绪论及机构组成原理及可动性分析

1、一、机械原理课程的研究对象一、机械原理课程的研究对象指执行机械运动的装置，它用来变换和指执行机械运动的装置，它用来变换和传递能量、物料与信息。传递能量、物料与信息。绪绪 论论1、对象：、对象：2、机器：、机器：而机械是机器与机构的总称。而机械是机器与机构的总称。是机械。是机械。内燃机插齿机构是能量变换的装置，即可将某种形是能量变换的装置，即可将某种形式的能量变换成机械能，或者把机式的能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。械能变换成其他形式的能量。是完成有用的机械功或者是搬运是完成有用的机械功或者是搬运物品。物品。是用来获得和变换信息。是用来获得和变换信息。 机器一定要作机械运动，

2、并通过运动来实机器一定要作机械运动，并通过运动来实现能量物料和信息的变换。现能量物料和信息的变换。机器与其它装置的主要区别是：机器与其它装置的主要区别是：平底凸平底凸轮机构轮机构内燃机内燃机连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构间歇运动机构间歇运动机构带传动和链传动机构带传动和链传动机构螺旋机构螺旋机构组合机构组合机构常用的机构常用的机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构曲柄摇杆机构滚轮凸轮机构齿轮机构齿轮机构间歇运动机构间歇运动机构螺旋机构螺旋机构直齿轮的啮直齿轮的啮合合电影机构螺旋机构凸轮组合机构组合机构组合机构一一.机械原理课程的性质机械原理课程的性质: 它的任务它的任务是使学生

3、掌握机构学和机械动力学的基本是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能，初步具有拟定机械传动方理论、基本知识和基本技能，初步具有拟定机械传动方案、分析和设计机构的能力。案、分析和设计机构的能力。0-2 机械原理课程的内容机械原理课程的内容 是研究机械性能分析与设计的基本理论与方法的专业是研究机械性能分析与设计的基本理论与方法的专业基础课程之一。基础课程之一。机构分析：机构分析：根据给定的机构运动简图来研究机构的运动特性和传力特性。根据给定的机构运动简图来研究机构的运动特性和传力特性。机构综合：机构综合：根据给定的机构运动特性和传力特性来设计机构运动简图。根据给定的机构运动特性

4、和传力特性来设计机构运动简图。二二.机械原理研究的基本问题：机械原理研究的基本问题：机械原理研究的基本问题：机械原理研究的基本问题：机构分析机构分析机构综合机构综合3、机构系统运动方案设计。、机构系统运动方案设计。三三.机械原理的教学内容机械原理的教学内容1、研究机构的组成及具有确定运动的条件。、研究机构的组成及具有确定运动的条件。2、研究四种基本机构的特性和设计方法：、研究四种基本机构的特性和设计方法：连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构.4、机构及其系统动力学设计。、机构及其系统动力学设计。1-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一

5、.机构的组成机构的组成组成要素组成要素构件构件运动副运动副构件是由一个或若干构件是由一个或若干个零件组成。个零件组成。 （一）构件（一）构件零件零件制造的单元体。制造的单元体。齿轮齿轮轴轴键键构件分成构件分成机架（或固定构件）机架（或固定构件）活动构件活动构件主动件主动件从动件从动件运动规律已知的活动构件称为运动规律已知的活动构件称为原动件。原动件。作用有驱动力或驱动力矩的活动构件称为作用有驱动力或驱动力矩的活动构件称为主动件。主动件。输出运动或动力的从动件称为输出运动或动力的从动件称为输出件。输出件。机构中的运动单元体。机构中的运动单元体。内燃机 用运动副联结后，彼此的相对用运动副联结后，彼

6、此的相对运动受到某些约束运动受到某些约束. 两个构件在用运动副联结前有六个独立的相对运动。两个构件在用运动副联结前有六个独立的相对运动。构件构件2xzy构件构件1O机构中两构件直接接触的可动联接。机构中两构件直接接触的可动联接。1-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一.机构的组成机构的组成（一）构件（一）构件（二）运动副（二）运动副转动副21 （1） 根据运动副对被联结的两个构件相对运动约束数根据运动副对被联结的两个构件相对运动约束数的不同，可将运动副分为的不同，可将运动副分为 至至 级副级副1-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一.机构的组成机构的组成（一）构件（一）

7、构件（二）运动副（二）运动副球面副（球面副（ 级副）级副）球销副（球销副（ ）转动副（转动副（ ） 球销副转动副（2） 根据运动副中构件间的接触形式分：根据运动副中构件间的接触形式分：移动副移动副转动副转动副 常用的运动副常用的运动副齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副低副低副：面接触的运动副：面接触的运动副 高副高副 ：点、线接触的运动副。：点、线接触的运动副。（3）根据构件间的相对运动分：根据构件间的相对运动分：平面平面运动副运动副空间空间运动副运动副转动副移动副齿轮副球顶凸轮副1-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一.机构的组成机构的组成（一）构件（一）构件（二）运动副（二）运动副（三）

8、运动链（三）运动链用运动副联结而成的相对可动用运动副联结而成的相对可动的构件系统称为的构件系统称为运动链运动链1234ABC1234ABCD123456ABCDEFG开式运动链开式运动链闭式运动链闭式运动链单闭环运动链单闭环运动链多闭环运动链多闭环运动链机械手运动链1-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一.机构的组成机构的组成（一）构件（一）构件（二）运动副（二）运动副（三）运动链（三）运动链（四）机构（四）机构1234ABCD机构是用来传递运动和力且有一个构件为机架的用运动副机构是用来传递运动和力且有一个构件为机架的用运动副联结而成的构件系统。联结而成的构件系统。机构的形成1-1

9、 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一一.机构的组成机构的组成（一）构件（一）构件（二）运动副（二）运动副（三）运动链（三）运动链（四）机构（四）机构二二. 机构运动简图机构运动简图 用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的图形。按比例作出的图形。121212212121转动副移动副直齿轮的啮合球顶凸轮副CAB12344D556内燃机ECAB1DFG2345678HI插齿机1-2 机构可动的运动学条件机构可动的运动学条件机构可动的条件机构可动的条件可动的运动学条件可动的运动学条件可动的力学条件可动的力学条件能动吗？能动吗

10、？一一.机构自由度的一般公式机构自由度的一般公式机构自由度机构自由度机构中各活动机构中各活动构件相对于机架的可能独立运构件相对于机架的可能独立运 动的数目。动的数目。含有运动副个数为：含有运动副个数为：运动副级别运动副级别运动副个数运动副个数p1p2p3p4p5则则)pp2p3p4p5 (n6F12345或或51kkkpn6F213ACB4D若机构中有若机构中有n个活动构件个活动构件，1-2 机构可动的运动学条件机构可动的运动学条件一一.机构自由度的一般公式机构自由度的一般公式二二.公共约束与平面机构自由度公共约束与平面机构自由度1.公共约束公共约束在有些机构中，由于运动副的特殊配置而使机在有

11、些机构中，由于运动副的特殊配置而使机 构中的所有活动构件共同失去了某些自由度，即构中的所有活动构件共同失去了某些自由度，即 给机构中的所有构件施加了某些给机构中的所有构件施加了某些公共的约束。公共的约束。1234ABCDOxzY12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。2 .平面机构自由度计算式（有平面机构自由度计算式（有3个公共约束）个公共约束）45p) 34(p) 35 (n) 36 (F45pp2n3F3 .具有具有m个公共约束的机构，其自由度计算式：个公共约束的机构，其自由度计算式：k51mkp)mk(n)m6(F123ACB例例m=4所以所以55pn2

12、p)45(n)46(F平面构件三自由度三三.机构可动的运动学条件机构可动的运动学条件1-2 机构可动的运动学条件机构可动的运动学条件一一.机构自由度的一般公式机构自由度的一般公式二二.公共约束与平面机构自由度公共约束与平面机构自由度45pp2n3FP5=4, P4=1,F=0n=3,n=2,P5=3,F=0231123ACB4Dn=3,P5=5,F= 1B2C4ADE13n=3,P5=4,F=1 14123ABCD 1 4C2B54ADE13n=4,P5=5,F=2C结论：结论：1.机构可能运动的条件是：机构可能运动的条件是：2.机构具有确定运动的条机构具有确定运动的条件是：件是： 即主动件数

13、等于机构即主动件数等于机构自由度数自由度数F 。输入的独立运动数目输入的独立运动数目等于机构自由度数等于机构自由度数F 。机构自由度数机构自由度数F 1。1-2 机构可动的运动学条件机构可动的运动学条件45pp2n3F四四.计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题（一）虚约束（一）虚约束虚约束虚约束机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制 作用的作用的重复约束重复约束。或称消极约束。或称消极约束。4F5ABCDEF123ADBCE06243F？123ADBCE14233F机构的虚约束机构的虚约束2常见的虚约束：常见的虚约束：1.机构中联结

14、构件与被联结构件的轨迹重合机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合06243F？14233F2.两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移动副互相平行或重叠的移动副2CAB13414233F3CAD=SD=DC2AB14D二维移动副虚约束常见的虚约束：常见的虚约束：4.在机构整个运动过程中，其中某两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。构件上两点之间的距离始终不变。5.机构中自由度机构中自由度F= 1的对称部分。的对称部分。ACBD12324CAB1325DEFBC=EF，AB=CD，BE=CF，AE=DF。21322O123233F3.两构件组成

15、若干个轴线互相重合的转动副。两构件组成若干个轴线互相重合的转动副。二维2Kh行星轮系四四.计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题（一）虚约束（一）虚约束（二）局部自由度（二）局部自由度局部自由度局部自由度机构中个别构件所具有的不影响其它构件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。运动，即与整个机构运动无关的自由度。21ACB43213233F?112232F45pp2n3F21ACB345pp2n3F四四.计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题（一）虚约束（一）虚约束（二）局部自由度（二）局部自由度（三）正确确定运动副的数目

16、（三）正确确定运动副的数目36253F？A2CB134DE56324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动副。的转动副。实际有实际有(m-1)个个转动副。转动副。例例如图所示如图所示F、B、D、C处是复合铰链处是复合铰链110273F二维直线运动机构A例例2CB13DE5647110273F45pp2n3F局部自由度局部自由度虚约束虚约束118263F 机构具有确定运动机构具有确定运动,因为主因为主动件数等于机构自由度数动件数等于机构自由度数F 。EABCDO FGH1-3 机构可动的力学条件机构可动的力学条件机构可动的力学条件机构可动的力学条件不考虑摩

17、擦时机构可动的力学条件不考虑摩擦时机构可动的力学条件考虑摩擦时机构可动的力学条件考虑摩擦时机构可动的力学条件一一.平面机构的压力角和传动角平面机构的压力角和传动角（一）压力角与传动角（一）压力角与传动角 在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使中驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受力点的受力点的速度方向线速度方向线所夹的锐角。所夹的锐角。vcFF1F21ABCD1234压力角压力角 ：传动角传动角 ：压力角的余角。压力角的余角。cos1FF sin2FF 越小，受力越好。 min越大，受力越好。许用传动角许用传动角

18、F0vcABC121FvB30?2aAB134Cbvc画出压力角画出压力角 B1231ACvF 3B132C（二）机构最小传动角位置的确定（二）机构最小传动角位置的确定1.铰链四杆机构中，原动件为铰链四杆机构中，原动件为AB为曲柄。为曲柄。4vcABCD1F123fmaxB2 C2B1minC1一一.平面机构的压力角和传动角平面机构的压力角和传动角（一）压力角与传动角（一）压力角与传动角当为锐角时，传动角当为钝角时，传动角180以以AB为原动件的曲柄摇杆机构，为原动件的曲柄摇杆机构，minmaxminmin)180( ,maxmin,当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输当曲柄和机架处于两共线

19、位置时，连杆和输出件的夹角最小和最大（出件的夹角最小和最大（ ）。）。bcadcb2)(arccos222minbcadcb2)(arccos222maxvcF1C4DAB123abcd 2.AB为主动的曲柄滑块机构为主动的曲柄滑块机构FvcB1C1max 只有使偏置方位、曲柄转向、输出件工作行程方向只有使偏置方位、曲柄转向、输出件工作行程方向正确匹配，方能保证最小传动角的瞬时位置，刚好处于正确匹配，方能保证最小传动角的瞬时位置，刚好处于工作较小的空回行程中。工作较小的空回行程中。34AaB1Cb12e 1当当 =90时，可得时，可得 min为为beaarccosmin1-3 机构可动的力学条

20、件机构可动的力学条件一一.平面机构的压力角和传动角平面机构的压力角和传动角二二.不考虑摩擦时机构可动的力学条件不考虑摩擦时机构可动的力学条件（一）机构的死点位置（一）机构的死点位置画出压力角画出压力角1C234ABDabcd死点位置死点位置在不计构件重力、惯性力和运动副中摩擦力的条在不计构件重力、惯性力和运动副中摩擦力的条件下，当机构处于传动角件下，当机构处于传动角 =0（或（或压力角压力角 =90）的机构位置。的机构位置。在此位置下，无论给机构主动件的驱动力或驱动力矩有多大，在此位置下，无论给机构主动件的驱动力或驱动力矩有多大，均不能使机构运动。均不能使机构运动。vB1FB1缝纫机主运动机构

21、缝纫机主运动机构踏板踏板D脚脚AB1C1vBFB B2C2 2aAB134CbvcvBFB请思考：请思考： 下列机构的死点位置在哪里；怎样使机构通过死点位置。下列机构的死点位置在哪里；怎样使机构通过死点位置。B123AC死点的利用：死点的利用：AB1C1DB2C2地面地面飞机起落架机构飞机起落架机构（二）不考虑摩擦时机构可（二）不考虑摩擦时机构可 动的力学条件动的力学条件其条件是：其条件是：该机构不处于死点位置。该机构不处于死点位置。三三.考虑摩擦时机构可动的力学条件考虑摩擦时机构可动的力学条件1-3 机构可动的力学条件机构可动的力学条件一一.平面机构的压力角和传动角平面机构的压力角和传动角二

22、二.不考虑摩擦时机构可动的力学条件不考虑摩擦时机构可动的力学条件 机构中的运动副是可动联结，但若其中有一个运动副在外机构中的运动副是可动联结，但若其中有一个运动副在外力及摩擦力的作用下变成不可动联结，则机构显然不可动。力及摩擦力的作用下变成不可动联结，则机构显然不可动。（一）运动副中的摩擦和自锁（一）运动副中的摩擦和自锁B ANBAFBARBA P 当当 时，若滑块时，若滑块A原来原来静止，则无论外力静止，则无论外力P增止多大，增止多大，均不能使滑块均不能使滑块A运动，即称之运动，即称之谓移动副的自锁。谓移动副的自锁。1 .移动副移动副vAB注意：注意：总反力总反力RBA的方向总是逆着相对运动

23、的方向总是逆着相对运动vAB而与相对而与相对 运动方向成（运动方向成（90+ ）。）。三三.考虑摩擦时机构可动的力学条件考虑摩擦时机构可动的力学条件（一）运动副中的摩擦和自锁（一）运动副中的摩擦和自锁1 .移动副移动副2 .转动副转动副MdPRBAFBANBA 总反力总反力RBApNf1FNRBA22BA2BABArf1fRrFRM2BABABAf径向力径向力P和径向力矩和径向力矩Md合成为一驱动力合成为一驱动力PPP pMhdP摩擦圆摩擦圆BAr轴颈轴颈O摩擦圆的半径摩擦圆的半径 ：rfrf1f02f0_当量摩擦系数当量摩擦系数结论：结论： （1）总反力总是切于摩擦圆，产生的摩擦力矩逆着）总

24、反力总是切于摩擦圆，产生的摩擦力矩逆着相对转动方向相对转动方向;（2）当）当h时，即时，即 与摩擦圆相割或相切，产生自锁。与摩擦圆相割或相切，产生自锁。PPh三三.考虑摩擦时机构可动的力学条件考虑摩擦时机构可动的力学条件（一）运动副中的摩擦和自锁（一）运动副中的摩擦和自锁 （二）机构的自锁区（二）机构的自锁区32AB14CF（驱动力）驱动力）M1阻力矩阻力矩 21 23032R012RR12R32 F43R32R21R41hhRM21由驱动力由驱动力F通过运动副传给构件通过运动副传给构件1的力矩的力矩32A14F（驱动力）驱动力）C1R21R23R21R23B12 1B1B 32AB214R2

25、1R21R23R232 22B2B C2自锁区自锁区 两临界自锁位两临界自锁位置所包含的区间。置所包含的区间。21R12ObLnn =9002N 02F 02N02Fxy 对于传动角始终为对于传动角始终为90的机构，的机构，其传力性能最佳且无死点。但是，其传力性能最佳且无死点。但是，即使只移动副的摩擦，在一定条件即使只移动副的摩擦，在一定条件下也会自锁。下也会自锁。LRbN12020102NNfNFF020202 故当故当fbLR2fN2FFR1202020212 此机构的自锁条件为：此机构的自锁条件为：f2bL 结论：结论： 机构在某一位置可动的力学条件是，机构中的所有机构在某一位置可动的力

26、学条件是，机构中的所有运动副在外力及摩擦力的作用下均不发生自锁。运动副在外力及摩擦力的作用下均不发生自锁。1-4 平面机构的组成原理及结构分析平面机构的组成原理及结构分析一一.平面机构的组成原理平面机构的组成原理 平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构的自由度数，故平面机构的从动系统的自由度数应为零。的自由度数，故平面机构的从动系统的自由度数应为零。2134ABCDEF561A6F=1F=0F=0234BCDEF5F=1F=023BCDE4F5杆组定义：杆组定义： 不可再分解的自由度为不可再分解的自由度为零的运动链被称为基本杆零

27、的运动链被称为基本杆组，组，简称杆组简称杆组。组成平面机构杆组的条件：组成平面机构杆组的条件：0pp2n3F45平面机构杆组的类型平面机构杆组的类型含有高副的杆组含有高副的杆组低副杆组低副杆组(p4=0)np5p4111230341460单构件单构件高副组高副组三构件三构件高副组高副组 级组级组 级组级组 级组级组单构件高副组单构件高副组213ABCD三构件高副组三构件高副组2DC1BDC21DCBDCB 级组级组21BCD内副内副联结杆组中构件的运动副。联结杆组中构件的运动副。341224 级组级组包含有三个内副元素包含有三个内副元素 的刚性构件的杆组。的刚性构件的杆组。132134 级组级组包含四个构件包含四个构件