机械原理 课件 郁志宏 第1-3章 绪论、机构的结构分析、平面机构的运动分析

1绪论2023/11/242绪论

本课程研究的对象及内容学习机械原理课程的目的

如何进行机械原理课程的学习

机械原理学科发展现状简介2023/11/243绪论

本课程研究的对象及内容

学习机械原理课程的目的如何进行机械原理课程的学习机械原理学科发展现状简介2023/11/244本课程研究的对象及内容研究对象：机械

零件：

构件：

工件：

部件：研究内容：有关机械的基本理论问题一些相关概念的回顾：制造的单元运动的单元未完成加工的零件装配的单元2023/11/245本课程研究的对象及内容研究对象：机械研究内容：有关机械的基本理论问题什么是机械？机械：机器和机构的总称2023/11/246本课程研究的对象及内容2023/11/247本课程研究的对象及内容机构机器2023/11/248本课程研究的对象及内容机构机器2023/11/249本课程研究的对象及内容机器机构2023/11/2410本课程研究的对象及内容研究对象：机械研究内容：有关机械的基本理论问题什么是机械？机械：机器和机构的总称机器：

①人为的构件的组合体；

②各构件间具有确定的相对运动关系；

③用来变换或传递能量、物料及信息。机构：

具有①②特征

能实现预期机械运动的构件的基本组

合体称为机构。2023/11/2411本课程研究的对象及内容

机构的结构分析

机构的运动分析

机构的力分析及机器动力学

常用机构的分析与设计

机械系统的方案设计研究对象：机械研究内容：有关机械的基本理论问题本课程学习的内容主要有：本课程以机构为主要对象进行研究2023/11/2412本课程研究的对象及内容2023/11/2413

本课程研究的对象及内容学习机械原理课程的目的如何进行机械原理课程的学习机械原理学科发展现状简介绪论2023/11/2414学习机械原理课程的目的2023/11/2415学习机械原理课程的目的2023/11/2416学习机械原理课程的目的2023/11/2417绪论

本课程研究的对象及内容

学习机械原理课程的目的

如何进行机械原理课程的学习机械原理学科发展现状简介2023/11/2418如何进行机械原理课程的学习一、课程性质与特点：

专业基础课，先修课程较多，且章节之间前后衔接紧密。二、概念、原理、方法：

熟悉概念、理解原理、掌握方法，提高专业能力，

提高认知与理解能力。三、学以致用：

培养兴趣，提高专业素养，锻炼发现问题分析问题的能力。2023/11/2419绪论

本课程研究的对象及内容

学习机械原理课程的目的如何进行机械原理课程的学习

机械原理学科发展现状简介2023/11/2420机械原理学科发展现状简介机械原理学科是机械学科的重要组成部分，是机械工业和现代科学技术发展的重要基础。为了适应新的发展需求，作为机械工业发展前沿的机械原理学科，其与诸多学科相互渗透，相互结合，研究领域逐渐扩展，研究课题层出不穷，研究方法日新月异。自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性机构和机电光液广义机构等的研制上已有很大进展。在机械的分析与综合中，也由只考虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能；考虑到机械在运转时构件的振动和弹性变形，运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影响等。机械的分析和综合中日益广泛地应用了计算机，发展并推广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计，提出了多种便于对机械进行分析和综合的数学工具，编制了许多大型通用或专用的计算程序与仿真软件。另外，随着现代科学技术的发展，测试手段的日臻完善，也加强了对机械的实验研究。2023/11/24机构的结构分析2023/11/24

机构结构分析的内容和目的机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24构结构分析的内容和目的一、研究机构的组成及机构运动简图的画法二、了解机构具有确定运动的条件三、研究机构的组成原理及机构分类与设计2023/11/24

机构结构分析的内容和目的机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成1.构件构件a2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成1.构件2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成2.运动副2023/11/24转动副（铰链）移动副机构的组成及分类一、机构的组成2.运动副2023/11/24凸轮副齿轮副机构的组成及分类一、机构的组成2.运动副2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成2.运动副按照运动副相对运动情况分类：

转动副、移动副、螺旋副按照运动副接触情况分类：

高副：点线接触

低副：面接触

按照相对运动是平面运动还是空间运动：

平面运动副：移动副、转动副、平面高副；空间运动副：螺旋副，胡克铰链等几何封闭力封闭

2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成3.运动链2023/11/24机构的组成及分类一、机构的组成4.机构2023/11/24机构的组成及分类二、机构的分类根据运动副组成情况分类：

低副机构

高副机构根据机构运动情况分类：

平面机构

空间机构根据机构的构件情况、工作原理：

连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，

棘轮机构，槽轮机构等2023/11/24机构的组成及分类2023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类

机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24机构运动简图根据机构的运动尺寸，按照一定的比例尺，采用运动副的代表符号、常用机构运动简图符号、一般构件的表示方法以及一些简单的线条。一、意义：分析现有机构，设计新机构无需考虑外形、断面尺寸，组成构件的零件数目，固联方式二、如何绘制：能表明机械运动特征及运动传递情况的图。三、关键：运动传递与真实机构相同！2023/11/24机构运动简图转动副移动副常用运动副的模型及符号2023/11/24机构运动简图平面高副槽销副常用运动副的模型及符号2023/11/24机构运动简图复合铰链常用运动副的模型及符号2023/11/24机构运动简图常用机构运动简图符号凸轮机构齿轮传动外啮合圆柱2023/11/24机构运动简图常用机构运动简图符号一般构件的表示方法固定构件(机架)齿轮传动内啮合圆柱2023/11/24机构运动简图一般构件的表示方法同一构件两副构件2023/11/24机构运动简图一般构件的表示方法连架构件多副构件2023/11/24机构运动简图2023/11/24机构运动简图2023/11/24机构运动简图5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画）1）分析机构，搞清构造，观察相对运动，运动传递情况；

通常需要找出原动件及执行构件（最后输出运动的构件），循着

传递路线步骤：2）找出所有的构件与运动副及其相对位置；3）选择合理的位置，选择视平面（多数构件的运动平面），如机构

很复杂，可展开，或将较难表示清楚的部分，另外绘制一个局部

的机构简图。充分反映机构的运动传递特点；4）确定比例尺，2023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24机构自由度的计算ABC自由度：构件的独立运动的数目yxo2023/11/24yxoBC机构自由度的计算约束：对独立运动的限制高副：1个约束，2个自由度低副：2个约束，1个自由度2023/11/24机构自由度的计算

机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。通常用F表示设n个活动构件，PL个低副，PH个高副平面→空间：引申至空间机构例题1：F=3×1-2×1=12023/11/24机构自由度的计算例题2：F=3×2-2×3=02023/11/24机构自由度的计算例题3：例题4：F=3×4-2×5=2F=3×3-2×4=12023/11/24机构自由度的计算例题5：例题6：F=3×2-(2×2+1×1)=1F=3×4-(2×6+0×1)=02023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算

计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24计算自由度时应注意的问题F=3×4-2×6

=0？F=3×3-2×4

=1F=3×5-2×6

=3？F=3×5-2×7

=1F=3×3-2×3

-1×1=2？F=3×2-2×2

-1×1=12023/11/24计算自由度时应注意的问题一、正确计算运动副的数目F=3×5-2×7=1F=3×5-2×6=3？？错误2023/11/24计算自由度时应注意的问题一、正确计算运动副的数目1.复合铰链

两个以上的构件在一处以转动副相联接，就构成了所谓的复合铰链。m个构件，m-1个转动副。F=3×5-2×7=1正确2023/11/24计算自由度时应注意的问题一、正确计算运动副的数目2.导路平行、重合、共线的特例F=3×5-2×7=1F=3×2-(2×2+1×1)=12023/11/24计算自由度时应注意的问题一、正确计算运动副的数目2.导路平行、重合、共线的特例转动副轴线重合移动副方向平行高副公法线重合避免悬臂支撑，增加刚度两接触点力不同时作用力封闭→形封闭2023/11/24计算自由度时应注意的问题一、正确计算运动副的数目3.复合高副两构件，在两处形成高副，各接触点公法线不重合转动副移动副2023/11/24计算自由度时应注意的问题二、局部自由度F=3×3-(2×3+1×1)-1=1正确F=3n-(2PL+PH)-F'与输出件运动无关的自由度称局部自由度F=3×3-2×3-1×1=2错误2023/11/24计算自由度时应注意的问题三、虚约束在特殊的几何条件下，引入某些构件所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。多一个FE构件，F+3，多两个转动副，F-4多引入一个约束，虚约束平行四边形机构F=3n-(2PL+PH-p')-F'p’=2P'L+P'H-3n'F=3×4-(2×6-1)

=12023/11/24计算自由度时应注意的问题三、虚约束F=3×5-2×5-1×6=-1 ×轮

系F=3×3-2×3-1×2=1 √F=3×5-(2×5-1×6-2)=1 √2023/11/24计算自由度时应注意的问题F=3×4-2×6

=0？F=3×3-2×4

=1F=3×5-2×6

=3？F=3×5-2×7

=1F=3×3-2×3

-1×1=2？F=3×2-2×2

-1×1=12023/11/24计算自由度时应注意的问题自由度计算方法总结n=4①看懂机构运动简图②判断有无注意事项，如复合铰链、局部自由度、虚约束等。③确定活动构件数目、高低副数目④代入公式进行计算。F=3×4-(2×5+1×1)=1 pL=5pH=12023/11/24计算自由度时应注意的问题自由度计算方法总结①看懂机构运动简图②判断有无注意事项，如复合铰链、局部自由度、虚约束等。③确定活动构件数目、高低副数目④代入公式进行计算。2023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24机构具有确定运动的条件结论：使机构中的原动件数等于机构的自由度，此即机构具有确定运动的条件。2023/11/24

机构结构分析的内容和目的

机构的组成及分类机构运动简图机构自由度的计算计算平面机构自由度时应注意的问题机构具有确定运动的条件平面机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的结构分析2023/11/24组成原理、结构分类及结构分析一、平面机构的组成原理机构确定运动条件

→

原动件数等于自由度

因此，将机架与原动件（与机架相连）拆分出来，则剩下的构件组自由度为零原动件自由度?+2023/11/24组成原理、结构分类及结构分析一、平面机构的组成原理+基本杆组：最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组。组成原理：任何机构都可以看作是若干个基本杆组依次连接于原动件与机架上而构成。2023/11/24组成原理、结构分类及结构分析二、平面机构的结构分类机构的结构分类是根据机构中基本杆组的不同组成形态进行的符合条件：自由度公式→3n-2pl-ph=0 基本杆组条件假设机构中无高副：

3n-2pl=0 →n/2=pl/3，

给出n，pl组合 n=2，pl=3；n=4，pl=6；n=6，pl=9……2023/11/24组成原理、结构分类及结构分析二、平面机构的结构分类Ⅱ级组

→

应用最多的基本杆组

最高级别为Ⅱ级组的基本杆组构成的机构→Ⅱ级机构

→

应用最多的机构Ⅱ级组，Ⅲ级组原动件＋机架

Ⅰ级机构最高级别为Ⅲ级组的基本杆组构成的机构→Ⅲ级机构

→

少数、结构比较复杂1236542023/11/24组成原理、结构分类及结构分析三、平面机构的结构分析目的：

了解机构的组成，确定机构级别。该机构中如果原动件为构件5则为Ⅱ级机构。原动件确定，则拆分顺序与级别确定。步骤：①去除局部自由度与虚约束；②拆分机架与原动件；③从远离原动件的构件开始拆分；④根据所得拆分，确定机构等级。123654ThanksForAttendance!第三章平面机构的运动分析1．任务

根据机构的尺寸及原动件已知的运动规律，求构件中从动件上某点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。§3-1

机构运动分析的任务、目的和方法2．目的

了解已有机构的运动性能，是设计新的机械和研究机械动力性能的必要前提。3．方法主要有图解法和解析法。

两构件上的瞬时等速重合点（即同速点），§3-2

用速度瞬心法作机构的速度分析1.速度瞬心及其位置确定（1）速度瞬心

用Pij表示。绝对瞬心：vP＝0相对瞬心：vP≠0机构中的瞬心总数目：K＝N(N－1)/2（2）瞬心位置的确定1）由瞬心定义确定以转动副相联，瞬心在其中心处；

以移动副相联，瞬心在垂直于其导路的无穷远处；N:构件数图1图2以纯滚动高副相联，瞬心就在其接触点处；

以滚动兼滑动的高副相联，瞬心就在过其接触点处两高副元素的公法线上。2）借助三心定理确定

：彼此作平面运动的三个构件的三个瞬心必位于同一直线上。三心定理图3图4例1

求平面铰链四杆机构的瞬心解（1）K＝4x3/2=6（2）确定位置2.用瞬心法作机构的速度分析例2

平面铰链四杆机构例3

平面凸轮机构例2

平面铰链四杆机构例3

平面凸轮机构小结1、对于结构简单的机构的速度分析，采用速度瞬心十分简便。2、瞬心法只能用于机构的速度分析，不能用于加速度分析。§3-3

用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析1同一构件上两点间的运动矢量关系

例4如图所示机构，已知各构件的尺寸，构件1的角速度ω1为常数、角加速度α1等于0。（1）求该瞬时构件3上C点的速度vc及加速度ac。（2）求该瞬时构件4上D点的速度vD及加速度aD。（1）分析：

vC(构件3)=vC(构件2)，

aC(构件3)=aC(构件2)，可通过2构件上B点速度和加速度求解，属于同一构件上两点之间的运动关系问题，下面我们进行解答。（1）解：由运动合成原理可知，构件2上C点的运动可认为是随基点B的平动与绕基点B的相对转动的合成，则①列速度矢量方程方向：水平⊥AB⊥BC大小：?

ω1lAB?

，画速度矢量多边形。pbc

vBvCBvCvBvCvCB

方向：水平⊥AB⊥BC大小：?

ω1lAB?

注意：这里画矢量图的过程旨在教授具体作图方法，真实值需带入数值才能确定，后同。②列加速度矢量方程

方向：水平B→A

C→B

⊥BC大小：?

ω12•

lAB(vCB)2/lBC

?

，画加速度矢量多边形。pbc

vBvCBvCp'c'aBaCBaC

方向：水平B→A

C→B

⊥BC大小：?

ω12•

lAB(vCB)2/lBC

?b'

小结1、几个概念①速度比例尺μv和加速度比例尺μa：画速度或加速度矢量多边形（简称速度图或加速度图）的作图比例尺，是指图上1毫米代表实际多大的速度或加速度，单位为(m/s)/mm或(m/s2)/mm。②矢量多边形：根据矢量方程，按照一定的绘图比例尺，用带箭头的线段来表示每一各矢量，线段的长短表示矢量的大小，箭头的方向表示矢量的方向，将各矢量画出并形成的图形。小结2、对速度图（加速度图）的理解①速度图（加速度图）：表示机构某瞬时各点速度（加速度）的矢量图，其中，p(p’)称为速度图（加速度图）的极点，表示绝对速度（加速度）为零的点，绝对速度（加速度）的矢量都是从p

(p’)

点引出的，而连接绝对速度（加速度）矢量末端的矢量，为相对速度（加速度）的矢量。③画速度图（加速度图）时，先选取适当的比例尺，然后根据矢量方程，从已知的绝对矢量开始画起。

例4如图所示机构，已知各构件的尺寸，构件1的角速度ω1为常数，（2）求该瞬时构件4上D点的速度vD及加速度aD。方向：?⊥AB⊥BD大小：?

ω1lAB?

（2）解：同样根据同一构件上两点之间的运动关系①列速度矢量方程pbc

vBvDCvC

dvDvDBvCBpbcvBvCBvCdvD△利用速度影像法求同一构件上任意一点的速度（1）速度影像发现△bcd∽△BCD，我们把速度图中的△bcd称为机构图形中△BCD的速度影像。（2）速度影像法使用的条件当已知同一构件上两点的速度时，则该构件上其他任一点的速度便可利用速度影像法求出。（3）速度影像法的使用要点：在速度图中画出机构图形的相似三角形，且顶点绕向一致。如△bcd∽△BCD，BCD是逆时针绕向，bcd也是逆时针绕向。

p'c'aBaCBaCb'

同理，可以利用加速度影像法求同一构件上任意一点的加速度。加速度影像的概念、使用条件和方法，均和速度影像法相同。②利用加速度影像法求D点的加速度已知构件2上B点和C点的加速度，求构件2上D点的加速度，可以利用加速度影像法。在加速度图中，作△b′c′d′∽△BCDd'aD如图所示，矢量p′d′即为aD所对应的矢量。第