第2章机械设计中的机构结构学问题-2013

第2章机械设计中的机构结构学问题2.1机构的组成及运动简图的绘制2.1.1机构的组成要素1.运动副机构中两构件直接接触的可动联接。运动副元素：两构件上参加接触而构成运动副的部分，如点、线、面。机构中具有确定运动的单元体；(它可以是一个零件或多个零件组合而成。)零件——加工的单元体2.构件根据构件含有运动副元素的数量,构件可分为:

三副元素构件二副元素构件3.运动链运动链分为闭式运动链和开式运动链两种两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。4.机构将运动链中的一个构件固定作为参考系,另一个或几个构件按给定的运动规律相对于固定构件运动,且其余构件都具有确定运动时,运动链则成了机构机构中固定不动的构件称为机架

机构中按给定运动规律运动的构件称为原动件(主动件)其余随原动件运动的构件称为从动件。零件、构件、机构、机器之间的关系零件-----一个独立加工的单元体。构件-----相对运动的单元体。机构-----若干构件组成。机器-----若干机构组成。2.1.2运动副的分类1.根据运动副引入的约束数分类约束:两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到某些限制。按引入的约束数分有：

I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。I级副II级副III级副IV级副V级副1V级副2V级副32.根据构成运动副的两构件的接触情况分类理论上以面接触的运动副称为低副

点或线接触的运动副称为高副3.根据运动副两元素间相对运动的形式分类平面运动副－平面运动(Plannarkinematicpair)平面机构－全部由平面运动副组成的机构。空间运动副－空间运动(Spatialkinematicpair)例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。空间机构－至少含有一个空间运动副的机构。常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副1212122.1.3机构运动简图的绘制实际机构往往是由外形和结构都很复杂的构件所组成。但构件的运动只取决于运动副的类型和机构的运动尺寸(各运动副相对位置尺寸),与构件的外形、断面尺寸、固联方式、组成构件的零件数目及运动副的具体结构等无关为了便于研究机构的组成原理和运动,可以不考虑构件、运动副的外形和具体构造,只用简单的线条和规定符号代表构件和运动副,并按比例确定各运动副位置,表示机构的组成和传动情况。这种能够表达机构运动特性的简明图形称为机构运动简图。移动副转动副一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件两副构件一般构件的表示方法2、两个构件组成移动副时：3、凸轮高副1、两个构件组成转动副时：4、齿轮高副注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。(1)分析机械的动作原理、组成情况和运动情况,确定其原动件、机架、执行部分和传动部分。(2)沿着运动传递路线,分析构件间相对运动的性质,确定运动副的类型和数目。(3)恰当地选择视图平面,通常可选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。(4)选择适当的比例尺,定出各运动副的相对位置,并用各运动副、常用机构的简图符号和线条,绘制机构运动简图。(5)从原动件开始,按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。机构运动简图的绘制步骤:小型压力机的运动简图偏心泵动画偏心泵12342.2运动链成为机构的条件和机构自由度2.2.1平面运动链的自由度对于一个运动链,各构件相对于一参照坐标系所需独立运动的参变量数目,称为运动链的自由度。它取决于运动链中构件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。自由度活动构件数低副数高副数运动链成为机构的条件为:取运动链中一个构件作为机架,运动链相对机架的自由度必须大于零,且原动件数目等于运动链的自由度数。满足以上条件的运动链即为机构。1、当

、原动件数=机构的自由度数，则机构具有确定相对运动；2、当、机构不能产生相对运动；3、当F>0

、原动件数

机构的自由度数，运动不确定。由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。1复合铰链2.2.3计算机构(运动链)自由度时应注意的问题

准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副1231342123441321432312两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副计算图示圆盘锯机构的自由度圆盘锯机构动画解：活动构件数n=低副数PL=6F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×6－0=97DFECAB56471238F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×10－0=1102、局部自由度(多余自由度)计算图示两种滚子凸轮机构的自由度3214对于凸轮机构：412去掉滚子后，凸轮机构：出现有滚子的场合，计算时应去掉。滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。3、虚约束(重复约束)

平面机构的虚约束常出现于下列情况:（1）联接点的轨迹相重合（2）两个构件构成多个移动副其导路相互平行或重合

●虚约束(Redundantconstraint,Passiveconstraint)定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去。虚约束发生的场合

⑴两构件间构成多个运动副两构件构成多个导路平行的移动副两构件构成多个轴线重合的转动副52134EF5

⑵两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变

未去掉虚约束时F

3n

2pL

pH

3

4

2

6

0

3241EF

附加的构件5和其两端的转动副E、F提供的自由度F

3

1

2

2

1即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1?

⑶

联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合

附加的构件4和其两端的转动副E、F以及附加的构件1和其两端的转动副A、B提供的自由度F

3

1

2

2

1即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

11234ABDFEC43125ABCD平行四边形机构椭圆仪机构1构件2和4在E点轨迹重合构件1和2在B点轨迹重合椭圆仪机构21B342A

⑷

机构中对传递运动不起独立作用的对称部分

对称布置的两个行星轮2

和2

以及相应的两个转动副D、C和4个平面高副提供的自由度F

3

2

2

2

1

4

2

即引入了两个虚约束。未去掉虚约束时F

3n

2pL

pH

3

5

2

5

1

6

1轮系去掉虚约束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2

11234ADBC2

2

虚约束的作用⑴改善构件的受力情况，分担载荷或平衡惯性力，如多个行星轮。⑵增加结构刚度，如轴与轴承、机床导轨。⑶提高运动可靠性和工作的稳定性，如机车车轮联动机构。

注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成实际有效的约束，从而使机构不能运动。计算图示大筛机构的自由度F=3n-2P5-P4=3×7-2×9-1=2局部自由度复合铰链虚约束n=8Pl=11Ph=1F=1例题一、平面机构的低副代替高副（高副低化）目的：便于分析机构的结构和运动特性。方法：用带有二个转动副的一个构件联接于高副接触点的曲率中心上即可。条件:(1)结构条件:增加一个构件及二个低副代替一个高副；(2)运动条件:加入的运动副中心分别位于二高副元素接触点的曲率中心。保持瞬时运动不变(自由度不变、瞬时速度不变、瞬时加速度不变)2.3平面机构的组成原理和结构分析2.3.1平面机构的高副低代各种类型的高副低代:1、接触高副为曲线——曲线2、接触高副为曲线——尖顶3、接触高副为曲线——平底4、齿轮高副1、杆组的定义：杆组——自由度为零，且不可再拆的最简单的运动链。自由度计算公式：2.3.2平面机构的组成原理机构的原动件数必须等于机构的自由度数,故机构从动件系统的自由度数为零。若将从动件系统分解成不可再分解的自由度为零的运动链,这种运动链称为基本杆组,简称杆组。

由于高副可以低化,所以高副不考虑,如有高副,用低副代替。所以低副机构的自由度计算公式为：则：因为构件数和运动副数必须是整数；所以可得一系列类型的杆组；常用的前两种类型的杆组两个构件三个低副四个构件六个低副246…369…两个构件三个低副的类型：四个构件六个低副的类型：b)c)f)由于杆组的形式很多，所以将它分类。2、杆组分类——按杆组中最高多边形的边数来命名杆组的级别。Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级机构的组成原理：（原动件与机架）＋（若干个基本杆组）

基本杆组应满足的条件F

3n

2pL

0

即n

(2

3)pL

基本杆组的构件数n

2，4，6，…基本杆组的运动副数pL

3，6，9，…

⑴n

2，pL

3的双杆组(II级组)内接运动副外接运动副R-R-R组R-R-P组R-P-R组P-R-P组R-P-P组⑵n

4，pL

6的多杆组①III级组

结构特点有一个三副构件，而每个内副所联接的分支构件是两副构件。②IV级组

不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。结构特点具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四边形。①最简单的机构：Ⅰ级机构②Ⅰ级机构与Ⅱ级杆组相联，成为Ⅱ级机构；3、机构的分类按组成机构中最高级别的杆组的级别来命名机构的级别。③Ⅰ级机构与Ⅲ级杆组相联，成为Ⅲ级机构；④Ⅰ级机构与Ⅳ级杆组相联，成为Ⅳ级机构；(1)计算机构的自由度,确定原动件。(2)进行高副低代。(3)从远离原动件的地方开始试拆杆组。先试拆Ⅱ级杆组,当不可能时,再试拆Ⅲ级杆组。但应注意,每拆出一个杆组后,剩下的部分仍能组成机构,且自由度与原机构相同,直至全部拆出只剩下原动件。(4)确定机构的级别。2.3.3平面机构的结构分析机构的结构分析旨在将已知机构分解为若干个杆组,并确定这些杆组的级别和类型,以便对机构进行性能分析。