广工大机械原理课件02机构的结构分析

第2章机构的结构分析2-1机构结构分析的内容及目的2-2机构的组成2-3机构运动简图2-4

机构具有确定运动的条件2-5机构自由度的计算2-6计算平面机构自由度应注意的事项2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析本章重点：机构具有确定运动的条件；机构自由度的计算。与动力源组合(从运动观点看)由构件组成(从制造观点看)由零件组成机械机器机构构件零件通用零件专用零件原动构件从动构件机架零件构件机构机器静联接动联接(运动副)§2-1机构结构分析的内容及目的一、机器的组成（1）研究机构的组成及机构运动简图的画法；（2）了解机构具有确定运动的条件；（3）研究机构的组成原理及结构分类。§2-1机构结构分析的内容及目的二、内容及目的构件：组成机械的各个相对运动部分称为构件构件:可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构一、构件§2-2机构的组成xyo运动副:两个构件直接接触且具有确定相对运动的联接运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分接触形式:

点、线、面§2-2机构的组成二、运动副按接触形式分：接触形式:

点、线、面低副：面接触高副：点、线接触平面低副空间低副xyo平面高副平面高副空间低副平面低副平面低副三、运动副的分类平面高副平面高副按相对运动分：运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相对运动按相对运动分类：转动副：相对转动——回转副、铰链移动副：相对移动

螺旋副：螺旋运动球面副：球面运动

运动副类型小结平面低副:转动副、移动副（面接触）平面高副:齿轮副、凸轮副（点、线接触）空间低副:螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）空间高副:球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)运动副特性:运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动,只与运动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。工程上常用一些规定的符号代表运动副平面副低副：转动副、移动副(面接触)高副：齿轮副、凸轮副(点、线接触)xyoxyottnnnt空间副高副：点、线接触球面副螺旋副了解若干构件通过运动副联接而成的可动系统称为运动链若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构原动件：按给定运动规律独立运动的构件从动件：其余的活动构件机架：固定不动的构件闭链开链原动件1234从动件机架机构四、运动链及机构机械中一般采用闭链开链多用在机械手中机构各部分的运动，取决于：原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸)机构运动简图:（表示机构运动特征的一种工程用图）用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较：机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图用途：分析现有机械，构思设计新机械§2-3机构运动简图一、概述转动副移动副高副（齿轮副、凸轮副）２二、运动副的表示方法杆、轴类构件机架同一构件两副构件三副构件三、构件的表示方法

在研究机构运动时，可以不考虑那些与运动无关的因素，用简单的线条和符号来表示构件，并按一定比例画出各运动副的相对位置，这种表示各构件间相对运动关系的简单图形，称机构运动简图。四、运动简图的绘制方法运动简图的绘制步骤1．分析机构的组成情况和运动情况，确定其组成的各构件（机架、原动件、从动件）；2．沿运动传递路线，逐一分析各构件间的相对运动情况，以确定运动副的类型和数目；3．恰当选择投影面，一般选择多数构件的运动平面为投影面；4．选定比例尺，先确定位置固定的运动副，从原动件开始，用规定符号按传递顺序依次画出。注意：观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误区：被构件外形所迷惑例题1：颚式破碎机1

2例题2：内燃机内燃机例题3：活塞泵例题4：机架ABCABC思考题1：旋转泵及其机构运动简图活塞泵及其机构运动简图曲柄摇块机构及其机构运动简图μL3思考题2：牛头刨床F=3n-2PL-PH=3

2-2

3-0=0(不能动)F=3n-2PL-PH=3

3-2

5-0=-1(不能动)三个构件通过三个转动副相连,相当于一个构件。多一个约束,超静定桁架一、典型机构分析F=0，静定结构F<0，超静定结构§2-4机构具有确定运动的条件K=5,n=K－1=4,PL=5,原动件数=1→F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2→F

＞原动件数

→机构运动不确定K=4,n=K－1=3,原动件数=2，PL=4→F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1→F

＜原动件数

→杆2被拉断→F=0→机构不动K=5,n=K－1=4,PL=6→F=3n－2PL－PH=3×4－2×6=02F≤0，构件间无相对运动，不能成为机构。F>0原动件数=F，运动确定原动件数<F，运动不确定原动件数>F，机构破坏机构具有确定运动的条件:

自由度大于零（F>0）且原动件数=自由度数二、机构具有确定运动的条件1、构件的自由度自由度

构件所具独立运动的个数（确定构件位置所需独立坐标数）。一个完全自由的平面运动构件具有三个自由度。

xyyx§2-5平面机构的自由度一、平面机构自由度计算公式2平面运动副的约束(1)平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动)(2)平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制)xyＯ21

与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后,运动副引入约束,原自由度减少xyoxyottnnR=2R=2R=1结论：平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束3平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：n

低副数：pl

高副数：phxyＯ21未连接前总自由度：3n连接后引入的总约束数：2pl+phF=3n-(2pl+ph)机构自由度F：F=3n-2pl-ph1234F=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

112345F=3n－2pl－ph

=3

－2

－450=

2F=3n－2pl－ph

=3

－2

－221=1BCAF=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

1F=3n－2pl－ph

=3

－2

－451=

1二、机构自由度计算举例m个构件(m>2)在同一处构成转动副m-1个低副1复合铰链412356F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－560＝

3F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－570＝

1412356②错对—计算在内5232351m个构件,m-1个铰链§2-6计算平面机构的自由度注意事项F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－760＝

9F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－7100＝

1?复复复复例圆盘锯机构F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－331＝

2F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－221＝

1错对—排除2局部自由度定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输出运动的自由度局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件动画不影响机构运动传递的重复约束在特定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用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束虚约束经常发生的场合处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉结论F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－123F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－231＝-1错221＝1对—排除之一为虚约束3虚约束*虚约束经常发生的场合A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分A两构件之间构成多个运动副时两构件组合成多个转动副，且其轴线重合两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数123123目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－221＝1动画B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算412351234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－460＝

0BA错对＝

1F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1C两构件上联接点的轨迹重合在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1动画D机构中对运动不起作用的对称部分在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－332＝112345动画虚约束——结论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，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件123自由度计算公式:F＝3n－2pl－ph机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)计算步骤:确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链计算、验证自由度几种特殊结构的处理:1、复合铰链—计算在内2、局部自由度—排除3、虚约束--重复约束—排除四、平面机构自由度计算小结→原动件数＜F→机构运动不确定→结论错误！→原动件数=F→机构有确定运动解:n=8,PL=10,PH=1，

F=3n－2PL－PH

=3×8－2×10－1=3重解：

n=7,PL=9,PH=1F=3×7－2×9－1=2123456789局虚复合例1:虚F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－570

＝1例2:例3

解得:ｎ＝8,局部自由度1个∴Ｆ＝3ｎ－2ＰＬ－ＰＨ＝3×8－2×11－1＝1∵原动件数＝1∴机构有确定运动局虚复ＰL＝11,ＰＨ＝1，虚约束1个,复合铰链1个。例4:

解得:ｎ＝8,ＰL＝11,

ＰＨ＝1，局部自由度1个,

虚约束1个,复合铰链1个。∴Ｆ＝3ｎ－2ＰＬ－ＰＨ＝3×8－2×11－1＝1∵原动件数＝1∴机构有确定运动局虚复把最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组成为基本杆组或阿苏尔杆组，简称杆组。1杆组一、平面机构的组成原理§2-7平面机构的组成原理、分类及结构分析任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等2平面机构组成原理一、平面机构的组成原理§2-7平面机构的组成原理、分类及结构分析机构机架原动件几个基本杆组二、平面机构的结构分类若杆组中有n个活动构件、pL个低副，则有：pL和n必须为整数。1II级杆组不包含封闭多边形、只包含两副构件的杆组。二、平面机构的结构分类2III级杆组包含具有三个运动副元素的刚性构件(或三个构件组成的三角形)的杆组称为Ⅲ级组。包含四个构件组成的四边形的杆组称为Ⅳ级组；其余依此类推。Ⅳ级杆组Ⅲ级杆组3IV级杆组三、平面机构的结构分析拆杆组时应遵循的原则：（1）从远离原动件的构件开始拆组；（2）试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别

的杆组；（3）每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的

机构。机构的结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。注意：同一个运动链当原动件更换时，机构的级别也有可能改变。I级机构：由一个原动件和一个相对固定的机架所组成的机构。三、平面机构的结构分析例题1：试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1）当以构件1为原动件时；（2）当以构件6为原动件时。三、平面机构的结构分析解：1）机构自由度计算三、平面机构的结构分析解：2）分析1为原动件情况首先从传动路线上离原动件最远的构件4开始拆杆组，先拆下由构件4，5和转动副K，L，M组成的Ⅱ级杆组；接着依次拆下3个Ⅱ级杆组：构件6，7和转动副J，I，H；构件8，9和转动副C，F，G；构件2，3和转动副B，D及移动副E；最后剩下由原动件1和机架10组成的Ⅰ级机构，如图b所示。由于组成该机构的基本杆组的最高级别是Ⅱ级杆组，故该机构为Ⅱ级机构。三、平面机构的结构分析解：3）分析6为原动件情况首先从传动路线上离原动件最远的构件3（冲头）开始试拆杆组。先试拆Ⅱ级组。从图中可以看出，如果拆除构件3，2、移动副E、转动副D和转动副B，则构件1和转动副C均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整机构；如果拆除构件3，2、移动副E、转动副D和转动副C，则构件9和转动副B也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是一个完整机构。因此试拆Ⅱ级杆组失败。三、平面机构的结构分析解：3）分析6为原动件情况再试拆Ⅲ级杆组，即拆除构件3，2，1，9，移动副E和五个转动副，由于剩余部分仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个Ⅱ级杆组：构件7，8和转动副G，H，I；构件4，5和转动副K，L，M。最后剩下由原动件6和机架组成的Ⅰ级机构，如图c所示。由于组成的机构的基本杆组的最高级别为Ⅲ级组，故该机构为Ⅲ级杆组。

作业：2-11、2-122-132-16（a、b）2-18ABCDEF12343.虚约束ABCDEF1234平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF1234平行四边形机构BC构件上点E的轨迹是以F为圆心EF（=AB=CD）为半径的圆。ABCDEF12345若加入构件5（EF），则构件5上的点E与构件3上的点E的轨迹相同而不起实际约束作用。对运动不起实际限制作用约束称为虚约束。计算机构自由度时应去掉。ABCDEF12345计算机构自由度F，去掉构件5及其相连的运动副ABCDEF12345计算机构自由度F，去掉构件5及其相连的运动副F=33-(24+0)=1如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123若AB=BC=BD，观察C点的运动。如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同；ABCD123C点的轨迹为一条垂直线。若在C点加一垂直导路的滑块，必为虚约束F=33-(24+0)=1如下情况出现虚约束：2,两构件组成多个导路平行的移动副；如下情况出现虚约束：2,两构件组成多个导路平行的移动副；如下情况出现虚约束：2,两构件组成多个导路平行的移动副；如下情况出现虚约束：2,两构件组成多个导路平行的移动副；如下情况出现虚约束：2,两构件组成多个导路平行的移动副；两移动副限制作用重复，计算机构自由度时应去掉一个。F=33-(24+0)=1如下情况出现虚约束：3,两构件组成多个轴线重复的转动副；去掉一侧约束不影响机构的运动。如下情况出现虚约束：3,两构件组成多个轴线重复的转动副；等同F=32-(22+1)=1如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF如下情况出现虚约束：4,在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。ABCDEF12345若以构件5在点E，F处铰接，必产生虚约束。计算机构自由度时应去掉。F=33-(24+0)=1如下情况出现虚约束：1，构件上某点轨迹与该点引入约束后的