机械原理实用教案

1、会计学1机械机械(jxi)原理原理 第一页，共43页。2-1 2-1 机构结构机构结构(jigu)(jigu)分析的内分析的内容及目的容及目的主要内容主要内容(nirng)(nirng)及目的是：及目的是： 研究机构的组成及机构运动简图的画法；研究机构的组成及机构运动简图的画法； 了解机构具有确定运动的条件；了解机构具有确定运动的条件； 研究机构的组成原理研究机构的组成原理(yunl)(yunl)及结构分类。及结构分类。第1页/共42页第二页，共43页。 是两构件参与接触而是两构件参与接触而构成构成(guchng)运动副的表面。运动副的表面。 是两构件是两构件(gujin)直接接触而构成的可直

2、接接触而构成的可动连接；动连接；2-2 机构机构(jgu)的组成的组成1. 构件（构件（Member）零件零件是机器中的一个独立制造单元体；是机器中的一个独立制造单元体；构件构件是机器中的一个独立运动单元体。是机器中的一个独立运动单元体。 从运动来看，任何机器都是由若干个构件组合而成的从运动来看，任何机器都是由若干个构件组合而成的。 任何机器都是由许多零件组合而成的。任何机器都是由许多零件组合而成的。气缸体气缸体连杆体连杆体连连杆杆头头曲轴曲轴齿轮齿轮活塞活塞2.运动副（运动副（Kinematic Pair）运动副运动副运动副元素（运动副元素（Pairing Element）例例2-1轴与轴承

3、轴与轴承、滑块与导轨滑块与导轨、两轮齿啮合两轮齿啮合。第2页/共42页第三页，共43页。3 3）按其相对运动）按其相对运动(xin du yn dn)(xin du yn dn)形式分形式分转动转动(zhun dng)(zhun dng)副（回转副或铰链）副（回转副或铰链）移动移动(ydng)(ydng)副副螺旋副螺旋副球面副球面副4 4）运动副还可分为）运动副还可分为平面运动副平面运动副与与空间运动副空间运动副两类。两类。2 2）按其接触形式分）按其接触形式分高副高副：点、线接触的运动副点、线接触的运动副低副低副：面接触的运动副面接触的运动副（1 1）运动副的分类）运动副的分类1 1）按其引

4、入的约束数目分：）按其引入的约束数目分：级副级副、级副级副、级副级副。机构的组成机构的组成(2/4)第3页/共42页第四页，共43页。3.运动运动(yndng)链链构件通过运动构件通过运动(yndng)副的连接而构成的相对可动的系统。副的连接而构成的相对可动的系统。闭式运动闭式运动(yndng)链链（简称（简称闭链闭链）开式运动链开式运动链（简称（简称开链开链）平面闭式运动链平面闭式运动链空间闭式运动链空间闭式运动链平面开式运动链平面开式运动链空间开式运动链空间开式运动链（2）运动副符号）运动副符号运动副常用规定的简单符号来表达（运动副常用规定的简单符号来表达（GB446084）。）。各种常用

5、运动副模型各种常用运动副模型常用运动副的符号表常用运动副的符号表机构的组成机构的组成(3/4)12341234123412345第4页/共42页第五页，共43页。 但当机但当机构安装在运动的机械构安装在运动的机械(jxi)上时则是运动的。上时则是运动的。 按给定已知运动规律按给定已知运动规律(gul)独立运动的构件；独立运动的构件；4.机构机构(jgu) 其中一构件固定为机架的运动链称为其中一构件固定为机架的运动链称为机构机构。机架机架原动件原动件从动件从动件机构中相对固定的构件。机构中相对固定的构件。机构中其余活动构件。机构中其余活动构件。平面铰链四杆机构平面铰链四杆机构 机构常分为机构常分

6、为平面机构平面机构和和空间机构空间机构两类，两类，其中平面机构应用最为广泛。其中平面机构应用最为广泛。空间铰链四杆机构空间铰链四杆机构 一般机架相对地面固定不动，一般机架相对地面固定不动，常以箭头表示运动规律。常以箭头表示运动规律。其运动规律决定于原动件的运动规律其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。和机构的结构及构件的尺寸。机架机架原动件原动件从动件从动件机架机架从动件从动件原动件原动件机构的组成机构的组成(4/4)12341234第5页/共42页第六页，共43页。 不严格按比例绘出的，只表示机械结构不严格按比例绘出的，只表示机械结构(jigu)状况的状况的简图。简图。

7、根据机构根据机构(jgu)的运动尺寸，按一定的比例尺定出的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，各运动副的位置，2-3 机构机构(jgu)运动运动简图简图 在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。运动简图。1.机构运动简图机构运动简图 例例2-2 内燃机机构运动简图内燃机机构运动简图。机构运动简图机构运动简图 采用采用运动副运动副及及常用机构运动简图常用机构运动简图符号符号和和构件的构件的表示方法表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。机构示意图机构示意图第6页/共4

8、2页第七页，共43页。举例举例(j l)：（2）选定）选定(xun dn)视图平面视图平面； （3）选适当比例尺和合适的原动件位置，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副）选适当比例尺和合适的原动件位置，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后和机构的符号，最后(zuhu)用简单线条连接，即得机构运动简图。用简单线条连接，即得机构运动简图。机构运动简图机构运动简图(2/2)2. 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：绘制方法及步骤： （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的

9、类别及其位置；组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制第7页/共42页第八页，共43页。2-4 机构具有确定机构具有确定(qudng)运动的运动的条件条件一个机构一个机构(jgu)在什么条件下才能实现确定的运动呢？在什么条件下才能实现确定的运动呢？两个两个(lin )例子例子例例2-3 铰链四杆机构铰链四杆机构例例2-4 铰链五杆机构铰链五杆机构若若给定机构一个独立运动给定机构一个独立运动，则机构的运动完全确定；则机构的运动完全确定；若若给定机构两个独立运动给定机构两个独立运动，则机构的最薄弱环节

10、损坏。则机构的最薄弱环节损坏。若若给定机构一个独立运动给定机构一个独立运动，则机构的运动不确定；则机构的运动不确定；若若给定机构两个独立运动给定机构两个独立运动，则机构的运动完全确定。则机构的运动完全确定。 机构的自由度机构的自由度 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用参数的数目，其数目用F表示。表示。 结论结论 机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目于机构的自由度数目F。第8页/共42页第九页，共43页。如果如果(rgu)原动件数原动件数F,则机构则机构(jgu

11、)的运动将不确定；的运动将不确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。则会导致机构最薄弱环节的损坏。机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件(2/2) 结论：结论： 机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目自由度的数目F。第9页/共42页第十页，共43页。2-5 机构机构(jgu)自由度的自由度的计算计算1. 平面机构平面机构(jgu)自由度的计算自由度的计算（1）计算公式）计算公式F3n(2plph)式中：式中：n为机构的活动构件为机构的活动构件(gujin)数目；数目；pl 为机构的低副数目为机构的低副数目；ph为机

12、构的高副数目为机构的高副数目。平面运动副平面运动副低副低副高副：高副：转动副：转动副：移动副：移动副：引入两个约束（一个平动、一个转动），保留一个平动自引入两个约束（一个平动、一个转动），保留一个平动自由度由度引入两个约束（两个平动），保留一个转动自由引入两个约束（两个平动），保留一个转动自由度度引入一个约束（平动），保留一个平动和一个转动自引入一个约束（平动），保留一个平动和一个转动自由度由度一个平面运动构件具有三个自由度一个平面运动构件具有三个自由度第10页/共42页第十一页，共43页。1）铰链）铰链(jiolin)四杆机构四杆机构F3n(2plph)3324012）铰链）铰链(jioli

13、n)五杆机构五杆机构F3n(2plph)3425021234512343）内燃机机构）内燃机机构(jgu)F3n(2plph)3627311 13 34 47 78 8 9 9101011111818A AB BC CD D, ,机构自由度的计算机构自由度的计算(2/5)第11页/共42页第十二页，共43页。其约束其约束(yush)数为数为i (i =1, 2, . 5)，则，则2. 空间空间(kngjin)机构自由度的计算机构自由度的计算（1）一般）一般(ybn)空间机构自由度的计算空间机构自由度的计算设一空间机构共有设一空间机构共有n个活动构件，个活动构件，pi个个i级运动副，级运动副，F

14、6n(5p54p43p32p2p1)6nipii=15例例2-5 空间四杆机构空间四杆机构解解F6n5p54p43p36352 311机构自由度的计算机构自由度的计算(3/5)1B2C3DA4第12页/共42页第十三页，共43页。例例2-6 楔形滑块机构楔形滑块机构(jgu)解解因此因此(ync)机构为全移动副平面机构，故机构为全移动副平面机构，故m4，则，则F(6m)n(5m)p5(64)2(54)31 （2）含公共约束）含公共约束(yush)的空间机构自由度的计算的空间机构自由度的计算公共约束公共约束F(6m)n (im)pii=m+15 由上式可知，公共约束由上式可知，公共约束m=0,1

15、,2,3,4。故相应的机构分别。故相应的机构分别称为称为0族、族、1族、族、2族、族、3族、族、4族机构族机构（五类）。（五类）。是指机构中所有构件均受到的共同的约束，是指机构中所有构件均受到的共同的约束，以m表示。机构自由度的计算机构自由度的计算(4/5)第13页/共42页第十四页，共43页。（3）空间开链机构）空间开链机构(jgu)的自由度计算的自由度计算 因空间开链机构运动副总数因空间开链机构运动副总数p(= pi)等于其活动构件数等于其活动构件数n，i=156n (6fi)pii=15式中，式中，fi为为i级运动级运动(yndng)副的自由度，副的自由度，fi6i。例例2-7 机械手开

16、链机构机械手开链机构(jgu)解解F(65)p5(64)p417219 因机械手具有因机械手具有9个自由度，故它运动的灵活性较大，可绕过障碍进入作业区。个自由度，故它运动的灵活性较大，可绕过障碍进入作业区。F6n ipii=15故故机构自由度的计算机构自由度的计算(5/5)F FE ED DC CB BG GH HA A fi pii=15第14页/共42页第十五页，共43页。 如果两构件在多处如果两构件在多处接触而构成运动副，且符合下列情况接触而构成运动副，且符合下列情况(qngkung)者，者，则为同一运动副，即只能算一个运动副。则为同一运动副，即只能算一个运动副。2-6 计算平面计算平面

17、(pngmin)机构自由度时应注意的机构自由度时应注意的事项事项1. 要正确计算要正确计算(j sun)运动副的数目运动副的数目 由由m个构件组成的复合个构件组成的复合铰链，共有铰链，共有(m-1)个转动副。个转动副。（1）复合铰链复合铰链 （2）同一运动副同一运动副 1）移动副，且移动方向彼此平行或）移动副，且移动方向彼此平行或重合；重合；2）转动副，且转动轴线重合；）转动副，且转动轴线重合； 3）平面高副，且各接触点处的公法）平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合。线彼此重合。 A第15页/共42页第十六页，共43页。 是指机构中某些构件所产生(chnshng)的不影响其他构件运动的局部运

18、动的自由度， 如果两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并不彼此重合，如果两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并不彼此重合，则为复合高副，相当于一个则为复合高副，相当于一个(y )低副（移动副或转动副）。低副（移动副或转动副）。（3）复合）复合(fh)平面高副平面高副2.要除去局部自由度要除去局部自由度 局部自由度局部自由度以以F表示。表示。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(2/6)第16页/共42页第十七页，共43页。 滚子绕其轴线滚子绕其轴线(zhu xin)的转动为一个局部自由度，的转动为一个局部自由度， 在计算在计算

19、(j sun)机构自由度时，应将机构自由度时，应将 F从计算从计算(j sun)公式中公式中减去，即减去，即例例2-8 滚子滚子(n z)推杆凸轮机构推杆凸轮机构解解F3n(2plph) F故凸轮机构的自由度为故凸轮机构的自由度为F33(231)1 13.要除去虚约束要除去虚约束 虚约束虚约束是指机构中某些运动副带入的是指机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约对机构运动起重复约束作用的约束，以束作用的约束，以 p表表示。示。例例2-9 平行四边形四杆机构平行四边形四杆机构F3n(2plph) F33(240)01计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(3/6)第17

20、页/共42页第十八页，共43页。当增加一个当增加一个(y )构件构件5和两个转动副和两个转动副E、F，且且 BE AF，则，则F3n(2plph) F34(260)00原因：构件原因：构件5 和两个转动副和两个转动副E、F 引入的一个引入的一个(y )约束为虚约束。约束为虚约束。 在计算机构在计算机构(jgu)的自由度时，应从机构的自由度时，应从机构(jgu)的约束数中减去虚约束数的约束数中减去虚约束数目目p，故，故F3n(2plph p) F如平行四边形五杆机构的自由度为如平行四边形五杆机构的自由度为F34(2601)01计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(4/

21、6)第18页/共42页第十九页，共43页。（1）轨迹重合）轨迹重合(chngh)的情况的情况 在机构中，如果用转动副连接的是在机构中，如果用转动副连接的是两个构件上运动轨迹两个构件上运动轨迹(guj)相重合的点，该连接将带入相重合的点，该连接将带入1个虚约束。个虚约束。 例如椭圆仪机构例如椭圆仪机构(jgu)就是这种情况（图中：就是这种情况（图中：CAD90，BCBD）。）。 显然，转动副显然，转动副C所连接的所连接的C2、C3两点两点的轨迹重合，将带入一个虚约束。的轨迹重合，将带入一个虚约束。（2）用双副杆连接两构件上距离恒定不变的两点的情况）用双副杆连接两构件上距离恒定不变的两点的情况 在

22、机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持在机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，不变， 若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(5/6)4机构中的虚约束常发生的几种情况机构中的虚约束常发生的几种情况第19页/共42页第二十页，共43页。例如例如(lr)图示平行四边形机构就属于此种情况。图示平行四边形机构就属于此种情况。 显然，构件显然，构件 5和转动副和转动副E、F所联所联接的两点间的距离接的两点间的距离(jl)始终保持不变，故始终保持不变，故带入一

23、个虚约束。带入一个虚约束。（3）结构重复）结构重复(chngf)的情况的情况 在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。虚约束。例如图示轮系就属于这种情况。例如图示轮系就属于这种情况。 显然，从机构运动传递来看，仅显然，从机构运动传递来看，仅有一个齿轮就可以了，而其余两个齿有一个齿轮就可以了，而其余两个齿轮并不影响机构的运动传递，故带入轮并不影响机构的运动传递，故带入了虚约束，且了虚约束，且p2。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(6/6)第20页/共42页第二十一页，共43页。 2-7 虚约束

24、对机构工作性能的影响虚约束对机构工作性能的影响 及机构结构的合理及机构结构的合理(hl)设计设计1.虚约束对机构虚约束对机构(jgu)工作性能的影响工作性能的影响（1）虚约束）虚约束(yush)的作用的作用（2）虚约束对机构运动的影响）虚约束对机构运动的影响 虚约束是存在于某些特定几何条件下的，但这些条件不满足时，它就将成为实际有效虚约束是存在于某些特定几何条件下的，但这些条件不满足时，它就将成为实际有效的约束，从而影响到机构的性能。的约束，从而影响到机构的性能。例如平行四边形机构，例如平行四边形机构， 若误差较小，则机构装配困难，若误差较小，则机构装配困难，应力将增大，运动不灵活；应力将增大

25、，运动不灵活； 若误差较大，则机构无法装配，若若误差较大，则机构无法装配，若勉强装配，则传动效率低，易损坏。勉强装配，则传动效率低，易损坏。为了改善构件的受力情况；为了改善构件的受力情况；增加机构的刚度；增加机构的刚度；保证机械通过某些特殊位置。保证机械通过某些特殊位置。第21页/共42页第二十二页，共43页。 机构中的虚约束机构中的虚约束(yush)数越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。数越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。 结论结论 从保证机构运动灵活性和便于加工装配方面来说，应从保证机构运动灵活性和便于加工装配方面来说，应尽量减少机构的虚约束。因此尽量减少机构的虚约束。因此(

26、ync)，虚约束的多少是机构性能的一个，虚约束的多少是机构性能的一个重要指标。重要指标。2.机构机构(jgu)结构的合理设计结构的合理设计 机构结构的合理设计是指在不影响机构其他性能的前提下，机构结构的合理设计是指在不影响机构其他性能的前提下，通过运动副类型的合理选择和装配来尽可能减少虚约束的问题。通过运动副类型的合理选择和装配来尽可能减少虚约束的问题。 （1） 族别虚约束族别虚约束 将某些机构视为将某些机构视为0族机构时机构所存在的虚约束的数目，以族机构时机构所存在的虚约束的数目，以p表示，表示， 则则 pFF0式中：式中：F 为机构的实际自由度；为机构的实际自由度；F0为机构被视为为机构被

27、视为0族机构时的自由度数目。族机构时的自由度数目。虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计(2/4)第22页/共42页第二十三页，共43页。例例2-10 平面铰链平面铰链(jiolin)四杆机构四杆机构F(6m)n(5m)p5(63)3(53)41F06n5p563542故故 pFF01(2)3 显然，这三个族别虚约束存在的条件是：所有铰链的轴线显然，这三个族别虚约束存在的条件是：所有铰链的轴线(zhu xin)要要彼此平行。彼此平行。若不满足上述若不满足上述(shngsh)条件，则机构将变成为条件，则机构将变成为F02的结构了。的结构了。（

28、2）消除或减少族别虚约束的方法消除或减少族别虚约束的方法 通过合理选择和配置运动副的类型来消除或减少机构中族别通过合理选择和配置运动副的类型来消除或减少机构中族别虚约束。虚约束。虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计(3/4)第23页/共42页第二十四页，共43页。例例2-11 铰链铰链(jiolin)四杆机构四杆机构 将转动副将转动副B、C改为球面副和球销副，则机构改为球面副和球销副，则机构(jgu)变为变为0族机构族机构(jgu)，即无族别虚约束。即无族别虚约束。F6n5p54p43p3635241311例例2-12 曲柄曲柄(qbng

29、)滑块机构滑块机构 将转动副将转动副C变为球面副，则此机构可减变为球面副，则此机构可减少少2个族别虚约束。个族别虚约束。例例2-13 正切机构正切机构 将其低副用高副替代，即变为含点接将其低副用高副替代，即变为含点接触的高副机构，则此机构中无虚约束。触的高副机构，则此机构中无虚约束。 虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计(4/4)第24页/共42页第二十五页，共43页。 任何任何(rnh)机构都可看作机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的。机架而构成的。 不能再拆的最简单不能再拆的

30、最简单(jindn)的自的自由度为零的构件组，称阿苏尔或杆组。由度为零的构件组，称阿苏尔或杆组。2-8 平面机构的组成原理、结构平面机构的组成原理、结构(jigu) 分类及结构分类及结构(jigu)分析分析1. 平面机构的组成原理平面机构的组成原理例例2-14 颚式碎矿机颚式碎矿机1）基本杆组基本杆组： 2）机构组成原理机构组成原理：例例2-15 颚式碎矿机颚式碎矿机 注意注意 在杆组并接时，不能将同一杆在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。则将起不到增加杆组的作用。第25页/共42页第二十六页，共43页。（

31、1）基本）基本(jbn)杆组的条件杆组的条件3n2plph0式中式中n、pl及及ph分别为基本分别为基本(jbn)杆组中的构件数、低副数和高副数。杆组中的构件数、低副数和高副数。全为低副杆组的条件全为低副杆组的条件(tiojin)3n2pl0或或 n/2pl/3 （2）杆组的基本类型）杆组的基本类型1）级杆组级杆组由由2个构件和个构件和3个低副构成的杆组。个低副构成的杆组。2）级杆组级杆组由由4个构件和个构件和6个低副构成的杆组。个低副构成的杆组。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(2/4)ABC12a)ABC12b)AC12c)BABC12d)ABC

32、12e)ABCDEF1234a)ABCDEF1234b)ABCDEF1234c)第26页/共42页第二十七页，共43页。3. 平面平面(pngmin)机构的结构分析机构的结构分析（1）分析）分析(fnx)的目的的目的了解机构的组成了解机构的组成(z chn)，确定机构的级别。，确定机构的级别。（2）分析的方法）分析的方法1）先计算机构的自由度，并确定原动件；）先计算机构的自由度，并确定原动件； 2）从远离原动件的构件先试拆）从远离原动件的构件先试拆级组，若不成；再拆级组，若不成；再拆级组，直至只剩下原动件和机架为止；级组，直至只剩下原动件和机架为止；3）最后确定机构的级别。）最后确定机构的级别

33、。（3）举例）举例破碎机机构的结构分析：破碎机机构的结构分析：1）若取机构）若取机构1为原动件时，为原动件时， 此机构为此机构为级机构。级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(3/4)第27页/共42页第二十八页，共43页。2）若取构件(gujin)5为原动件时，先试拆级杆组， 显然(xinrn)，这种拆法不成。再试拆级组， 故此(gc)机构为级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(4/4)第28页/共42页第二十九页，共43页。2-9 平面平面(pngmin)机构中的高副低代机构中的高副低代高副低代高副低代 机构机构(jgu)中的高副以低副来代替的方法。中的高副以低副来代替的方法。（1）高副低代应满足）高副低代应满足(mnz)的条件：的条件：1）代替前后机构的自由度完全相同；）代替前后机构的自由度完全相同；2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。（2）高副低代的方法：）高副低代的方法：圆弧高副机构圆弧高副机构非圆弧高副