机械原理第2章机构的结构分析课件.

1、第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的22 机构的组成机构的组成23 机构运动简图机构运动简图24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件25 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算26 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题 27 机构的组成原理及其结构分类机构的组成原理及其结构分类第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析教学要求1、能根据实物绘制机构运动简图；、能根据实物绘制机构运动简图；2、熟练掌握机构自由度计算方法；、熟练掌握机构自由度计算方法；3、机构组成原理、机构组成原理教学的重点与难点教学的

2、重点与难点1、机构及运动副的概念、绘机构运动简图、机构及运动副的概念、绘机构运动简图2、自由度计算，虚约束，高副低代、自由度计算，虚约束，高副低代3、机构组成原理、机构组成原理21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的1.研究机构的组成及机构运动简图画法研究机构的组成及机构运动简图画法目的是2.机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？3.研究机构的组成原理及结构分类研究机构的组成原理及结构分类 弄清机构包含哪几个部分弄清机构包含哪几个部分;各部分如何相联？各部分如何相联？ 为运动分析和动力分析作准备为运

3、动分析和动力分析作准备这对于设计新的机构显得尤其重要。名词术语解释名词术语解释:1.构件构件(Link) 独立的运动单元独立的运动单元 内燃机内燃机中的连杆22 机构的组成机构的组成作者：潘存云教授内燃机内燃机连杆连杆套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖零件零件(part) 独立的制造单元独立的制造单元作者：潘存云教授2.运动副运动副a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：凸轮凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。定义：定义：运动

4、副两个构件运动副两个构件直接接触直接接触组成的仍能产组成的仍能产生某些生某些相对运动相对运动的联接。的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可作者：潘存云教授作者：潘存云教授运动副的分类：运动副的分类： 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。 2)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动副平面运动平面运动(Plannar kinematic pair)平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。IV级副级副例如：例如：球铰链

5、球铰链、螺旋螺旋、等。、等。空间运动副空间运动副空间运动空间运动(Spatial kinematic pair )V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动副的机构。 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有： 高副高副(high pair)点、线接触，应力高。点、线接触，应力高。低副低副(lower pair)面接触，应力低。面接触，应力低。例如：例如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副 。v常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446

6、084详见教材详见教材 P78 页表页表21。表表2-1 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运动链两个以上的构件通过运动副运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。的联接而构成的系统。闭式链闭式链(Close chain) 3

7、. 运动链运动链 (Kinematic chain) 作者：潘存云教授开式链开式链(Open chain)若干若干1个或几个个或几个1个个4. 机构机构定义定义：具有确定相对运动的运动链称为机构具有确定相对运动的运动链称为机构 。机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆如机床床身、车辆底盘、飞机机身。底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机构机架原动件从动件机架原动件从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参

8、考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。23 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简图用以说明机构中各构件之间的相对用以说明机构中各构件之间的相对 运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。作用：作用： 1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。机动示意图不按比例绘制的简图机动示意图不按比例绘制的简图现摘录了部分现摘录了部分GB446084机构示意图如下表

9、机构示意图如下表。2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。？牛头刨床主运动机构牛头刨床牛头刨床机构运动简图牛头刨床机构运动简图表表22 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

10、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v构件的表示方法构件的表示方法:表表2-3 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一构件同一构件三副构件三副构件 两副构件两副构件 续表续表2-3:一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:作者：潘存云教授 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。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

11、件是多少， 再看它们怎相联。再看它们怎相联。步骤：步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运动简图。 简图比例尺：简图比例尺： l = =实际尺寸实际尺寸 m / m / 图上长度图上长度mmmm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

12、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。举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机和和内燃机内燃机的机构运动简图。的机构运动简图。鳄式破碎机鳄式破碎机1 1 2 2例例2-1 绘制鳄式破碎机机绘制鳄式破碎机机构运动简图构运动简图例例2-2 绘制内燃机机构运绘制内燃机机构运动简图动简图(教材教材P2: 图图1-1)作者：潘存云教授24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数一个独立参数1 11 1（t t）唯一确定，该机唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。构仅需要一

13、个独立参数。 若仅给定若仅给定1 11 1（t t）, ,则则2 2 3 3 4 4 均不能唯一确定。若同均不能唯一确定。若同时给定时给定1 1和和4 4 ，则，则3 3 2 2 能能唯一确定，该机构需要两个独立唯一确定，该机构需要两个独立参数参数 。4 4S3123S31 112341 1定义：定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度独立运动参数称为机构的自由度。 ( (Freedom)Freedom)原动件原动件能独立运动的构件。能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数机构具有确定运动的

14、条件为：机构具有确定运动的条件为：机构自由度原动件数机构自由度原动件数25 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算作平面运动的刚体在空间的位作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。才能唯一确定。yx(x , y)F = 3单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 3自由构自由构件的自件的自由度数由度数运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2结论：结论：平面低副的约束数为平面低副的约束数为2 平面高副的约束数为

15、平面高副的约束数为1移动副移动副 1（x） + 2（y，）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：活动构件数活动构件数 n 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。构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3n 2 PL1 Ph例题例题计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。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

16、 高副数高副数PH=0S3123推广到一般：推广到一般： 例题例题计算五杆铰链机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH=012341 1例题例题计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=112326 计算平面机构自由度时应注意的问题计算平面机构自由度时应注意的问题作者：潘存云教授12345678ABCDEF例题：例题：计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘

17、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=6F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！构件数不会错，肯定是低副数目搞错了！1.1. 要正确计算运动副的数目要正确计算运动副的数目1)复合铰链复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：计算：m个构件个构件, 有有(m-1)个转动副。个转动副。两个低副两个低副 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。例题例题: 重新计算图示圆盘锯机构的自由度。重新计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动

18、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作者：潘存云教授圆盘锯机构圆盘锯机构2)两构件两构件构成多个移动副，且构成多个移动副，且导路平行或重合导路平行或重合(如图如图2-16), 则则只能算一个移动副。只能算一个移动副。 两构件两构件构成多个转动副，且构成多个转动副，且转动副轴线重合转动副轴线重合(如图如图2-17), 则只能算一个转动副。则只能算一个转动副。作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授3) 两构件两构件构成高副，两处接触，且法线重合。构成高副，两处

19、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，法线不重合时，变成实际约束！变成实际约束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA图图2-19例题例题: 计算图示两种凸轮机构的自由度。计算图示两种凸轮机构的自由度。解：解：n=3， PL=3，F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1对于右边的机构，有：对于右边的机构，有： F=32 22 1=1事实上，两个机构的运动相同，且事实上，两个机构的运动相同，且F=11231232. 要除去局部自由度要除去局部自由度F=3n (2PL PH) F =33 (23 +1) 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 F= 1

20、定义：定义：构件局部运动所产生的自由度。构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时出现在加装滚子的场合，计算时应去掉应去掉局部自由度局部自由度。滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。123局部自由度作用实例局部自由度作用实例作者：潘存云教授解：解：n=4， PL=6，F=3n 2PL PH =34 26 =0PH=03. 要除去虚约束要除去虚约束( formal constraint)对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约束。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前后前后E点的轨

21、点的轨迹都是圆弧。迹都是圆弧。增加的约束不起作用，应去掉其存在的虚约束。增加的约束不起作用，应去掉其存在的虚约束。例题：例题： ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形 机构的自由度。机构的自由度。 1234ABCDEF除去虚约束除去虚约束,重新计算重新计算, 得得F=3n (2PL + PH p) F =34 (26 + 0 1) 0 =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：1234ABCDEF 例题：例题：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形 机构的自由度。机构的自由度。 ABCDEF虚约束虚约束作者：潘存云教授出现虚约束

22、的场合：出现虚约束的场合： 1)两构件联接前后，联接点的轨迹重合，两构件联接前后，联接点的轨迹重合，如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪(图图2-22)等。等。(需要证明)作者：潘存云教授2) 运动时，两构件上的两运动时，两构件上的两点距离始终不变点距离始终不变,而用双而用双转动副杆将此两点相联转动副杆将此两点相联,也将带入也将带入1个虚约束。个虚约束。3) 对运动不起作用的对称对运动不起作用的对称部分。如部分。如多个行星轮多个行星轮。EF作者：潘存云教授重复部分虚约束数重复部分虚约束数p的计算的计算:2 3 lhpppn注意：注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的各种出

23、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例例2-8 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：A1B2I9C 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I9n =9PL =11PH =3F=3n(2PL + PH p) F =39 (211 + 3 1) 2 =1虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如改善构件的受力情况，如多个行星轮多个行星轮。增加机构的刚度，如增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨轴

24、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。27 虚约束对机构工作性能的影响虚约束对机构工作性能的影响虚约束的不利影响：虚约束的不利影响：机构装配困难机构装配困难,机构中内应力增大机构中内应力增大,机构运动机构运动不灵活。不灵活。相关尺寸精度提高相关尺寸精度提高,增大了制造成本。增大了制造成本。 A A A” 图 4 四缸发动机示意图 图 5 机床导轨支承示意图 1 2 返回返回27 机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的组成原理、结构分类及结构分析1. 1. 机构的组成原理机构的组成原理 a)原动件作移动原动件作移动 (如直线电机、如

25、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)。21目的目的: : 1) 1)设计新机械设计新机械 2)2)分析现有机械的性能分析现有机械的性能原动件原动件( (基本机构基本机构):):基本杆组基本杆组定义：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，其机架构成了基本机构，其F1。剩下的构件组必有。剩下的构件组必有

26、F0。将构件组继续拆分成更简单将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再的构件组，直到不能再拆为止。拆为止。作者：潘存云教授举例：举例：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。71324568即：即：任何一个平面机构都可以看作是由若干基本杆组任何一个平面机构都可以看作是由若干基本杆组依次联接于原动件和机架上而组成的依次联接于原动件和机架上而组成的.机构的组成原理：机构的组成原理： 机构原动件机构原动件(基本机构基本机构)基本杆组基本杆组+机架机架结论：结论：该机构包含一个基本该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换机构和两个基本杆组，换 句话说，将

27、两个基本杆组添句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该加到基本机构上，构成了该八杆机构。八杆机构。作者：潘存云教授1352. 平面机构的结构分类平面机构的结构分类设基本杆组中有设基本杆组中有n个构件，则由条件个构件，则由条件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副机构中低副机构中Ph0 ) PL 为整数，为整数， n n只能取偶数。只能取偶数。 n n 2 4 n42 4 n4 已无实例了已无实例了! ! PL 3 6 n=2 的杆组称为的杆组称为级组应用最广而又最简单级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有的基本杆组。共有 5 5 种类型种类型 n=4 （PL6 6）的杆

28、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。典型典型级组：级组：补充补充: : 了解第四种形式称为了解第四种形式称为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。v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，级机构级机构等。等。必须强调指出：必须强调指出： 1)杆组的各个外端副不

29、可以同时加在同一个构件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：上，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。机构结构分析举例：机构结构分析举例：将图示八杆机构拆分成基本机构将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。和基本杆组。71324568或或级机构级机构级机构级机构71324568作者：潘存云教授4.4. 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代高副低代高副低代: 用低副来替代高副的方法用低副来替代高副的方法.替代条件替代条件: 1)替代前后机构的自由度不变替代前后机构的自由度不变; 2)替代前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不

30、变替代前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变.替代方法替代方法: 为满足条件为满足条件1):用用1个构件、个构件、2个低副替代个低副替代1个高副个高副; 为满足条件为满足条件2):以上以上2个低副在机构中的位置唯一确定个低副在机构中的位置唯一确定.结论结论(P20): 在平面机构中进行高副低代时在平面机构中进行高副低代时,为满足条件为满足条件1)和和2),只要只要用用1个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可处以转动副相联即可.高副低代的几种情况高副低代的几种情况(举例举例) : 1)高副元素为两圆时高副元素为两圆时: 如图如图2-27 所示所