第二章机构的结构分析

1、1机电工程学院机电工程学院 2第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析 内容提要内容提要31.1.构件构件构件构件(Link) (Link) 独立的运动单元独立的运动单元 内燃机内燃机 2 22 2 机构的组成机构的组成零件零件(part(part、element) element) 独立的独立的制造制造单单元元 4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56789 9若干若干1 1个或几个个或几个1 1个个 4. 4. 机构机构: :具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构 。机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底机架作为参考系

2、的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机架原动件从动件机构机架原动件从动件原（主）动件原（主）动件 按给定的已知运动规律独立运动按给定的已知运动规律独立运动的构件。的构件。 从动件从动件 其余可动构件。其余可动构件。10常见常见转动副转动副的表示的表示: :常用运动副的绘制常用运动副的绘制11常见常见移动副移动副的表示的表示: :平面机构运动简图常用运动副的绘制平面机构运动简图常用运动副的绘制12123凸轮凸轮13构件的表示方法:14注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。考虑运动副的

3、性质。151516161718192.机械手的机械手的运动运动和和简图简图 20作者：潘存云教授12343.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2113478 9101118ABCD,内燃机内燃机及其机构运动简图及其机构运动简图222323定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的定义：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。 (degree of freedom)(degree of freedom)问：自由度不等于原动件数如何？问：自由度不等于原动件数如何？24F = 0 运动链不能运动，不成为机构运动链不能运动

4、，不成为机构 F 原动件数，运动确定？原动件数，运动确定？PH=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=1123123动画动画49 一般出现在加装滚子的场合，一般出现在加装滚子的场合，计算时应去掉计算时应去掉F。滚子的作用滚子的作用：。1 1231 123F F3n- (2P3n- (2Pl l+ P+ Ph h) )- F- F 50F=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 F=32 22 1 =112312351或或F=3n 2Pl Ph =37

5、292 =1F=3n 2Pl Ph-F =38 2102-1 =1动画4（课下作业）（课下作业）253n = 6PL = 8 PH = 1F = 36 - 28 1 = 27 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度按一个按一个移动副移动副计算计算4567计算图所示机构的自由度。计算图所示机构的自由度。54解：解：n=4，PL= 6，F=3n 2Pl Ph =34 26 =0PH=0例题已知：例题已知：ABCDEF，计算图示，计算图示平行四平行四 边形机构边形机构的自由度。的自由度。 1234ABCDEF553 3 虚约束虚约

6、束 在特定的几何条件或结构条件下，某些运动在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是重复的，这种用是重复的，这种不起独立限制作用的重复约不起独立限制作用的重复约束束称为称为虚约束虚约束。56F F3n- (2P3n- (2Pl l+ P+ Ph h -P-P ) )- F- F F F 局部自由度数局部自由度数 P PH H 高副数高副数n n 活动构件数活动构件数 P P 虚约束数虚约束数 P PL L 低副数低副数 F F 局部自由度数局部自由度数574F5ABCDEF123ADBCE06243F？123A

7、DBCE14233F 计算具有虚约束的机构的自由度时，可先计算具有虚约束的机构的自由度时，可先将机构中引入虚约束的将机构中引入虚约束的构件和运动副构件和运动副除去。除去。一个活动构件一个活动构件3个自由度，两个转动副个自由度，两个转动副引入四个约束，等于多引入一个约束。引入四个约束，等于多引入一个约束。58出现虚约束的场合：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，（平行且相等）（平行且相等）如平行四边形机构如平行四边形机构，火车轮火车轮(2) AB=BC=BD且且A在在D、C 轨迹交点；轨迹交点；如如椭圆仪椭圆仪 603 3）运动时，两构件

8、上的某运动时，两构件上的某 两点距离始终不变，也将带入两点距离始终不变，也将带入1 1个虚个虚约束约束（E、F）EF计算右图的自由度计算右图的自由度= =？误：误：F=3 F=3 4 4 -2 -2 6 6=0=0正：正：F=3 F=3 3 3 -2 -2 4 4=1=1动画动画614 4）在机构中，不影响机构运动传递的重复部分）在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。所带入的约束为虚约束。对运动不起作用的对称对运动不起作用的对称部分或重复部分。如多个部分或重复部分。如多个行星轮系行星轮系。 62计算计算右图右图的自由度的自由度=？ 2 2 2+4-23=238 （212

9、-1）=1 4 4 2-3 3=164311 （217 -2）=1 2 2 10-6 3=265F F3n- (2P3n- (2Pl l+ P+ Ph h -P-P ) )- F- F F F 局部自由度数局部自由度数 P PH H 高副数高副数n n 活动构件数活动构件数 P P 虚约束数虚约束数 P PL L 低副数低副数 F F 局部自由度数局部自由度数66局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束n=10Pl=14 Ph=1P=1题题2 方法方法1：虚约束情况：虚约束情况1F=1代入完整公式，计算代入完整公式，计算67去除局部自由度、虚约束后，去除局部自由度、虚约束后，n = 8 PL

10、 = 11 PH = 1F = 38 - 211 1 = 16ADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束789方法方法2：对比上一个例题：下图中可有虚约束？对比上一个例题：下图中可有虚约束？计算自由度，判断机构是否有确定运动。计算自由度，判断机构是否有确定运动。无虚约束无虚约束判断该机构是否有确定运动。判断该机构是否有确定运动。（虚约束情况（虚约束情况2）虚约束虚约束70例例 图示机构中，已知图示机构中，已知l lABAB= =l lCDCD，l lAFAF= =l lDEDE，L LBCBC L LADADL LFEFE。试判断该机构是否有确定运动

11、。试判断该机构是否有确定运动。虚约束虚约束复合复合铰链铰链41237685n = 7PL = 10 PH = 0F = 37 - 210 = 1机构有确定运动机构有确定运动原动件数目原动件数目（虚约束情况（虚约束情况2）71去除虚约束、局部自由度后，活动去除虚约束、局部自由度后，活动构件构件8 8个，低副个，低副1111个个（2 2移动副，移动副，9 9转动副），高副转动副），高副1 1个。个。111128323hlPPnF题题3 ：虚约束情况虚约束情况472试确定图所示机构的自由度，以凸轮为原动试确定图所示机构的自由度，以凸轮为原动件件分析：分析： 机构共有机构共有8个活动件，个活动件，10

12、个低副（个低副（G是铰链数为是铰链数为2的复合铰链），两个高副，的复合铰链），两个高副，1个局部自由度，没有虚个局部自由度，没有虚约数。约数。题题4 ：（课下练习）：（课下练习）73例例 、 题题5 ：（课下练习）（课下练习）74, 2 , 7 , 6HLppn22726323HLppnF解：解：(1) (1) C 处处 为为 复复 合合 铰铰 链；链；G 滚滚 子子 处处 有有 局局 部部 自自 由由 度；度；EF 杆杆 为为 虚虚 约约 束。束。 滚滚 子子G 两两 侧侧 和和 偏偏 心心 圆圆 盘盘 两两 侧侧 因公法线重合，均按一个高副计算。去掉局部自因公法线重合，均按一个高副计算。去

13、掉局部自 由由 度度 和和 虚虚 约约 束束 后后75 例例 图示为一图示为一牛头刨床牛头刨床的初拟设计方案。设计者的设计思路是：的初拟设计方案。设计者的设计思路是：动力由小齿轮动力由小齿轮1 1输入，并推动大齿轮输入，并推动大齿轮2 2绕其轴绕其轴A A连续转动，又通连续转动，又通过铰接在大齿轮过铰接在大齿轮2 2上上B B处的滑块处的滑块3 3使摆动导杆使摆动导杆4 4往复摆动，并带往复摆动，并带动滑枕动滑枕5 5往复运动以达到刨削的目的往复运动以达到刨削的目的。试绘制此刨床的机构运。试绘制此刨床的机构运动简图，分析其运动是否能实现设计意图，并提出修改方案。动简图，分析其运动是否能实现设计

14、意图，并提出修改方案。n = 5PL = 7 PH = 1F = 35 - 27 1 =0不能运动？不能运动？自由度计算的工程应用自由度计算的工程应用76可见：在分析现有机械或设计新机械时，必须考虑可见：在分析现有机械或设计新机械时，必须考虑所画出的机构运动简图应满足机构具有确定运动的所画出的机构运动简图应满足机构具有确定运动的条件，否则将导致机构结构组成原理上的错误。条件，否则将导致机构结构组成原理上的错误。改进方案：改进方案：增加机构自由度的方法增加机构自由度的方法： 在机构的适当位置上添加一个构件和一个低副在机构的适当位置上添加一个构件和一个低副或者用一个高副去代替一个低副。或者用一个高

15、副去代替一个低副。原方案：原方案：77 从机构运动观点来看，机构结构组成改进往往有多种方案。从机构运动观点来看，机构结构组成改进往往有多种方案。例如，本题还可以在运动副例如，本题还可以在运动副C处通过增加处通过增加1个自由度来改进，个自由度来改进，同样也有类似上述四种情况。同样也有类似上述四种情况。 至于实际选定哪一种方案为好，还必须考虑其他的因素加至于实际选定哪一种方案为好，还必须考虑其他的因素加以分析、比较来决定。以分析、比较来决定。改进方案：改进方案：原方案：原方案：802 27 7 平面机构的组成原理及其结构分平面机构的组成原理及其结构分类及结构分析类及结构分析一、平面机构的组成原理一

16、、平面机构的组成原理 a)a)原动件作移动原动件作移动 ( (如直线电机、如直线电机、斜面机构、流体压力作动筒斜面机构、流体压力作动筒) )。211.1.基本机构（或称基本机构（或称I I级机构）级机构） 定义：由一个原动件和一个机架组成的双定义：由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。杆机构。81 b)原动件作转动原动件作转动 (如电动机、杠杆机构如电动机、杠杆机构)。21822.2.基本杆组基本杆组定义：定义：的的F F0 0 的构件组，称为基本杆组。的构件组，称为基本杆组。阿苏尔杆组阿苏尔杆组机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。F=1F=0 现设

17、想将机构中的原动件和机架从机构中断现设想将机构中的原动件和机架从机构中断开，则原动件与机架构成了开，则原动件与机架构成了，其，其F F1 1。剩下的构件组必有剩下的构件组必有。将构件组继续拆分成更。将构件组继续拆分成更简单简单F F0 0的构件组，直到不能再拆为止。的构件组，直到不能再拆为止。83二、平面机构的结构分类二、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 考虑低副机构：则考虑低副机构：则 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 n4

18、2 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84 n=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。结构特点：其中有一个构级组。结构特点：其中有一个构件有三个运动副。件有三个运动副。典型典型级组：级组： RRR RRP RPR PRP RPP 85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 4个构件构成四边形结构。个构件构成四边形结构。机

19、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，级机级机构等。构等。86举例：举例：将图示将图示八杆机构八杆机构拆分成拆分成基本机构基本机构和和基本杆组基本杆组。7132456835F=3 1-2 1=1F=3 2-2 3=0F=3 4-2 6=087推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本推论：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。机构的基础上，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： 结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本

20、杆组添加到基本机组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该八杆机构。构上，构成了该八杆机构。88机构结构分析的步骤机构结构分析的步骤1、计算机构的自由度，确定原动件。、计算机构的自由度，确定原动件。2、从远离原动件的地方开始拆杆组。先试、从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆拆 II 级组，当不可能时再试拆级组，当不可能时再试拆 III 级组。级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下直至全部杆组拆出，只剩下 I 级机构。级机构。89 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：构件上，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。90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。71324568351为原动件为原动件III级机构级机构91或或7 7为原动件为原动件级机构级机构6 6为原动件为原动件级机构级机构7132456892机架