第01章 机械系统的运动简图设计(江)

1、第一章第一章You will never have what you like until you like what you have一一. 机械系统机械系统(machinery system) 原动机原动机传动装置传动装置工作机构（执行机构）工作机构（执行机构）给机械系统提供动力。给机械系统提供动力。将动力机的动力和运动传递给执将动力机的动力和运动传递给执 行机构的中间装置。行机构的中间装置。（1）减速或增速；）减速或增速；（2）变速；）变速；（3）传递动力；）传递动力；（4）改变运动规律；）改变运动规律；（5）实现多路运动；）实现多路运动；利用机械能来进行生产或达到预定利用机械能来进行生

2、产或达到预定 要求的装置。要求的装置。操纵控制装置操纵控制装置操纵及控制机械系统各组成部分协操纵及控制机械系统各组成部分协 调动作。调动作。它的功能：它的功能：传传动动系系统统带 式 运 输 机联轴器联轴器联轴器联轴器减速器减速器电动机电动机运输带工作机工作机 原动机原动机联轴器联轴器联轴器联轴器电动机电动机减速器减速器带式运输机传动简图传动系统传动系统原动机原动机工作机工作机带式运输机带式运输机DF v二. 机械系统运动简图(machinery system kinetic sketch )内燃机内燃机曲柄滑块机构曲柄滑块机构简图简图汽汽缸缸体体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴F三三. 平面机构运动

3、简图平面机构运动简图(planar mechanism kinematic sketch )平面机构平面机构(planar mechanism )所有构件都在同一平面或平所有构件都在同一平面或平行平面内运动的机构。行平面内运动的机构。 如：内燃机中的曲柄滑块机构。如：内燃机中的曲柄滑块机构。齿轮机构简图齿轮机构简图或或1）运动副及其分类）运动副及其分类四本章主要内容、重点及难点四本章主要内容、重点及难点3）平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件）平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件2）平面机构的运动简图及其绘制）平面机构的运动简图及其绘制主主要要内内容容重点重点 平面机构自由度计算及

4、机构具有确定运动的条件平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件难难点点机构运动简图绘制机构运动简图绘制有虚约束的机构自由度计算有虚约束的机构自由度计算1-1 运动副及其分类运动副及其分类 一一. 运动副运动副(kinetic pair )机构中由两构件直接接触的具有机构中由两构件直接接触的具有一定相对运动的可动联接一定相对运动的可动联接。如：如：内燃机中活塞内燃机中活塞2与气缸体与气缸体1（相对移动）（相对移动）连杆连杆3与活塞与活塞2（相对转动）（相对转动）连连杆杆3与曲轴与曲轴4（相对转动）（相对转动）曲轴曲轴4与缸体与缸体1（相对转动）组成可动连接。（相对转动）组成可动连接。相对移动相

5、对移动相对转动相对转动移移动动副副转转动动副副 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、线接触的运动副二二. 运动副的分类运动副的分类低副低副(low pair) (low pair) 高副高副(high pair)(high pair)（1 1）根据运动副中构件根据运动副中构件 间的接触形式分：间的接触形式分：21球面副球面副球销副球销副空间运动副空间运动副螺旋副螺旋副平面平面运动副运动副空间空间运动副运动副（2 2）根据构件间的相对运动分：根据构件间的相对运动分：1-2 1-2 平面机构运动简图平面机构运动简图 机构运动简图机构运动

6、简图(kinematic(kinematic sketch ) sketch ) 是用规定是用规定的符号，绘出的能准确表达机构各构件之间的相对运动关系的符号，绘出的能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形，称为机构运动简图及运动特征的简单图形，称为机构运动简图 。(即：即：用线条和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）图形）。内燃机中由汽缸体、活塞、连杆和曲轴组成的曲轴内燃机中由汽缸体、活塞、连杆和曲轴组成的曲轴滑块机构。滑块机构。一机构构件分类一机构构件分类机架（或固定构件）机架（或固定构件）内

7、燃机的汽缸体内燃机的汽缸体活动构件活动构件 除除机架外的所有可动构件。如活塞、连杆、机架外的所有可动构件。如活塞、连杆、 曲轴及齿轮等。曲轴及齿轮等。组成机构的构件可分为两大类：组成机构的构件可分为两大类：内燃机内燃机曲柄滑块机构曲柄滑块机构运动简图运动简图汽汽缸缸体体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴F内内燃燃机机结结构构分分析析1.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮6. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆原动件：原动件：运动规律已知的活动构件运动规律已知的活动构件。（内燃机内燃机中的中的活塞活塞2）主动件：主动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件。作用有驱动力或驱动

8、力矩的活动构件。 （活塞活塞2 、齿轮齿轮5 5 、凸轮、凸轮7）输出件：输出件：输出运动或动力的从动件输出运动或动力的从动件。（曲轴曲轴4 4 、推杆、推杆8 ）活动构件活动构件从动件：从动件：机构中随主动件的运动而运动的其余活动机构中随主动件的运动而运动的其余活动 构件构件（如连杆（如连杆3、曲轴、曲轴4 、齿轮齿轮5 5 、推杆、推杆8 ）121221212112二常用机构运动简图的表示符号二常用机构运动简图的表示符号一）运动副的表示一）运动副的表示符号符号转动副的符号转动副的符号移动副的符号移动副的符号高副的符号高副的符号三副构件三副构件（活动构件）（活动构件）两副构件两副构件（活动构

9、件）（活动构件）固定构件固定构件注意：注意：固定构件用带有阴影线构件表示固定构件用带有阴影线构件表示二）构件二）构件的表示的表示符号符号齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构表示符号齿轮机构表示符号凸轮机构表示符号凸轮机构表示符号三）常用机构运动简图符号三）常用机构运动简图符号电动机电动机带传动带传动链传动链传动锥齿轮机构锥齿轮机构蜗杆蜗轮传动蜗杆蜗轮传动三三. 平面机构运动简图绘制平面机构运动简图绘制 举例说明举例说明 1）分析内燃机的机构组成：）分析内燃机的机构组成：主运动机构：主运动机构：由气缸体由气缸体1、活塞、活塞2、连杆、连杆3、曲轴、曲轴4组成组成其他机构：其他机构：齿轮机构（

10、齿轮齿轮机构（齿轮5 、齿轮、齿轮6），凸轮机构（凸轮），凸轮机构（凸轮7 、 推杆推杆8）固定件固定件: : 气缸体气缸体1 12）根据机构的运动情况，判别）根据机构的运动情况，判别固定件、原动件和从动件固定件、原动件和从动件例例1-1 绘制内燃机的机构运动简图绘制内燃机的机构运动简图凸轮凸轮7 、推杆、推杆81.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮6. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆解：解：1分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件原动件原动件: : 活塞活塞2 2连杆连杆3、曲轴、曲轴4齿轮齿轮5 、 6从从

11、动动件件 2从原动件开始，按运动传递顺序，分析各构件之间相对从原动件开始，按运动传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质、确定运动副的种类和数目。运动的性质、确定运动副的种类和数目。 2个移动副个移动副2和和1、8和和1； 4个转动副个转动副2和和3、3 和和4、5和和1、6和和1； 2个高个高 副副5和和6、7 和和8 。 该机构该机构 1.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆6. 齿轮齿轮 3合理选择视图平面合理选择视图平面（选机构的主运动平面及其（选机构的主运动平面及其平行平面）适当的机构的运平行平面）适当的机构的运动瞬时位置（图示

12、位置）动瞬时位置（图示位置） 4选择适当的长度选择适当的长度比例尺比例尺l定出运动副之定出运动副之间的相对位置，用规定间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简的符号绘制机构运动简图。图。12344556CABDEF例例1-2 绘制鄂式破碎机机构运动简图绘制鄂式破碎机机构运动简图鄂式破碎机的组成情况鄂式破碎机的组成情况4.肘板肘板3. 动颚板动颚板5. 带轮带轮2. 偏心轴偏心轴1. 机架机架解：解：1鄂式破碎机的结构分析鄂式破碎机的结构分析 鄂式破碎机的主运动机构鄂式破碎机的主运动机构由：机架由：机架1、偏心轴、偏心轴2（与带（与带轮轮5固连在一起）、动颚板固连在一起）、动颚板3和肘板和肘板4

13、组成。动颚板组成。动颚板3在偏在偏心轴驱动下作平面运动，将心轴驱动下作平面运动，将堆放在动颚板与定颚板之间堆放在动颚板与定颚板之间的矿石压碎。的矿石压碎。2分析机构的运动，判别固分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件定件、原动件和从动件1）机构的运动情况分析）机构的运动情况分析鄂式破碎机鄂式破碎机4.肘板肘板3. 动颚板动颚板1. 机架机架5. 带轮带轮2. 偏心轴偏心轴固定件固定件 机架机架1原动件原动件 偏心轴偏心轴2从动件从动件 动颚板动颚板3、肘板、肘板42）判别）判别4.肘板肘板1. 机架机架2. 偏心轴偏心轴5. 带轮带轮3. 动颚板动颚板 3从原动件开始，按从原动件开始，按运

14、动传递顺序，分析各构运动传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质、件之间相对运动的性质、确定运动副的种类和数目。确定运动副的种类和数目。因机构各构件之间的相对因机构各构件之间的相对运动均为转动，固组成运动均为转动，固组成4个转动副，即：转动副个转动副，即：转动副A、B、C、D，其中，其中A和和D为为固定铰链，固定铰链， B、C为活动为活动铰链铰链4.肘板肘板1. 机架机架2. 偏心轴偏心轴5. 带轮带轮3. 动颚板动颚板ACBD 4合理选择视图平面（一般选机构的运动平面或者与运合理选择视图平面（一般选机构的运动平面或者与运动平面平行的平面），适当的机构的运动瞬时位置（以能够动平面平行的平面），适

15、当的机构的运动瞬时位置（以能够清楚反映出各构件之间相对位置关系为原则）清楚反映出各构件之间相对位置关系为原则） 5选择适当的长度比例尺选择适当的长度比例尺l = ，定，定出运动副之间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简图。出运动副之间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简图。 mmmmmcm图示长度或或长度际实机构运动简图机构运动简图3D1鄂式破碎机鄂式破碎机4.肘板肘板3. 动颚板动颚板1. 机架机架2. 偏心轴偏心轴5. 带轮带轮 1）确定固定铰链）确定固定铰链A和和D： 先定先定A点位置点位置 根据根据D点相对点相对于于A点的坐标和长度比例尺点的坐标和长度比例尺l 定出定出D点；点；

16、2）确定活动铰链）确定活动铰链B的位置：以的位置：以A点为圆心，偏心距点为圆心，偏心距e/l（即（即lAB/l）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置B2BA1 3）确定活动铰链）确定活动铰链C的位置：分别以的位置：分别以B、D点为圆心，点为圆心， lBC/l 、 lCD/l 为半径画弧相交于为半径画弧相交于C点；点； 4）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形即为鄂）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形即为鄂式破碎机的主运动机构式破碎机的主运动机构C4 1）确定固定铰链）确定固定铰链A和和D： 先定先定A点位置点位置 根据根据

17、D点相对于点相对于A点的坐标点的坐标和长度比例尺和长度比例尺l 定出定出D点；点； 2）确定活动铰链）确定活动铰链B的位置：以的位置：以A点为圆心，偏心距点为圆心，偏心距e/l（即（即lAB/l）为）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置动瞬时位置B； 3）确定活动铰链）确定活动铰链C的位置：分别的位置：分别以以B、D点为圆心，点为圆心， lBC/l 、lCD/l 为为半径画弧相交于半径画弧相交于C点；点； 4）用规定的构件符号连接各点，）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形即为鄂式破碎机的主所形成的简单图形即为鄂式破碎机的主运动机构运动机构鄂式

18、破碎机鄂式破碎机机构运动简图机构运动简图3D12BA1C4鄂式破碎机鄂式破碎机机构运动简图绘制步骤：机构运动简图绘制步骤：13 平面平面机构自由度（机构自由度（Degrees of Freedom）的计算）的计算一、构件的自由度与约束一、构件的自由度与约束yx(x , y) 构件独立运动的数目称为构件构件独立运动的数目称为构件自由度；自由度； 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。？（运动副运动副）。自由度的减少数）。自由度的减少数= =约束数约束数 作平面运动的刚体在平面的位置需作平面运动的刚体在平面的位置需要要三个独立的参数三个独立的参数（x x，y, y, ）才能

19、唯）才能唯一确定。一确定。n n个自由构件的自由度个自由构件的自由度？yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x，y） = 3移动副移动副 1（x） + 2（y，）= 3结论：构件自由度结论：构件自由度3约束数约束数高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3自由构件的自由度数约束数自由构件的自由度数约束数自由构自由构件的自件的自由度数由度数活动构件数活动构件数 n 计算公式：计算公式： F=3n(2Pl+Ph ) （记记）构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约

20、束数 3n 2 Pl1 Ph推广到一般：推广到一般： 开式运动链开式运动链闭式运动链闭式运动链机构机构闭式运动链闭式运动链: 每个构件均与两个或多个构件形成运动副每个构件均与两个或多个构件形成运动副运动链运动链: 运动副联接而成的可动构件系统运动副联接而成的可动构件系统开式运动链开式运动链:至少有一个构件只与一个构件形成运动副至少有一个构件只与一个构件形成运动副二二. 机构自由度机构自由度 机构机构独立运动独立运动的数目称为机构的的数目称为机构的自由度。自由度。l4l1l2l3w w1j j1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 =原

21、动件数原动件数高副数高副数Ph=0计算上述机构的自由度：计算上述机构的自由度：解：活动构件数解：活动构件数n= 2 低副数低副数Pl= 3 高副数高副数Ph=0 F = 3n2PlPh = 32- -23 = 0解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数Pl= 5F=3n2PlPh =3425 =2 高副数高副数Ph= 0n= 2Pl= 2F= 3n2PlPh =32 221 =1Ph= 1F = 3n- -2pl- -ph = 37- -210- -0 = 1 原动件数原动件数12634578n= 4Pl= 5Ph= 0F= 3n2PlPh =34 25 =2312321？（6）（6）

22、（0）三、计算机构自由度时应注意的事项1. 复合铰链复合铰链(Multiple Joint) 由两个以上构件在同一处构成的由两个以上构件在同一处构成的重合转动副重合转动副称为复称为复合铰链。合铰链。31824567F = 3n- -2pl- -ph = 37- -210- -0 = 1F = 3n- -2pl- -ph = 33- -23- -1 = 2F = 32- -22- -1 = 12. 局部自由度局部自由度(Passive Degree of Freedom) 处理方式：处理方式：在计算机构自由度时，局部自由度应在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计当舍弃不计。不影响机构整体运动

23、的自由度，称为局部自由度。不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形机构的自由度。，计算图示平行四边形机构的自由度。 解：解：n= 4，Pl= 6，F=3n 2PL PH =34 26 =0Ph=01234ABCDEF3.虚约束虚约束(Redundant constraint)对机构的运动不起对机构的运动不起限制限制作用的约束。作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件，故增加构件4前前后后E点的轨迹都是圆弧，增加的约束不起作用，应去掉构件点的轨迹都是圆弧，增加的约束不起作用，应去掉构件4。123

24、4ABCDEF重新计算：重新计算：n=3, Pl=4, Ph=0F=3n 2Pl Ph =33 24 =1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：ABCDEF常见的虚约束有以下几种情况常见的虚约束有以下几种情况: 1) 当两构件组成多个移动副，且当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。移动副起约束作用，其余都是虚约束。EE带虚约束的凸轮机构带虚约束的凸轮机构带虚约束的曲轴带虚约束的曲轴 2) 当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则当两构件构成多个转动副，且轴线互相重

25、合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。 3) 如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。则将会引入一个虚约束。F=3n-2pl-ph=3*4-2*6= 0 ?带虚约束的杆机构带虚约束的杆机构=3*3-2*4= 1 4) 机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会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。引入虚约束。带虚约束的行星轮系带虚约束的行星轮系2

26、2231F=3n-2pl-ph=3*5-2*5-6= -1 ?321=3*3-2*3-2= 1）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。如如等宽凸轮等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，变法线不重合时，变成实际约束！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, ,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”。22321CB311DMN245AEE a. 使受力状态更合理；使受力状态更合理； b. 使机构平衡；使机构平衡； c. 考虑机构在特殊位置的运动考虑机构在特殊位置的运动使用虚约束时要注意什么问题使用虚约束时要注意什么问题? 保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。机构中为什么要使用虚约束机构中为什么要使用虚约束?例例1找出图示找