机械设计基础第2章平面机构的运动简图及自由度ppt课件

1、第2章 平面机构的运动简图及自在度 2.1 运动副及其分类运动副及其分类2.2 平面机构运动简图平面机构运动简图2.3 平面机构的自在度平面机构的自在度习习 题题 2.1 运动副及其分类运动副及其分类 2.1.1 低副低副 两构件以面接触的运动副称之为低副。分为回转副和挪动副。两构件以面接触的运动副称之为低副。分为回转副和挪动副。 1. 回转副回转副 假设组成运动副的两个构件只能在一个平面内作相对转动，假设组成运动副的两个构件只能在一个平面内作相对转动， 这种运动副称为回转副，或称铰链。如图这种运动副称为回转副，或称铰链。如图2-2(a)所示的轴承所示的轴承1与轴与轴2组成的回转副，它有一个构

2、件是固定的，故称为固定铰链。图组成的回转副，它有一个构件是固定的，故称为固定铰链。图2-2(b)所示构件所示构件1与构件与构件2也组成了回转副，它的两个构件都未固也组成了回转副，它的两个构件都未固定，故称为活动铰链。例如图定，故称为活动铰链。例如图1-1中曲轴与气缸体所组成的回转中曲轴与气缸体所组成的回转副是固定铰链，活塞与连杆、连杆与曲轴所组成的回转副是活动副是固定铰链，活塞与连杆、连杆与曲轴所组成的回转副是活动铰链。铰链。 图2-2 回转副 2. 挪动副 假设组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对挪动，这种运动副称为挪动副。图2-3中构件1与构件2组成的是挪动副。例如图1-1所示活塞和气缸

3、体所组成的运动副就是挪动副。 图2-3 挪动副 2.1.2 高副高副 两构件经过点或线接触组成的运动副称为高副。两构件经过点或线接触组成的运动副称为高副。 它们的相它们的相对运动是转动和沿切线对运动是转动和沿切线t-t方向的挪动。图方向的挪动。图2-4(a)中的车轮中的车轮1与钢与钢轨轨2，(b)中的凸轮中的凸轮1与从动件与从动件2，(c)中的轮齿中的轮齿1与轮齿与轮齿2，分别在，分别在其接触处其接触处A组成高副。组成高副。 由以上分析可知，对于平面低副不论是转动副还是挪动副，两构件之间的相对运动只能是转动或挪动， 故它是具有一个自在度和两个约束条件的挪动副。对于平面高副其相对运动为转动兼挪动

4、，所以，它是具有两个自在度和一个约束条件的挪动副。 2.2 平面机构运动简图平面机构运动简图 图2-7 低副构件的表示方法 图2-8 可以组成三个回转副的构件 普通机构中的构件可分为三类： (1) 固定件(机架)：用来支承活动构件的构件。例如图1-1中的气缸体就是固定件，用以支承活塞和曲轴等。在研讨机构中活动构件的运动时，常以固定件作为参考坐标系。 (2) 原动件：运动规律知的活动构件，它的运动规律是由外界给定的。比如内燃机中的活塞就是原动件。 (3) 从动件：机构中随着原动件的运动而运动的其他活动构件。比如内燃机的连杆和曲轴都是从动件。从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的组成情况。

5、任何一个机构中， 必有一个构件被相对当作固定件。例如：气缸体虽然随着汽车运动，但在研讨发动机的运动时，仍把气缸体当作固定件。在活动构件中必需有一个或几个原动件，其他的都是从动件。下面举例阐明机构运动简图的绘制方法。 【例2-1】绘制图2-9(a)所示内燃机的机构运动简图。 解 图2-9(a)所示的内燃机是由活塞1、连杆2、曲轴3与气缸体4组成的曲柄滑块机构；同曲轴3固联的齿轮5，同凸轮轴7固联的齿轮6与气虹体4组成的齿轮机构；凸轮7、进气阀顶杆8与气缸体4组成的凸轮机构(排气阀在图中未画出)共同组成的。气缸体4作为机架，是固定件；燃气推进下的活塞1是原动件；其他构件都是从动件。 各构件之间的联

6、接方式如下：5和6， 7和8之间构成高副； 1和4，8和4之间构成挪动副；7和4， 2和1， 2和3， 3和4之间均为相对转动， 构成回转副。 图2-9 内燃机及其机构运动简图 2.3 平面机构的自在度平面机构的自在度 2.3.1 平面机构的自在度平面机构的自在度 平面运动的自在构件具有三个自在度。当两个构件组成运平面运动的自在构件具有三个自在度。当两个构件组成运动副以后，它们之间的相对运动就会遭到约束，相应的自在度动副以后，它们之间的相对运动就会遭到约束，相应的自在度数也随之减少。所以，不同类型的运动副遭到的约束数不同，数也随之减少。所以，不同类型的运动副遭到的约束数不同，剩下的自在度数也不

7、同。对于每个低副剩下的自在度数也不同。对于每个低副(回转副或挪动副回转副或挪动副)那么那么引入两个约束而剩下一个自在度；对于每个高副那么引入一个引入两个约束而剩下一个自在度；对于每个高副那么引入一个约束而剩下两个自在度。约束而剩下两个自在度。 假设一个平面机构有N个构件，其中必有一个构件是机架(固定件)，该构件遭到三个约束而自在度自然为零。此时，机构的活动构件数为nN1。显然，这些活动构件在未衔接组成运动副之前总共应具有3n个自在度。而当这些构件用运动副联接起来组成机构之后，其自在度数即随之减少。假设机构中共有pL个低副和pH个高副，那么这些运动副引入的约束总数为2pL+pH。 所以，用活动构

8、件总的自在度数减去运动副引入的约束总数就是机构的自在度数。机构的自在度用F表示，即: HLppnF23(2-1) 式中： n机构的活动构件数； pL机构中低副个数； pH机构中高副个数。上式就是机构自在度的计算公式，它阐明机构的自在度数、活动构件数和运动副数之间的关系。显然，只需在自在度大于零时机构才能够动，而自在度等于零时，机构是不能够产生任何相对运动的。因此，机构能具有相对运动的条件是F0。 运用式(2-1)计算机构自在度时，F0的条件只阐明机构可以动，并不能阐明机构能否有确定运动。因此，尚需进一步讨论在什么条件下机构才有确定运动。现举例阐明：图2-10所示为一四杆机构。其活动构件数n=3

9、；低副数pL4；高副数pH0。所以，机构的自在度为 10423323HLppnF图2-11所示为一五杆机构，其自在度为 F=3n-2pL-pH=34-25-0=2 图2-10 铰链四杆机构 图2-11 铰链五杆机构 2.3.2 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 由以上计算可知，两者自在度皆大于零，阐明机构可以运由以上计算可知，两者自在度皆大于零，阐明机构可以运动。动。 但能否有确定运动，还需进一步讨论。对于图但能否有确定运动，还需进一步讨论。对于图2-10所示所示的机构来说自在度为的机构来说自在度为1，所以，当给定某一构件以知运动规律，所以，当给定某一构件以知运动规律(图中设定为构

10、件图中设定为构件1，通常称为自动件，通常称为自动件)时，那么其他构件均能时，那么其他构件均能作确定的运动，且为知运动规律的函数。而图作确定的运动，且为知运动规律的函数。而图2-11机构的自在机构的自在度为度为2，即假设给定两个构件，即假设给定两个构件(例如构件例如构件1和和4)以知运动规律时，以知运动规律时， 那么其他构件才干有确定运动。否那么，如仅给定一个构件以那么其他构件才干有确定运动。否那么，如仅给定一个构件以知运动规律，那么其他构件将不会有确定运动。知运动规律，那么其他构件将不会有确定运动。 图2-12 刚性桁架 对于图2-12所示的构件组合， 其自在度为 00322322HLppnF

11、计算结果F0，阐明该构件组合中一切活动构件的总自在度数与运动副所引入的约束总数相等，各构件间无任何相对运动的能够，它们与机架(固定件)构成了一个刚性桁架，因此也就不称其为机构。但它在机构中，可作为一个构件处置。 2.3.3 计算平面机构自在度时应留意的一些问题计算平面机构自在度时应留意的一些问题 1. 复合铰链复合铰链 复合铰链是由两个以上的构件经过回转副并联在一同所构复合铰链是由两个以上的构件经过回转副并联在一同所构成的铰链。图成的铰链。图2-13(a)为一钢板剪切机的机构运动简图，为一钢板剪切机的机构运动简图，B处是处是由由2，3和和4三个构件经过两个轴线相重合的回转副并联在一同的三个构件

12、经过两个轴线相重合的回转副并联在一同的复合铰链，其详细构造如图复合铰链，其详细构造如图2-13(b)所示。因此，在统计回转副所示。因此，在统计回转副数目时应根据运动副的定义按两个回转副计算。同理，当用数目时应根据运动副的定义按两个回转副计算。同理，当用K个构件组成复合铰链时，其回转副数应为个构件组成复合铰链时，其回转副数应为(K-1)个。这样，该机个。这样，该机构共有活动构件数构共有活动构件数n=5，低副数，低副数pL7(其中滑块其中滑块5与机架构成挪与机架构成挪动副，动副， 其他均为回转副其他均为回转副)，高副数，高副数pH=0。所以，由式。所以，由式(2-1)得该得该机构自在度为机构自在度

13、为 F=3n-2pL-pH=35-27-0=1 图图2-13 钢板剪切机构及其复合铰链钢板剪切机构及其复合铰链 2. 部分自在度部分自在度 图2-14 部分自在度 3. 虚约束 虚约束是指机构运动分析中不产生约束效果的反复约束， 在计算机构的自在度时，应将虚约束去除。图2-15为一四杆机构，如以n3，pL=5，pH=0代入式(2-1)，那么其自在度为 F=3n-2pL-pH=33-25-0=-1 此结果为F0，阐明该机构根本不能动。但稍加分析便知，假设取1为自动件，那么机构不但可动而且还具有完全确实定运动。其所以与计算结果不符，是由于构件3与机架在C和D处组成两个挪动副，且杆3的运动与两挪动副

14、的导路中心线重合。因此，这两个挪动副之一实践上并未起到约束作用，即从运动角度来看， 去掉一个挪动副(C或D)，并不影响杆3作程度方向挪动。 因此， 在计算机构自在度时，应将其中之一(C或D)作为虚约束处置， 即除去不计。 这样， 机构的自在度为 F=3n-2pL-pH=33-24-0=1 此结果与实践情况一致。 图2-15 机构中的虚约束两构件同时在几处接触而构成多个挪动副，且各挪动副的导路相互平行 图2-16(a)、(b)所示为机车车轮联动安装和机构运动简图。图中的构件长度为lAB=lCD=lEF, lBC=lAD, lCE=lDF。该机构的自在度为 F=3n-2pL-pH=34-26-0=

15、0 图2-16 机车车轮联动机构中的虚约束运动轨迹重合 按照上述计算结果，普通而论，这类机构是不能运动的。 但在某些特定的几何条件下，出现了虚约束，机构就可以产生运动。 为了便于分析，将构件4及回转副E、F撤除，得图c所示机构运动图。又由题中给定的构件长度关系可知，ABCD为一平行四边形，BC一直平行于AD，所以连杆BC作平动，其上任一点的轨迹外形一样，连杆上E点的轨迹是以F为中心，EF为半径的圆弧。显然，无论构件4及回转副E、F能否存在对整个机构的运动都不发生影响。也可以说，构件4和回转副E、F引入的一个约束不起限制造用，是虚约束。 除去虚约束之后，如图c所示。求得该机构的自在度 F=3n-

16、2pL-pH=33-24-0=1 该当指出，虚约束是在特定的几何条件下构成的，它的存在虽然对机构的运动没有影响，但是它可以改善机构的受力情况， 加强机构任务的稳定性。假设这些特定的几何条件不能满足，那么虚约束将会变成实践约束，使机构不能运动。因此，在采用虚约束的机构中对它的制造和装配精度都有严厉的要求。 归纳起来， 在下述场所中常出现虚约束： 1 运动轨迹重合时， 如图2-16所示。 (2) 两构件同时在几处接触而构成多个挪动副，且各挪动副的导路相互平行时，其中只需一个起约束作用，其他都是虚约束，如图2-15。 (3) 两构件同时在几处配合而构成几个回转副，且各回转副轴线相互重合时，这时只需一

17、个回转副起约束作用，其他都是虚约束。例如回转轴通常都有两个或两个以上同心轴承支持， 但计算时只取一个。 (4) 机构中对运动不起约束作用的对称部分。如图2-17所示的行星轮机构，三个行星轮2，2，2对称布置，且作用一样， 故计算时只取其一，其他为虚约束。 图2-17 行星轮机构 机构中对运动不起约束作用的对称部分习习 题题 2-1 什么是运动副？平面运动副分为哪几类？各种平面运动副的约束性质如何？ 2-2 平面机构的运动确定条件是什么？机构中从动件的运动规律取决于哪些要素？ 2-3 题2-3图所示为一手摇唧筒， 试绘制其机构运动简图。 2-4 题2-4图所示为一缝纫机下针机构， 试绘制其机构运动简图。 题2-3图 手摇唧筒 题2-4图 缝纫机下针机构 2-5 试绘制如题2-5图所示四种机构的运动简图。 2-6 简易冲床机构如题2-6图所示， 原动件1经过固定在其上面的圆销A带动滑块2绕固定轴心O1点转动，滑块2又带动导槽3与圆盘3固定衔接绕固定轴心O2点转动，经过连杆4带动冲头5在机架6中作上下往复运动。 试求： 1 绘制机构的运动简图； 2 计算机构自在度，判别机构从动件能否具有确定的相对运动？ 题2-5图 四种机构的运动图 题2-6图 简易冲床机构 2-7 如题2