动件: 机构中按给定的机构中按给定的运动规律独立运动的构件。运动规律独立运动的构件。从动件从动件:机构其余活

19、动构件。机构其余活动构件。 机构运动简图机构运动简图机构的示意图：机构的示意图：指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况, 不要求严格不要求严格地按比例而绘制的简图。地按比例而绘制的简图。机构运动简图：机构运动简图：指根据机构的运动尺寸指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定按一定的比例尺定出各运动副的位置出各运动副的位置, 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。件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。 机构示意图机构示意图 常用运动副和构件的表示方法常用运动副和构件的表示方法为什么要画机为什么要画机构运动简

20、图？构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。运动尺寸有关。常用运动副的符号常用运动副的符号常用运动副的符号（续）常用运动副的符号（续）一般构件的表示方法一般构件的表示方法常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号(续）续）例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个构件和个构件和7个转个转动副。动副。123456 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法例题二例题二：偏心轮机构运动简图的绘制：偏心轮机构运动简图的

21、绘制例题三、图示为一冲床。绕固定中心例题三、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为原为原动件，与滑块动件，与滑块2在在B点铰接，滑块点铰接，滑块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转转动，拨叉动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆转动时，通过连杆5使冲头使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法冲床动画冲床动画ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：123456:1. 分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、

22、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。目。2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对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运动的性质，确定运动副的类型和数目;3. 恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的恰当地选择投影面：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。运动平面相平行的平面作为投影面。4. 选择适当的比例尺选择适当的比例尺, 定出各运动副之间的相对位置，定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动简

23、将机构运动简图画出来。图画出来。小结：小结： 实例分析实例分析 给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。其余构件有确定运动。 机构中给定机构中给定独立运动参数的独立运动参数的构件为原动件。构件为原动件。 问题：取运动链中某个构件为机架，其余问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动构件在什么条件下才具有确定运动？ 结论结论机构具有确定运动的条件为：机构原动件数机构具有确定运动的条件为：机构原动件数=机构自由度数机构自由度数给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必须给定的独立运机构具有确

24、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。动参数的数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构有确定运动。自由度计算实例分析自由度计算实例分析 F=3n-2 Pl Ph=34 - 25-0=2F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1假设平面机构有假设平面机构有n个活动构件：个活动构件： 3n个自由度个自由度有有Pl个低副和个低副和Ph个高副：个高副： 平面自由构件：平面自由构件：3个自由度个自由度平面低副：引入平面低副：引入2个约束个约束平面高副：引入平面高副：引入1个约束个约束平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：

25、 F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pl - ph引入引入(2 Pl +Ph)约束约束分析：分析： 平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式n=6 , PL =8 , PH =1F = 3n 2PL PH =36 28 1 = 1仪表示值机构仪表示值机构计算多杆的自由度计算多杆的自由度n=10 , PL =14 , PH =0F = 3n 2PL -PH =310 214 = 2 计算轮系的自由度计算轮系的自由度n=4 , PL =4 , PH =2F = 3n 2PL PH =34 24 -2= 2 n=4 , PL =6 , PH =0F = 3n 2PL -PH =34

26、 26 = 0 应改进结构 讨论：1 )平面机构的自由度F取决于构件的数目、以及运动副的种类和数目。 2）要使机构能运动， F0 3）F=0 , 刚性静定结构 4） F0 , 超静定结构 复合铰链复合铰链 实例分析实例分析1：计算图示直线机构自由度：计算图示直线机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 210-0=1 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。个。实例分析实例分析

27、2：计算图示凸轮机构自由度：计算图示凸轮机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=33 - 23-1=2F=3n-2 pl ph - F =33 - 23-1-1=1方法二：假想构件方法二：假想构件2 2和和3 3焊成一体焊成一体F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1 局部自由度局部自由度 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动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F表示表示.注意：计算机构自由度时注意：计算机构自由度时, 应将局应将局部自由度除去不计。部自由度除

28、去不计。方法一：方法一： 指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用用P表示。表示。 虚约束虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。将因虚约束而减少的自由度再加上。将因虚约束而减少的自由度再加上。 即：即： F=3n-2 pl ph + P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引起虚约束的附加

29、构件和运动副数。 F=3n-2 pl ph去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该则该联接引入联接引入1个虚约束个虚约束;正确计算：正确计算：将因虚约束而减少的自由度将因虚约束而减少的自由度再加上。再加上。 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1不计引起虚约束的附加构件不计引起虚约束的附加构件和运动副数。和运动副数。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=33 - 24

30、-0=1F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0 分析：分析：E3和和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算：正确计算：F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1两构件在几处接触两构件在几处接触而构成移动副且导路而构成移动副且导路互相平行或重合。互相平行或重合。两个构件组成在几处两个构件组成在几处构成转动副且各转动副构成转动副且各转动副的轴线是重合的。的轴线是重合的。只有一个运动副起约束只有一个运动副起约束作用作用,其它各处均为虚其它各处均为虚约束约束;2. 两构件在几处接触而构成运动副两构件在几处接触而构成运动副3. 若两构件在多处相

31、接触构成平面高副，且各接触点处若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各重合，将提供各2个约束。个约束。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束5. 某些不影响机构某些不影响机构运动的对称部分或运动的对称部分或重复部分所带入的重复部分所带入的约束为虚约束。约束为虚约束。4. 机构运动过程中机构运动过程中, 某某两构件上的两点之间的两构件上的两点之间的距离始终保持不变距离始终保持不变, 将此将此两点以构件相联两点以构件相联, 则将带则将带入入1个虚约束。

32、个虚约束。小结小结存在于转动副处存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件个构件则有则有(m-1)个转动副个转动副 复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。由度减去。 虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。典型例题一：计算图示某

33、包装机送纸机构的自由度，典型例题一：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。并判断该机构是否有确定运动。复合铰链：复合铰链：D包含包含2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=2虚约束：杆虚约束：杆8及转动副及转动副F、I引引入入1个虚约束。个虚约束。解法解法2：计算自由度前直接去除虚约计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：束和局部自由度：解法解法1：计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析 n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1典型例题二：计典型例题二：计 算算 图图 示示 机机 构构 的的 自自 由由 度，度， 如如 有有 复复 合合

34、 铰铰 链、链、 局局 部部 自自 由由 度度 和和 虚虚 约约 束，需束，需 明明 确确 指指 出。出。 画画 箭箭 头头 的的 构构 件件 为为 原原 动动 件。件。复合铰链复合铰链解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析典型例题二（续）典型例题二（续）1 118HLppn、111128323HLppnF复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析解： n=9, PL =12 , PH =2F = 3n 2PL -PH =3

35、9 212 -2= 1一、机构的组成原理一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件： 自由度数自由度数=原动件数原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。称为机构的基本杆组。1. 杆组杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组自由度为零的杆组npl23对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副 基本杆组的分类基本杆组的分类 根据根据n的取值基本杆

36、组分为以下几种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2, pl=3的双杆组：又叫的双杆组：又叫级杆组级杆组 常见常见级杆组的形式为级杆组的形式为n和和pl为整数为整数n=2,4,6320lnp（2）n=4, pl=6的多杆组，又叫的多杆组，又叫 级杆组级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为常见的三种形式为npl23（3）更高级别的杆组）更高级别的杆组 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新

37、机构。2. 2. 机构的组成原理机构的组成原理动画演示动画演示机构组成过程机构组成过程一、机构的组成原理（续）一、机构的组成原理（续） 机构创新设计应遵循的原则机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。件数和运动副数越少越好。二、平面机构的结构分类二、平面机构的结构分类 II级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。级的机构。 III级机构级机构 指机构中

38、基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。级组的机构。级机构级机构 只由机架和原动件组成的机构称为只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。级的机构。 （杠杆机构、斜面机构）（杠杆机构、斜面机构） 机构结构分类的依据：机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。 结构分析目的结构分析目的 三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析 了解机构的组成，确定机构的级别。了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。 结构分析的过程结构分析的过程拆杆组拆杆组 从离原动件最远的

39、构件开始试拆，先拆从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不级组，若不成，再拆成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍级组，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。为止。 杆组拆分原则杆组拆分原则 机构结构分析步骤机构结构分析步骤典型例题典型例题1：试确定图示机构级。试确定图示机构级。1、正确计算机构的自由度；、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。、最后定出机构的级别。杆组拆分示例杆组拆分示例拆分：1、机架和原动

40、件(1和8)2、二级杆组：杆2和滑块43、二级杆组：杆5和滑块34、二级杆组：滑块6和滑块7拆分：1、机架和原动件(1和6)2、二级杆组：杆2和杆33、二级杆组：杆4和滑块5拆分：1、机架和原动件(2和8)2、二级杆组：杆1和杆33、二级杆组：杆4和杆74、二级杆组：杆5和滑块6 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法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。适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义高副低代的含义 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。低副

41、来代替的方法。 高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。高副低代方法高副低代方法 结论结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且：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。两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。分析：分析：高副：提供高副：提供1个约束个约束低副：提供低副：提供2个约束个约束不能直接用低副来代替，不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？如何进行高副低代？动画演示动画演示动画演示动画演示因其曲率半

42、径为零，其中一因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。个转动副就在该点处。因其曲率中心在无穷远处，则其因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；中的一个转动副变为移动副；动画演示动画演示动画演示动画演示 典型例题一：试确定图示高副机构的级别。典型例题一：试确定图示高副机构的级别。典型例题二：计典型例题二：计 算算 图图 示示 机机 构构 的的 自自 由由 度，并分度，并分析机构组成情况析机构组成情况 。 画画 箭箭 头头 的的 构构 件件 为为 原原 动动 件。件。解：解：1. 1. 分析分析1 118HLppn、111128323HLppnF复合铰链复合铰链局部自由度局部自由

43、度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链2. 2. 计算自由度计算自由度去除需约束和局部自由度后机构简图去除需约束和局部自由度后机构简图3. 3. 高副低代高副低代典型例题二（续）：典型例题二（续）：4. 结构分析结构分析二级机构二级机构 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构原动件数机构原动件数= =机构自由度数机构自由度数F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pl - ph 计算计算机构自由度应注意的事项机构自由度应注意的事项 复合铰链、局部自由度、虚约束复合铰链、局部自由度、虚约束 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图构

44、件、运动副、运动链、机构构件、运动副、运动链、机构本章小结本章小结 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。 结构分类及结构分析结构分类及结构分析 注意杆组拆分原则注意杆组拆分原则 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代代替条件：代替前后机构的自由度不变；代替前代替条件：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。后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高代替方法：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

45、曲副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。率中心。本章小结本章小结本章教学目标本章教学目标明确机构运动分析的目的和方法。明确机构运动分析的目的和方法。 理解速度瞬心理解速度瞬心(绝对瞬心和相对瞬心绝对瞬心和相对瞬心)的概念，的概念，并能运用三心定理确定一般平面机构各瞬心的并能运用三心定理确定一般平面机构各瞬心的位置。位置。 能用瞬心法对简单平面高、低副机构进行速能用瞬心法对简单平面高、低副机构进行速度分析度分析 能用解析法对平面二级机构进行运动分析。能用解析法对平面二级机构进行运动分析。 掌握图解法的基本原理并能够对平面二级机掌握图解法的基本原理并能够对平面二级机构进行运动分析。

46、构进行运动分析。本章教学内容本章教学内容3-1 机构运动分析的任务、目的和方法机构运动分析的任务、目的和方法3-2 用速度瞬心法作机构的速度分析用速度瞬心法作机构的速度分析3-3 用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析3-4 速度瞬心法和矢量方程图解法的综合运用速度瞬心法和矢量方程图解法的综合运用3-5 用解析法作机构的运动分析用解析法作机构的运动分析 机构运动分析的任务机构运动分析的任务 是在已知机构尺寸和原动件运动规律的情况下，确定是在已知机构尺寸和原动件运动规律的情况下，确定机构中其它构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和机构中其它构件上某些点

47、的轨迹、位移、速度及加速度和某些构件的角位移、角速度及角加速度。某些构件的角位移、角速度及角加速度。 机构运动分析的方法机构运动分析的方法 图解法图解法解析法解析法速度瞬心法速度瞬心法矢量方程图解法矢量方程图解法3-2 3-2 用速度瞬心作平面机构的速度分析用速度瞬心作平面机构的速度分析一、速度瞬心一、速度瞬心 绝对瞬心绝对瞬心: 指绝对速度为零的瞬心。指绝对速度为零的瞬心。 相对瞬心相对瞬心: 指绝对速度不为零的瞬心。指绝对速度不为零的瞬心。 瞬心的表示瞬心的表示 速度瞬心速度瞬心(瞬心瞬心): 指互相作指互相作平面相对运动的两构件在任平面相对运动的两构件在任一瞬时其相对速度为零的重一瞬时其

48、相对速度为零的重合点。合点。即两构件的瞬时等速重合点即两构件的瞬时等速重合点。构件构件i 和和 j 的瞬心用的瞬心用Pij表示表示2)1(NNK三、机构中瞬心位置的确定三、机构中瞬心位置的确定 二、机构中瞬心的数目二、机构中瞬心的数目 3-2 3-2 用速度瞬心作平面机构的速度分析用速度瞬心作平面机构的速度分析通过运动副直接相联两构件的瞬心位置确定通过运动副直接相联两构件的瞬心位置确定 由由N个构件组成的机构个构件组成的机构, 其瞬心总数为其瞬心总数为K转动副联接两构件的转动副联接两构件的瞬心在转动副中心。瞬心在转动副中心。移动副联接两构件移动副联接两构件的瞬心在垂直于导的瞬心在垂直于导路方向

49、的无究远处。路方向的无究远处。若既有滚动又有滑动若既有滚动又有滑动, 则瞬心在高副接触点则瞬心在高副接触点处的公法线上。处的公法线上。若为纯滚动若为纯滚动, 接触接触点即为瞬心；点即为瞬心； 不直接相联两构件的瞬心位置确定不直接相联两构件的瞬心位置确定三心定理三心定理:三个彼此作平面平行运动的构三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于同一直线上。件的三个瞬心必位于同一直线上。例题例题:试确定平面四杆机构在图示位置试确定平面四杆机构在图示位置时的全部瞬心的位置。时的全部瞬心的位置。解解: 机构瞬心数目为机构瞬心数目为: K=6瞬心瞬心P13、P24用用于三心定理来求于三心定理来求P34P14

50、P23P12P24P13134422三、机构中瞬心位置的确定三、机构中瞬心位置的确定 （续）（续） llPPPP 2414424122 2412241442PPPP 如图所示的平面四杆机构中如图所示的平面四杆机构中, 已知原动件已知原动件2以角速度以角速度 2等速度转动等速度转动, 现需确定机构在现需确定机构在图示位置时从动件图示位置时从动件4的角速度的角速度 4。P34P14P23P12P24P13134422解：解：1、确定机构瞬心、确定机构瞬心且等于该两构件绝对瞬心且等于该两构件绝对瞬心至其相对瞬心距离的反比至其相对瞬心距离的反比42称为机构传动比称为机构传动比2、P24为构件为构件2和

51、和4的等速重合点的等速重合点, 故故速度瞬心法应用例题分析一速度瞬心法应用例题分析一返回返回P23P24P122342v2P14P34如图所示的带有一移动副的平面四杆机构中如图所示的带有一移动副的平面四杆机构中, 已知原动件已知原动件2以角速度以角速度 2等速度转动等速度转动, 现需确定机构在图示位置时从动件现需确定机构在图示位置时从动件4的速度的速度v4。lPPPvv 2412224 解：确定机构瞬心如图所示解：确定机构瞬心如图所示速度瞬心法应用例题分析二速度瞬心法应用例题分析二返回返回如图所示凸轮机构，设已知各构件尺寸和凸轮的角速度如图所示凸轮机构，设已知各构件尺寸和凸轮的角速度 2，求从

52、动件，求从动件3的速度的速度v3。lPPPvv 2312223 223nKP12P231nP13解：解：确定构件确定构件2和和3的相对瞬心的相对瞬心P23速度瞬心法应用例题分析三速度瞬心法应用例题分析三返回返回312已知构件已知构件2 2的转速的转速2 2 ，求构件，求构件3 3的角速度的角速度3 3 。2 2求解过程求解过程: : 用三心定律求出用三心定律求出P23 。求瞬心求瞬心P23的速度的速度 : :VP23l(P23P13)3 3 3 32 2(P13P23/ /P12P23) )P12P13方向方向: : 3 3与与2 2相反。相反。VP23VP23l(P23P12)2 2&

53、; 相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。n nn nP233 32速度瞬心法应用例题分析四速度瞬心法应用例题分析四绘制机构运动简图绘制机构运动简图；求瞬心的位置；求瞬心的位置；求出相对瞬心的速度求出相对瞬心的速度; ;瞬心法的优缺点：瞬心法的优缺点：适合于求简单机构的速度，机构复杂时因适合于求简单机构的速度，机构复杂时因 瞬心数急剧增加而求解过程复杂。瞬心数急剧增加而求解过程复杂。 有时瞬心点落在纸面外。有时瞬心点落在纸面外。仅适于求速度仅适于求速度, ,不能求加速度，使应用有不能求加速度，使应用有 一定局限性。一定局限性。求构件绝对速度求构

54、件绝对速度V V或角速度或角速度。一、矢量方程图解法的基本原理和作法一、矢量方程图解法的基本原理和作法 矢量方程图解矢量方程图解（相对运动图解法）（相对运动图解法）依据的原理依据的原理理论力学中的理论力学中的运动合成原理运动合成原理1. 根据运动合成原理列机构运动的矢量方程根据运动合成原理列机构运动的矢量方程2. 根据按矢量方程图解条件作图求解根据按矢量方程图解条件作图求解基本作法基本作法同一构件上两点间速度及加速度的关系同一构件上两点间速度及加速度的关系两构件重合点间的速度和加速度的关系两构件重合点间的速度和加速度的关系机构运动机构运动分析两种分析两种常见情况常见情况二、同一构件上两点间的速

55、度及加速度的关系二、同一构件上两点间的速度及加速度的关系1. 所依据的基本原理所依据的基本原理: 运动合成原理：一构件上任一点的运动，可以看作是随同运动合成原理：一构件上任一点的运动，可以看作是随同该构件上另一点的平动该构件上另一点的平动(牵连运动牵连运动)和绕该点的转动和绕该点的转动(相对运动相对运动)的合成。的合成。 2. 实例分析实例分析 已知图示曲柄滑块机构原已知图示曲柄滑块机构原动件动件AB的运动规律和各构件的运动规律和各构件尺寸。求：尺寸。求：图示位置连杆图示位置连杆BC的角速度的角速度和其上各点速度。和其上各点速度。连杆连杆BC的角加速度和其上的角加速度和其上C点加速度。点加速度

56、。解题分析解题分析：原动件：原动件AB的运动规的运动规律已知，则连杆律已知，则连杆BC上的上的B点速度点速度和加速度是已知的，于是可以用和加速度是已知的，于是可以用同一构件两点间的运动关系求解。同一构件两点间的运动关系求解。CBBCvvv （1） 速度解题步骤：速度解题步骤： 大小：大小： 方向：方向：？ ?xx AB BCcpbe确定速度图解比例尺确定速度图解比例尺v( (m/s)/mm)作图求解未知量：作图求解未知量：m/spcvVC m/sbcVCBvECCEBBEvvvvvCBCBl/2v（逆时针方向）（逆时针方向）求求VE大小：大小： 方向：方向：？ ? ？ AB EBxx EC ?

57、速度多边形速度多边形极点极点求求VC由运动合成原理列矢量方程式由运动合成原理列矢量方程式由极点由极点p向外放射的矢量代表相应点的绝对速度；向外放射的矢量代表相应点的绝对速度； 连接极点以外其他任意两点的矢量代表构件上相应两点连接极点以外其他任意两点的矢量代表构件上相应两点间的相对速度，间的相对速度， 其指向与速度的下角标相反；其指向与速度的下角标相反；因为因为BCE与与 bce 对应边相互垂直且角标字母顺序一致，对应边相互垂直且角标字母顺序一致，故相似，故相似， 所以图形所以图形 bce 称之为图形称之为图形BCE的速度影像。的速度影像。cpbe速度多边形速度多边形极点极点 速度多边形特性速度

58、多边形特性tCBnCBBCBBCaaaaaa 大小：大小：方向：方向：BCl22确定加速度比例尺确定加速度比例尺 a(m/s2)/mm)作图求解未知量：作图求解未知量：？ xx AB CB AB?（2）加速度求解步骤：）加速度求解步骤： c b n nen加速度多边形加速度多边形 p极点极点tECnECCtEBnEBBaaaaaa 大 小？方 向求求aEBCaBCtCBlcnl/2 a cpaCa 求求aC 列矢量方程式列矢量方程式由极点由极点p p1 1向外放射的矢量代表构件相应点的绝对加速向外放射的矢量代表构件相应点的绝对加速度；度；连接两绝对加速度矢量矢端的矢量代表构件上相应两连接两绝对

59、加速度矢量矢端的矢量代表构件上相应两点间的相对加速度，其指向与加速度的下角标相反；点间的相对加速度，其指向与加速度的下角标相反；也存在加速度影像原理。也存在加速度影像原理。注意：速度影像和加速度影像注意：速度影像和加速度影像只适用于构件。只适用于构件。 c b n nen加速度多边形加速度多边形 p极点极点加速度多边形的特性加速度多边形的特性 已知图示机构尺寸和原动件已知图示机构尺寸和原动件1的运动。求重合点的运动。求重合点C的运动。的运动。三、两构件重合点间的速度和加速度的关系三、两构件重合点间的速度和加速度的关系 2、依据原理列矢量方程式、依据原理列矢量方程式1212CCCCvvv rCC

60、kCCCtDCnDCC12121332aaaaaa大小：大小： 方向：方向：？ ? CD AC AB大小：大小： 方向：方向： ？ ？1ADC1432Bvc2c1ac1vc1C1、C2、C3121122CCkCCvaCD CD AB科氏加速度方向是将科氏加速度方向是将vC2C1沿牵沿牵连角速度连角速度 1转过转过90o的方向。的方向。1. 依据原理依据原理 构件构件2的运动可以认为是随同构件的运动可以认为是随同构件1的牵连运动和构件的牵连运动和构件2相对于构件相对于构件1的相对运动的合成。的相对运动的合成。 如图所示为一偏心轮机构。设已知机构各构件的尺寸，如图所示为一偏心轮机构。设已知机构各构件的尺寸