平面机构的结构分析课件

1、平面机构的结构分析第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 (Structure Analysis of Planar Mechanisms)平面机构的结构分析一、基本要求一、基本要求二、重点与难点二、重点与难点重点重点:机构运动简图、自由度计算、机构的结构分析机构运动简图、自由度计算、机构的结构分析难点难点:机构的结构分析机构的结构分析1、了解机构的组成，熟练掌握机构运动简图的绘制方法。、了解机构的组成，熟练掌握机构运动简图的绘制方法。2、熟练掌握机构自由度的计算方法，、熟练掌握机构自由度的计算方法，能准确识别出机构中能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束存在的复合铰

2、链、局部自由度和虚约束。3、掌握机构具有确定运动的条件。、掌握机构具有确定运动的条件。4 4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。了解高副低代了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别。的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别。平面机构的结构分析第一节第一节 机构的组成机构的组成一、构件一、构件(Link) 组成机构的每一个具有独立运动的单元体称为构件。组成机构的每一个具有独立运动的单元体称为构件。连杆体连杆体1连杆盖连杆盖2轴瓦轴瓦3、4和和5螺栓螺栓6螺母螺母7开口销开口销8平面机构的结构分析二、运动副二、运动副（kinematic pa

3、ir）两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副。运动副。1、定义、定义2、运动副的分类、运动副的分类1）平面运动副和空间运动副）平面运动副和空间运动副构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的称为构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的称为平面平面运动副运动副。相对运动为空间运动的称为。相对运动为空间运动的称为空间运动副空间运动副，如螺纹副。，如螺纹副。平面机构的结构分析2）高副和低副）高副和低副高副高副：两构件通过点或线的接触而构成的运动副。两构件通过点或线的接触而构成的运动副。低副低副：两构件通过面接触而构成的运动

4、副。：两构件通过面接触而构成的运动副。转动副转动副：两构件之间的相对运动为转动的低副，也称为铰链。：两构件之间的相对运动为转动的低副，也称为铰链。移动副移动副：两构件之间的相对运动为移动的低副。：两构件之间的相对运动为移动的低副。螺螺旋旋副副球球销销副副3）按组成运动副两构件的相对运动形式分类）按组成运动副两构件的相对运动形式分类还有螺旋副、球销副等。还有螺旋副、球销副等。平面机构的结构分析三、运动链三、运动链(Kinematic chain) 若干构件通过运动副连接而成的可动系统。若干构件通过运动副连接而成的可动系统。机构中构件的分类机构中构件的分类： 1、机架、机架(frame):描述运动

5、的参考系描述运动的参考系，机构中相对不动的构件机构中相对不动的构件 2、原动件、原动件(driving link):运动规律已知的构件运动规律已知的构件 输入构件输入构件 3、从动件、从动件(driven link) 输出构件输出构件开式链开式链(open chain)闭式链闭式链(close chain)四、机构四、机构(Mechanism) 若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。平面机构的结构分析一、机构运动简图及其意义一、机构运动简图及其意义 n机构运动简图：机构运动简图：用简单线条和规定的符号表示构件和运动用简单线条和规定的

6、符号表示构件和运动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与运动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动关有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动关系的简单图形。系的简单图形。n意义：意义：机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机械机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机械系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价。系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价。n人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件的人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位置来运动规律

7、、该机构中各运动副的类型、数目及相对位置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关。决定的，而与构件和运动副的实际结构无关。第二节第二节 机构运动简图机构运动简图平面机构的结构分析二、运动副和构件的表示二、运动副和构件的表示1、移动副的表示、移动副的表示2、转动副的表示、转动副的表示平面机构的结构分析3、高副的表示、高副的表示2112齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副平面机构的结构分析4、构件的表示、构件的表示平面机构的结构分析三、绘制平面机构运动简图的方法和步骤三、绘制平面机构运动简图的方法和步骤1、分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。、分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。2、从原动件开始，按照

8、运动的传递顺序，分析各构件之间的、从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件之间的相对运动的性质；确定活动构件的数目、运动副的类型和数相对运动的性质；确定活动构件的数目、运动副的类型和数目。目。3、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。4、选择比例尺、选择比例尺 l构件实际尺寸构件实际尺寸/构件图样尺寸（单位：构件图样尺寸（单位：m/mm或或mm/mm），定出各运动副之间的相对位置，用规定），定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构运动简图。符号绘制机构运动简图。平面机构的结构分析例例1：试绘制内燃机的机构运动试绘制内燃机的机构运动简

9、图简图n1、内燃机由机架（汽缸体）、活、内燃机由机架（汽缸体）、活塞（原动件）、连杆、曲柄、齿塞（原动件）、连杆、曲柄、齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排气轮、凸轮、推杆（进气阀、排气阀）组成。阀）组成。n2、活塞与机架间构成移动副；活、活塞与机架间构成移动副；活塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄与塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄与机架、齿轮（凸轮）与机架间构机架、齿轮（凸轮）与机架间构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮与成转动副；齿轮与齿轮、凸轮与推杆间构成高副。推杆间构成高副。n3、选择适当的视图平面和适当的、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。机构运动瞬时位置。n4、选择合适的比例尺，绘制机构、选择合适的比

10、例尺，绘制机构运动简图。运动简图。四、举例四、举例平面机构的结构分析例例2：如图所示为一：如图所示为一偏心轮机构偏心轮机构模型图，试绘制其模型图，试绘制其运动简图。运动简图。 平面机构的结构分析例例3：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。平面机构的结构分析第三节第三节 平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算一、平面机构自由度定义一、平面机构自由度定义机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。二、约束二、约束对独立运动的限制。对独立运动的限制。一个低副引入一个低副引入2个约束。个约束。平面机构的结构分析

11、F 3n 2PL PH三、平面机构自由度三、平面机构自由度F计算计算一个高副引入一个高副引入1 1个约束。个约束。n活动构件数活动构件数PL低副数低副数PH高副数高副数平面机构的结构分析例例4：求下图所示机构的自由度。：求下图所示机构的自由度。1）构件总数）构件总数N 42）活动构件数）活动构件数n 33）低副数）低副数PL 4 （3个转动副，个转动副，1个移动副）个移动副）4）高副数）高副数PH05）F 3n- 2PL- PH3324=11234平面机构的结构分析例例5：求下图所示航空照相快门机构的自由度。：求下图所示航空照相快门机构的自由度。1）构件总数）构件总数N 62）活动构件数）活动

12、构件数n 53）低副数）低副数PL 7 （6个转动副，个转动副，1个移动副）个移动副）4）高副数）高副数PH 05）F 3n- 2PL-PH35-2710 0 6 2 4 3 F123456平面机构的结构分析例例6：求下图所示内燃机组成机构的自由度。：求下图所示内燃机组成机构的自由度。1）活动构件数）活动构件数n 73）低副数）低副数PL 8 （5个转动副，个转动副，3个移动副）个移动副）4）高副数）高副数PH 45）F 3n- 2PL- PH37-28 -411234567平面机构的结构分析四、机构具有确定运动的条件四、机构具有确定运动的条件所谓机构具有确定的运动，是指该机构中所有的构件在任

13、所谓机构具有确定的运动，是指该机构中所有的构件在任一瞬时的运动都是完全确定的。一瞬时的运动都是完全确定的。这就意味着该机构的自由度大于零，即满足这就意味着该机构的自由度大于零，即满足F0，否则该构，否则该构件系统就不是机构。件系统就不是机构。若F0，则各构件间不可能产生相对运动。各构件间不可能产生相对运动。12345205243F那那F0运动就确定吗？运动就确定吗？平面机构的结构分析14233FAECDBDC1 1）原动件数）原动件数 机构自由度数，将杆机构自由度数，将杆2拉断。拉断。机构具有确定运动的条件是：机构具有确定运动的条件是：（1）机构自由度）机构自由度 F0，（2）机构自由度）机构

14、自由度 F等于原动件数。等于原动件数。平面机构的结构分析五、自由度计算时的注意事项五、自由度计算时的注意事项 1、复合铰链、复合铰链例例7 7：计算原盘锯主体机构的自由度：计算原盘锯主体机构的自由度. .7低副低副PL12345676活动构件活动构件nF = 3n2PLPH =37-26=9两个以上的构件同时在一处用转动副构成的联结两个以上的构件同时在一处用转动副构成的联结由由K个构件组成的复合铰链应含有个构件组成的复合铰链应含有(K-1)个转动副。个转动副。平面机构的结构分析7低副低副PL123456710活动构件活动构件nF = 3n2PLPH =37-210 =1平面机构的结构分析2、局

15、部自由度局部自由度例题例题8：计算滚子从动件凸轮机构的自由度。：计算滚子从动件凸轮机构的自由度。ABC321n 2PL 2PH 1ABC132n 3PL3PH1F = 3n2PLPH =33-23-1 =2F = 3n2PLPH =32-22-1 =1就是与机构运动无关的构件的独立运动。就是与机构运动无关的构件的独立运动。平面机构的结构分析3、虚约束、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。不起独立限制作用的约束。AMBNDC例题例题9：计算下列机构的自由度：计算下列机构的自由度,且满足且满足AB/CD,

16、AD/BC/MN。AMB2314NO3O1AMBNDC12345平面机构的结构分析虚约束的处理办法：虚约束的处理办法：将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。关的运动副一并不计。（1 1） 机构中某两构件用转动副相联的联结点，在组成运机构中某两构件用转动副相联的联结点，在组成运动副前后，其各自的轨迹重合为一，则此联结带入的约束为动副前后，其各自的轨迹重合为一，则此联结带入的约束为虚约束。虚约束。常见的几种虚约束：常见的几种虚约束：平面机构的结构分析x1x2ABC1234x1x2（2 2）两构件在多处构成多个移动副，

17、且各移动副的导路重合两构件在多处构成多个移动副，且各移动副的导路重合或平行或平行 。123平面机构的结构分析（3 3）两构件在多处构成多个转动副，且各转动副的轴线重合。两构件在多处构成多个转动副，且各转动副的轴线重合。（4 4）机构中具有对运动不起作用的对称部分。机构中具有对运动不起作用的对称部分。平面机构的结构分析3 23 8 2 1 1 1 1L HF n p p （5）两构件构成高副，多处接触，且公法线重合。两构件构成高副，多处接触，且公法线重合。平面机构的结构分析注意：注意：n虚约束是为了改善机构的刚性或受力情况，虚约束是为了改善机构的刚性或受力情况，对机构运动不起作用。对机构运动不起

18、作用。n虚约束是在一定的几何条件下形成的。若虚约束是在一定的几何条件下形成的。若不能满足此条件，就会形成不能满足此条件，就会形成“实际约束实际约束”。平面机构的结构分析ADCBFEGHI123456例例10：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束由度和虚约束, ,需明确指出。需明确指出。局部自由度局部自由度虚约束虚约束虚约束虚约束复合铰链复合铰链I虚约束虚约束平面机构的结构分析LPn323,2LPn例例1111：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束和虚约束, ,需明确指出

19、。需明确指出。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I平面机构的结构分析第四节第四节 平面机构的组成原理平面机构的组成原理和结构分析和结构分析一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理F=1F=0基本杆组：基本杆组：的的F0 的构件组，也称为基本杆组，也称的构件组，也称为基本杆组，也称阿苏尔杆组。阿苏尔杆组。杆组杆组平面机构的结构分析组成平面机构的基本杆组自由度：组成平面机构的基本杆组自由度：若基本杆组中的运动副全为低副，则：若基本杆组中的运动副全为低副，则：6, 4 LPnn和和PL的组合有：的组合有：二杆三副二杆三副级杆组级杆组四杆六副四杆六副级杆组级

20、杆组或或级杆组级杆组平面机构的结构分析外接副外接副内接副内接副按所含最高杆组级别机构命名方式：如按所含最高杆组级别机构命名方式：如级机构，级机构，级机构等。级机构等。平面机构的结构分析n杆组的特性（决定机构的特性）杆组的特性（决定机构的特性）n1 1、运动确定性、运动确定性n当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，组内各构件和内接副的运动也就随之确定。组内各构件和内接副的运动也就随之确定。n2 2、静力确定性、静力确定性n因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。n杆组结构不同，杆组中构件

21、和运动副的配置形式就不同，杆组结构不同，杆组中构件和运动副的配置形式就不同，就具有不同的运动学和动力学特性。就具有不同的运动学和动力学特性。n按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原动按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理。件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理。平面机构的结构分析优点：用杆组搭接，不会引入多余的约束和自由度，且机优点：用杆组搭接，不会引入多余的约束和自由度，且机构的自由度不变。构的自由度不变。1、结构分析的目的、结构分析的目的A）通过将已知机构分解为基本机构和）通过将已知机构分解为基本机构和若干基本杆组

22、，进若干基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的类型。而了解机构的组成，并确定机构的类型。B）利用机构组成原理搭接新机构。）利用机构组成原理搭接新机构。1）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构；）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构；2）选择基本杆组搭接新机构。）选择基本杆组搭接新机构。二、平面机构结构分析二、平面机构结构分析平面机构的结构分析1）除去机构的局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，确）除去机构的局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，确定原动件。定原动件。2）从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆）从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆II级组，当不可级组，当不可

23、能时再试拆能时再试拆III级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下出，只剩下I级机构。级机构。3）确定机构的级别。）确定机构的级别。注意：拆杆组前后自由度不发生变化，剩余部分还应是机构，复合铰链注意：拆杆组前后自由度不发生变化，剩余部分还应是机构，复合铰链应按复合的实际次数进行多次拆卸，原动件不同会直接影响机构拆解次应按复合的实际次数进行多次拆卸，原动件不同会直接影响机构拆解次序和结果。序和结果。2、结构分析的步骤、结构分析的步骤平面机构的结

24、构分析例例12：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机，并确定机构的级别构的级别。（构件。（构件1为原动件）为原动件）7132456835F=3 2-2 3=0F=3 4-2 6=0该机构为该机构为级机构级机构F=3 1-2 1=1平面机构的结构分析713246835例例13：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机，并确定机构的级别构的级别。（构件。（构件6为原动件）为原动件）该机构为该机构为级机构级机构平面机构的结构分析例例14：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机构的级别。（构件构的级别。（构件7为原动件）为原动件）713246835该机构为该机构为级机构级机构平面机构的结构分析2、杆组的各个外接副不可以同时加在同一个构件上，否、杆组的各个外接副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。则将成为刚体。注意：注意：1、杆组的外接副参与搭接，且必须搭在运动已确定处。、杆组的外接副参与搭接，且必须搭在运动已确定处。外接副外接副内接副内接副平面机构的结构分析三、高副低代三、高副低代（一）定义（一）定义（二）目的（二）目的使平面