《机械原理》第02章机构的结构分析与综合

1、第二章第二章 机构的结构分析与综机构的结构分析与综合合2-1 研究机构结构的目的2-2 机构的组成及其运动简图的绘制2-3 机构自由度的计算2-4 平面机构的组成原理与结构分析2-5 平面机构的结构综合：本章重点2-1 研究机构结构的目的 总体目的：主要阐述机械原理的内容：分析与综合分析与综合。结构分析是基础。 具体目的： 1 机构与构件的关系，机构的组成要素 2 机构组成原理，机构结构分类，运动和动力分析 3 运动方案比较与设计，机构运动简图绘制 4 机构创新，根据功能或运动等要求，研究机构结构 综合方法 2-2 机构组成及其运动简图的绘制 补充：自由度与约束 一、机构组成要素 二、运动副分

2、类 三、机构运动简图绘制 自由度与约束 1）自由度自由度：构件所具有的独立运动数目。 空间：6个，3转3移； 平面：3个，2移1转。 2） 约约 束束：对构件所加的运动限制作用。 3）约束与自由度的关系：引入1个约束，构件运动的自由度数减少1个。 空间 _ 平面一、机构组成要素* 1） 构件：独立运动单元。2） 运动副：两构件直接相连，并能产生相对运动的连接。 运动副元素：构成运动副的两构件直接接触部分。 约束与自由度分析3） 运动链：通过运动副相连而构成的构件系统。闭式链（一般机械），开式链（机械手）。4） 机构：具有确定运动的运动链。构件分：机架、原动件、从动件。二、运动副分类 *1）引入

3、约束数分： 1个约束级副，。5个约束级副。2）接触情况分： 点、线接触高副， 面接触低副。3）相对运动形式分：平面运动副（移动副、转动副、平面高副），空间运动副（球面高副、球面低副、球销副、柱面高副、圆柱套筒副、螺旋副）。 三、机构运动简图绘制1定义：撇开构件复杂外形和运动副具体构造，用简单的线条和规定符合代表构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置，这种能准确表达机构运动情况的简化图形。2 特征：（1） 与原机械运动特性完全相同。（2） 可对机械进行结构、运动及动力分析。（3） 按比例绘制。（4） 进行方案比较。3运动副及其表示方法：*1) 构件表示法（双副、三副）2) 转动副表示方法（

4、固定、不固定）3) 移动副表示方法（固定、不固定）4) 高副表示方法（凸轮、齿轮）4平面机构运动简图绘制： 步骤：（1）分析机构结构及运动情况。 找出机架、原动件、输出构件及 相互间运动关系。（2） 判别运动副类型。（3） 选投影面和瞬时位置。（4）选适当比例尺，确定各运动副相对位置，用规定符号表示。并用直线或曲线将运动副元素连接起来。（5）标注：原动件、机架、杆件数目、运动副、比例尺关键：铰链中心位置，移动副导路方向，特征角，高副元素。例1：牛头刨床机构的运动简图例2：缝纫机例3：双缸内燃机2-3 机构自由度的计算 一、自由度计算公式二、机构具有确定运动的条件 三、计算平面机构自由度时应注意

5、的事项四、平面机构自由度计算例五、空间机构自由度的计算 一、自由度计算构件自由度：构件自由度：构件在平面（或空间）内独立运动的可能性。做平面运动的构件最多有3个自由度。约约 束：束：对构件的独立运动所加的限制。做平面运动的构件最多只能引入2个约束。 平面高副平面高副：约束数：1个，自由度数：2个。 平面低副平面低副：约束数：2个，自由度数：1个。机构自由度计算公式：机构自由度计算公式：F=3*n-2*PL-PH例：四杆机构 二、机构具有确定运动的条件 1运动链与机构关系。运动链：运动链：通过运动副联接的杆件系统。开式（机器人、工作机构）、闭式（一般机械）。无机架。机构：机构：具有确定运动的运动

6、链。运动链中规定一个构件为机架，并确定原动件使机构按预期运动规律运动。2运动链成为机构的条件：（1）F0，（2）F=原动件数 例：静定结构、超静定结构、单自由度机构、多自由度机构(1)若0，且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的；(2)若0，且多于原动件数，则构件间的运动是不确定的；(3)若机构自由度0，则机构不能动；F=0、 F= 0 静定结构 F=- 1 超静定结构总结 (1)若机构自由度0，则机构不能动； (2)若0，且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的；这就是机构具有确定运动的条件。 (3)若0，且多于原动件数，则构件间的运动是不确定的； (4)若0，且少于原

7、动件数，则构件间不能运动或产生破坏。三、计算平面机构自由度时应注意的事项 复合铰链 *两个以上构件在同一处以转动副相连接。m个构件构成（m-1）转动副。 局部自由度 *定义：机构中某构件具有的与其它构件运动无关的自由度。 虚约束 *（1） 定义：机构中某些运动副或某些运动副与构件的组合所形成的约束与其它约束重复而不在起作用。（2） 出现情况：轨迹重合、转动副轴线重合、运动副导路平行、机构存在对运动副起重复约束作用的对称部分。 四、自由度计算例1解：解：图示机构，活动构件数n=7，铰链PL=10，无高副PH =0 自由度F=3n-2PL-PH=372 10 0=1例2解：解：图示机构，活动构件数

8、n=5铰链PL1=4，移动副PL2=3无高副PH =0自由度F=3n-2PL-PH =3*5-2*7-0=1例3解：解：图示机构，J轮形成局部自由度。 有效活动构件数n=8，铰链PL=10， 移动副PL2=1，高副PH =1 自由度F=3n-2PL-PH=3*8-2*11-1=1例4解：解：图示机构，A轮形成局部自由度，H/I之一为虚约束。有效活动构件数n=6，铰链PL=6，移动副PL2=2，高副PH =1自由度F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1HI例5解：解：图示差动轮系，上下对称，有一半为虚约束；BE轴上的两轮为同一构件，B/E、A/F处之一为虚约束。外壳运动，有效活动构件数n

9、=4，铰链PL=4，高副PH =2自由度F=3n-2PL-PH=3*4-2*4-2=2例6解：解：图示机构，上下对称，有一半为虚约束；1轴处为复合铰链。有效活动构件数n=4，铰链PL=4，高副PH =2自由度F=3n-2PL-PH =3*4-2*4-2=2例7解：解：图示机构，A轮形成局部自由度，B处为复合铰链。大齿轮和凸轮为同一构件。有效活动构件数n=9，铰链PL=10，移动副PL2=2，高副PH =2自由度F=3n-2PL-PH =3*9-2*12-2=1五、空间机构自由度的计算公式：F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1=6n-ipi (i=15)公共约束：机构中所有构件共同失去

10、的自由度。原因在于运动副的特殊配置，使所有构件失去某些运动的可能性。具有公共约束机构自由度的计算： F=（6-m）n-（i-m）pi ， m:公共约束数例：平面机构、球面低副机构，m=3例1：自动驾驶仪操舵装置 空间四杆机构（CRSR）分析：n=3,P5=2,P4=1,P3=1解：F=6*3-2*5-4*1-3*1=1例2：斜面机构 ； 例3：角度传动机构 斜面机构（m=4）：两方向移动。 F=(6-4)*2-(5-4)*3=1 角度传动机构（m=1）：不能绕Z轴转动 F=(6-1)*3-(5-1)*2-(4-1)*2=1 例4：拖拉机犁的外轮调整机构 m=2：不能沿y轴方向移动和绕 z轴转动

11、。F=(6-2)*4-(5-2)*5=1 例5：多闭环机构 多闭环机构：按各个封闭环的不同m值分别计算。曲柄滑块机构：（m=3），F=（6-3）*3-（5-3）*4=1斜面机构：（m=4），F=（6-4）*2-（5-4）*3=1机构串联：F=1 2-4 平面机构的组成原理与结构分析 一平面机构的组成原理 二平面机构的结构分析 三高副低代 一平面机构的组成原理任何机构都可以看作是基本杆组依次连接到原动件和机架上组成。基本杆组：最简单的自由度为零的杆组。牛头刨床主机构牛头刨床主机构的组成原理二平面机构的结构分析 （一）基本杆组及其级别 （二）平面机构的级别 （三）结构分析 （一）基本杆组及其级别（

12、一）基本杆组及其级别 1 定义不能再分解的零自由度的构件组。（阿苏尔杆组） 2 满足条件：3n-2PL=0PL=3n /2n=2, PL=3 ; n=4, PL=6 、级杆组的基本类型*级组的五种类型级组的几种组合形式级组（二）平面机构的级别机构的组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次 连接于原动件和机架上所组成的系统。 在同一机构中可包含不同级别的基本杆组.平面机构的级别: 取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别。 （三）结构分析 步骤：1检查并去除机构中的局部自由度和虚约束2自由度计算，确定原动件3高副低代 4从远离原动件的地方开始拆杆组，先拆级杆组，后拆级，直至原动件和机架5确定

13、机构级别 例*例：确定图示机构的级别（原动件分别为1和8）机构自由度： F=3*7-2*10-0=1康拜因清除机三高副低代目的：揭示平面高副机构与平面低副机构间的关系和转化，有助于平面高副机构的运动分析和开拓机构设计思路。（一）条件1.代替机构与原机构的自由度相同。2.代替机构与原机构的运动特性（瞬时速度和加速度）完全相同。（二）方法高副低代的关键是找出构成高副的两轮廓曲线在接触点处的曲率中心，然后用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。即“一杆二低副”“一高副”例：两偏心轮机构、任意曲线的高副机构例：两偏心轮机构例：任意曲线轮廓的高副机构（三）一般步骤1过高副两元素接触点作公法

14、线n-n；2在公法线n-n上确定高副两元素接触点的两曲率中心；3将附加构件分别与组成高副的两构件铰接在两曲率中心；4原高副两构件分别用两曲率中心与其回转中心的连线构件表示；5.去除高副。 四、高副低代两种特殊情况(1)如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副。例：摆动从动件盘形凸轮机构(2)若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如图所示。例：尖底直动从动件盘形凸轮机构例：确定如图所示平面高副机构的级别。例72-5 平面机构的结构综合平面机构的结构综合（设计）：是结构分析的逆过程是根据运动输入和输出特性进行机构运动简图的设计过程。 研究一定数量的构件和运动副可以组成多少种机构类型的综合过程。机构设计：设计新机构运动简图。 基本杆组叠加法；平面机构如果没有高副，可按公式(2-4)综合出各种类型的基本杆组，再利用串联、并联等方式将基本杆组与