机械原理第1章

1、第一章第一章 机构的结构分析机构的结构分析机机 械械 原原 理理 1-1 研究机构结构的目的机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面：机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面：一、对已有机械进行分析一、对已有机械进行分析二、设计新的机械二、设计新的机械机构的选型机构的选型机构的动力设计机构的动力设计机械系统总体运动方案设计机械系统总体运动方案设计设计机构设计机构机构的运动设计机构的运动设计机械的结构分析机械的结构分析机械的运动分析机械的运动分析机械的动力分析机械的动力分析本章主要研究机构的结构分析与综合本章主要研究机构的结构分析与综合其目的是：其目的是：、研究组成机构的要素及机构具有确定运

2、动的条件、研究组成机构的要素及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、研究机构运动简图的绘制、研究机构运动简图的绘制、研究机构结构的综合方法、研究机构结构的综合方法1-2 1-2 机构的组成机构的组成一、机构的组成要素一、机构的组成要素、构件、构件作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件构件一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。干个不同零件组装起来的刚性体。零件零件制造单元体制造单元体 构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体、运动副、运动

3、副由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为 运动副。运动副。两构件上参与接触构成运动副的部分称为两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。运动副元素。对对运动副运动副的理解要把握以下三点：的理解要把握以下三点：（）运动副是一种联接；（）运动副是一种联接；（）运动副由两个构件组成；（）运动副由两个构件组成；（）组成运动副的两个构件之间有相对运动（）组成运动副的两个构件之间有相对运动运动副是机械原理中最重要的概念之一运动副是机械原理中最重要的概念之一以上是机构的两大组成要素以上是机构的两大组成要素可以说：可以说：机构是由运动副逐一联接各个构

4、件组成的。机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。二、运动副的分类二、运动副的分类 组成机构的运动副的类型决定机构的组成机构的运动副的类型决定机构的运动形式。运动副有多种类型，对运动副运动形式。运动副有多种类型，对运动副进行正确的分类，在机构设计和综合中是进行正确的分类，在机构设计和综合中是非常重要的。非常重要的。运动副的分类：运动副的分类： 1)1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： I级副级副II级副级副III级副级副I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。IV级副级副V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联、根据组成运动副的两个运动副元素的接

5、触情况分类、根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类球面高副球面高副柱面高副柱面高副运动副元素运动副元素以点或线接触以点或线接触的运动副称为的运动副称为高副。高副。运动副元素以面接触的运动副称为低副。运动副元素以面接触的运动副称为低副。球面低副移动副转动副、根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类、根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类空间运动副空间运动副球销副螺旋副圆柱套筒副平面运动副平面运动副移动副转动副三、运动链与机构三、运动链与机构开式运动链开式运动链闭式运动链闭式运动链机构机构 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

6、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。 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。构件平面运动类型构件平面运动类型 定轴转动、直线移动、平面平行运定轴转动、直线移动、平面平行运动、一般平面运动。动、一般平面运动。构件运动方式构件运动方式 连续单向运动、间歇单向运动、连续往连续单向运动、间歇单向运动、连续往复运动、间歇往复运动等。复运动、间歇往复运动等。 . .机构的种类可以根据其运动传递与转换的特征来机构的种类可以根据其运动传递与转换的特征来进行区分。进行区分。 例如：例如： 连续转动连续转动往

7、复直线移动往复直线移动连续转动连续转动双向摆动双向摆动连续转动连续转动带停歇往复直线移动带停歇往复直线移动连续转动连续转动连续转动连续转动连续转动连续转动单向直线移动单向直线移动连续转动连续转动单向间歇转动单向间歇转动为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、构件的数目、运动机构的运动：与原动件运动规律、构件的数目、运动副类型、机构运动尺寸有关。副类型、机构运动尺寸有关。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

8、根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺按一定的比例尺定出各运动副的位置定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代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。表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、构件的数目、运动机构的运动：与原动件运动规律、构件的数目、运动副类型、机构运动尺寸有关。副类型、机构运动尺寸有关。常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084常见运动副符号的表示常

9、见运动副符号的表示: 国标国标GB446084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平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212构件表示法：构件表示法：双副构件：双副构件：构件的表示方法构件的表示方法: :一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同

10、一构件同一构件三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质副的性质。常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件条件： 1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、数目与实际相符 3.运动

11、副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动绘制机构运动简图绘制机构运动简图顺口溜：顺口溜：先两头，后中间，先两头，后中间， 从头至尾走一遍，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，数数构件是多少， 再看它们怎相联。再看它们怎相联。思路：思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。动副的类型，并用符号表示出来。例例1 1破碎机运动简图的绘制破

12、碎机运动简图的绘制过程过程1） 搞清机构的组成。搞清机构的组成。 2） 找出运动副。找出运动副。 3） 确定比例。确定比例。 4） 确定构件的长度。确定构件的长度。 5） 在一般工作位置，画在一般工作位置，画出运动副相对位置及构件，出运动副相对位置及构件，并标出原动件。并标出原动件。 ABCDADBC作者：潘存云教授1234绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的运动简图的运动简图偏心泵偏心泵绘制牛头刨床机构的运动简图绘制牛头刨床机构的运动简图你能作出下列机构运动简图吗？你能作出下列机构运动简图吗？ 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构自由度的计算机构自由度的计算 计算计算机构自由度应注意

13、的事项机构自由度应注意的事项本讲教学内容本讲教学内容为本讲重点为本讲重点本讲教学目标本讲教学目标 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 会计算机构自由度并清楚其注意事项会计算机构自由度并清楚其注意事项1-4 1-4 机构自由度的计算机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算(1)(1)自由度与约束自由度与约束构件独立运动的数目称为构件独立运动的数目称为自由度自由度xyzxyz对构件运动的限制作用称为对构件运动的限制作用称为约束约束1-4 1-4 机构自由度的计算机构自由度的计算(2)(2)机构机构自由度自由度机构独立运动的数目称为机构的机构独立运动的数目称

14、为机构的自由度自由度什么是独立运动什么是独立运动? ?(3)(3)平面机构自由度的公式平面机构自由度的公式机构自由度机构自由度:机构中各活动构件机构中各活动构件相对于机架的可能独立运动的相对于机架的可能独立运动的数目。数目。作平面运动的自由构作平面运动的自由构件有件有3个独立运动。个独立运动。OxY112设设n为活动构件数为活动构件数PL为低副数为低副数PH为高副数为高副数则平面机构的自由度公式：则平面机构的自由度公式：HLPPnF23 实例分析实例分析 四杆机构动画四杆机构动画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

15、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五杆机构五杆机构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。

16、二、机构具有确定运动的条件二、机构具有确定运动的条件123ACB4Dn=3,PL=4,PH=1,F=0231n=2,PL=3,F=0n=3,PL=5,F= 1B2C4ADE13n=3,PL=4,F=1 14123ABCDC2B54ADE13n=4,PL=5,F=2结论：结论：1.机构可能运动条件是机构可能运动条件是：机构的自由度数机构的自由度数F1或或F12.机构具有确定运动的机构具有确定运动的条件是：条件是：机构的原动件数机构的自机构的原动件数机构的自由度数。由度数。 计算公式：计算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：要求：记住上述公式，并能熟练应用。记住上述公式，并能熟练应用。例题例

17、题计算计算曲柄滑块机构曲柄滑块机构的自由度。的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 3低副数低副数PL= 4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH=0S3123三、计算机构自由度时应注意的事项1. 1. 复合铰链复合铰链由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由由m m个构件构成的复合铰链应当包含个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)(m-1)个转动副。个转动副。1.1.复合铰链复合铰链：324A2CB134DE5636253F？复合铰链复合铰链由个由个m构件在一处构件在一处 组成组成轴线重合轴线重合的转

18、动副。的转动副。实际有实际有(m-1)个个转动副。转动副。107253F所以该机构的自由度应为：所以该机构的自由度应为：在在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。例题计算图示圆盘锯机构的自由度。例题计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF圆盘锯机构圆盘锯机构2.2.局部自由度局部自由度指机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，指机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度

19、。即与整个机构运动无关的自由度。21ACB4321ACB3213233F?112232F3. 3. 虚约束虚约束应在计算结果中加上虚约束数，或先将产生虚约束的构件和应在计算结果中加上虚约束数，或先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。运动副去掉，然后再进行计算。在机构中，有些约束所起的限制作用可能是在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复重复的，这种不的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。起独立限制作用的约束称为虚约束。3.3.虚约束虚约束指机构中那些对构件间的相对运动不起独立限指机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制作用的重复约束。制作用的重复约束。ABCDEF123ADB

20、CE4F506243F？例例1123ADBCE14233F常见的虚约束：常见的虚约束：1.机构中联结构件与被联结构件的机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合轨迹重合06243F？14233F3CAD=BD=DC2AB14D常见的虚约束：常见的虚约束：2.两构件组成若干个导路中心线两构件组成若干个导路中心线互相平行或重叠的互相平行或重叠的移动副移动副2CAB13414233F带虚约束的曲轴带虚约束的曲轴3）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。4）在机构整个运

21、动过程中，其中某两构件上两点之间的距离）在机构整个运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始终不变。始终不变。带带虚约束的杆机构虚约束的杆机构5）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。约束。带虚约束的行星轮系带虚约束的行星轮系作者：潘存云教授6.6.两构件构成高副，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。如如等宽凸等宽凸轮轮W注意：注意：法线不重合时，法线不重合时，变成实际约束！变成实际约束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA虚约束的本质是什么虚约束的本质是什么? ?从运动的角度看从运动的角度看,

22、,虚约束就是虚约束就是“重复的约束重复的约束”或者是或者是“多余的约束多余的约束”。虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! !作者：潘存云教授作者：潘存云教授B2I9C 3A1J6H87DE4FG5计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：分析：活动构件数活动构件数n：A1B2

23、I9C 3J6H87DE4FG592个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度2个个虚约束虚约束: 1处处I8去掉局部自由度和虚约去掉局部自由度和虚约束后：束后： n =6PL = 7F=3n 2PL PH =36 27 3 =1PH =3例例 1 1 图示牛头刨床图示牛头刨床设计方案草图。设计方案草图。 试问试问图示的构件组合是否图示的构件组合是否能达到此目的？能达到此目的？1 12 23 34解：首先计算设计方案草解：首先计算设计方案草图的自由度图的自由度0624323HPPnFL即表示如果按此方案设计机即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必构，机构是不能运动的。必须修改

24、，以达到设计目的。须修改，以达到设计目的。该如何修改？该如何修改？改进措施：改进措施：1 1、增加一个低副和一个活动构件；、增加一个低副和一个活动构件；2 2、用一个高副代替低副。、用一个高副代替低副。改进方案改进方案11 12 23 34改进方案改进方案21 12 23 34改进方案改进方案31 12 23 34改进方案改进方案41 12 23 34改进方案改进方案51 12 23 34改进方案改进方案61 12 23 34改进方案改进方案71 12 23 34本讲教学内容本讲教学内容 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 结构分类及结构分析结构分类及结构分析 平面机构中的高副低代平面机构中

25、的高副低代掌握机构组成原理及结构分析方法掌握机构组成原理及结构分析方法了解高副低代的方法了解高副低代的方法本讲教学目标本讲教学目标为本讲重点为本讲重点1-5 1-5 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析一、机构的组成原理一、机构的组成原理 a)原动件作移动原动件作移动 (如直线电机、如直线电机、 流体压力作动筒流体压力作动筒)。21 b)原动件作转动原动件作转动 (如电动机如电动机)。211.1.基本机构基本机构 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。1-5 1-5 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析2.2.基本杆

26、组基本杆组定义：定义：最简单的最简单的F0的构件组，称为基本杆组。的构件组，称为基本杆组。机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是原动件数自由度原动件数自由度。F=1F=0现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成了基现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成了基本机构，其本机构，其F1。剩下的构件组必有。剩下的构件组必有F0。将构件组继续拆分成。将构件组继续拆分成更简单更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。的构件组，直到不能再拆为止。举例：举例：将图示六杆机构拆分成基本机构和基本杆将图示六杆机构拆分成基本机构和基本杆组。组。F=3x4-2x6=0但不是最简单的但不

27、是最简单的F0的运动链！的运动链！F3x2-2x3=0F3x2-2x3=0F=0的不可再拆分的最简的不可再拆分的最简单的运动链基本杆组单的运动链基本杆组该机构由两个基本杆组和原动件、机架组成该机构由两个基本杆组和原动件、机架组成这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。从动件组。 通常把这样的从动件组称为：通常把这样的从动件组称为：基本杆组基本杆组基本杆组的概念非常重要，它是机构分析基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。的重要的理论基础。机构的组成原理机构的组成原理 任何机构都可以看作是由任何机构都可以

28、看作是由若干个基本杆组依次连接于若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的原动件和机架上所组成的推论：推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。机构的组成原理：机构的组成原理： 机构基本机构基本杆组机构基本机构基本杆组如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：计算公式为：023LPnFLPn32 由于活动构件数由于活动构件数n和低副数和低副数PL都必须是整数，所以都必须是整数，所以 n应是应是 的倍数，的倍数，

29、 PL应是应是 的倍数。的倍数。 这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：有以下关系：n=2, PL=3n=4, PL=6n=6, PL=9二、基本杆组的类型二、基本杆组的类型 最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为称之为级杆组。级杆组。级杆组是机构中最常见的一类基本杆组级杆组是机构中最常见的一类基本杆组级杆组有以下五种形式：级杆组有以下五种形式：（）（）RRR杆组杆组（）（）RRP杆组杆组（）（）RPR杆组杆组（）（）PRP杆组杆组（）（）RPP杆组杆组 n

30、=4 （PL6 6）的杆组有以下四种类型的杆组有以下四种类型: :以上三种形式称为以上三种形式称为级组级组。结构特点：其中一个构件。结构特点：其中一个构件有三个运动副。有三个运动副。级组级组第四种形式称为第四种形式称为IVIV级组。级组。结构特点：结构特点： 有两个三副杆，且有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。个构件构成四边形结构。内端副内端副杆组内部相联。杆组内部相联。外端副外端副与组外构件相联。与组外构件相联。机构命名方式：机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如按所含最高杆组级别命名，如级机构级机构，级级机构机构等。等。必须强调指出：必须强调指出： 1.杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：否则将成为刚体。如： 2.机构的级别与原动件的选择有关。机构的级别与原动件的选择有关。剩下的部分仍为机构剩下的部分仍为机构3级杆组2级杆组此机构由原动件、机架、此机构由原动件、机架、一个一个3级杆组和一个级杆组和一个2级杆级杆组构成组构成此为此为3级机构级机构机构拆组的一般原则