机构的结构分析

机构的结构分析第一页，共81页。机构的结构分析第二页，共81页。第一章平面机构的结构分析本章教学内容1-1平面机构的组成1-2平面机构的运动简图1-3平面机构自由度1-4机构的组成原理及结构分析1-5平面机构中的高副低代第三页，共81页。

1.构件(Link)

机械的独立运动单元，传递运动和力的载体。实例：内燃机中的缸体、活塞、连杆、曲轴等。§1-2

平面机构的组成内燃机连杆第四页，共81页。

构件可以是一个零件,也可以由几个零件刚性连接组成。实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性连接组成。零件(Part)是机械的制造单元。连杆体连杆盖螺栓垫圈螺母连杆衬套轴瓦内燃机连杆第五页，共81页。

2.运动副两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互直接接触所形成的可动连接。运动副元素—两个构件上相互接触的表面。

第六页，共81页。运动副元素不外乎为点、线、面。第七页，共81页。1.构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。2.约束：指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为5个。◆构件自由度与约束第八页，共81页。Oxzysxszsy

y

x

z空间运动刚体的自由度

一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度为sx，sy，sz，

x，

y，

z

，即自由度数F

6。

平面运动刚体的自由度为sx，sy，

z，即自由度数F

3。y

x

z

O

y

z(x,y)xO平面运动刚体的自由度sxsy

刚体的自由度第九页，共81页。

观察图示两构件组成的圆柱副

两构件保留的相对运动sz和

z，即自由度数F

2。

两构件之间受限制的相对运动sx，sy，

x和

y，即约束数s

4。

zxyO

zsz第十页，共81页。

运动副的分类●按运动副引入的约束数分类

I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。●按运动副的接触形式分类点、线接触的运动副—高副面与面接触的运动副—低副●按两构件相对运动的形式分类平面运动副空间运动副●按接触部分的几何形状分类圆柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圆柱副、圆柱–平面副等等。第十一页，共81页。运动副举例球面–平面副Sphere-planepair空间I级高副圆柱–平面副Cylinder-planepair空间II级高副第十二页，共81页。球面副Sphericalpair空间III级低副球销副Sphere-pinpair空间IV级低副第十三页，共81页。圆柱副Cylindricpair空间IV级低副螺旋副Helicalpair空间V级低副第十四页，共81页。转动副Revolutepair平面V级低副轴承Bearing铰链Hingedjoint第十五页，共81页。移动副Prismaticpair,Slidingpair平面V级低副第十六页，共81页。运动副的封闭保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。●几何封闭(Geometricclosure)●力封闭(Forcedclosure)弹簧力封闭重力封闭第十七页，共81页。3、运动链◆运动链:指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运动的系统。★闭链:运动链的各构件构成首尾封闭的系统。★开链:运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。第十八页，共81页。★平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。★空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链。空间运动链第十九页，共81页。

4.

机构其余构件运动是否确定？机构满足条件在另一个（或几个）构件上加上已知运动21341432运动链

4132固定一个构件至少1个1个机构机架

原动件

从动件系统第二十页，共81页。4、机构◆机构:在运动链中将一构件加以固定,而其余构件都具有确定的运动，则运动链便成为机构。◆机架：机构中固定不动构件。◆平面机构:机构中各构件间的相对运动为平面运动。◆空间机构:机构中各构件间的相对运动为空间运动。机架原动件◆原动件:机构中按给定的运动规律独立运动的构件。◆从动件:机构其余活动构件。第二十一页，共81页。平面机构是应用最广泛的机构。平面运动副的约束数为1

s

2。点、线接触的平面运动副—平面高副

面接触的平面运动副—平面低副

转动副

移动副

滚动副

凸轮副

齿轮副

第二十二页，共81页。§1-2

机构运动简图◆机构运动简图机构运动简图：指根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定出各运动副的位置,并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。为什么要画机构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。第二十三页，共81页。◆机构示意图机构的示意图：指为了表明机构结构状况,不要求严格地按比例而绘制的简图。◆常用运动副和构件的表示方法机构运动简图应满足的条件：⑴构件数目与实际机构相同；⑵运动副的性质、数目与实际机构相符；⑶运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。第二十四页，共81页。常用运动副的符号运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副121212121212212121平面运动副两构件之一为固定时的运动副121222112211222112运动副名称第二十五页，共81页。平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副1212空间运动副122112平面运动副21第二十六页，共81页。构件的表示方法

杆、轴构件固定构件同一构件第二十七页，共81页。三副构件

两副构件

构件的表示方法第二十八页，共81页。

画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。第二十九页，共81页。常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在机架上的电机齿轮齿条传动圆锥齿轮传动带传动第三十页，共81页。链传动圆柱杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动常用机构运动简图符号（续）第三十一页，共81页。常用机构运动简图符号（续）内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构第三十二页，共81页。2）确定运动副类型和数目。3）选定比例尺，用线条和规定符号作图。例绘制转动翼板式水泵机构运动简图。

绘制旋转泵机构运动简图。

绘制图示机构的机构运动简图。◆画机构运动简图的方法1）确定构件数目，辨清主、从动件。第三十三页，共81页。机架→原动件→从动件例2:作图步骤：1.分析结构和相对运动2.选择视图平面和比例尺3.选择原动件的一个位置4.按表达方式作图例1:第三十四页，共81页。1234ABC141223A14B12C23432414例题3：第三十五页，共81页。例题4：内燃机第三十六页，共81页。例题5：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有6个构件和7个转动副。123456第三十七页，共81页。ABCEFDG例题5：破碎机第三十八页，共81页。平面机构运动简图绘制举例偏心泵1234例题６第三十九页，共81页。例题7、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。◆画机构运动简图的方法ABCDE分析：绘制简图：123456第四十页，共81页。:1.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。2.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目;3.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。选择适当的比例尺,定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号,将机构运动简图画出来。从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。小结：第四十一页，共81页。◆实例分析§1-3

平面机构自由度四杆机构给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。

机构中给定独立运动参数的构件为原动件。◆问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动？第四十二页，共81页。五杆机构一机构具有确定运动的条件给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：机构有确定运动。第四十三页，共81页。

机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动原动件数小于F,各构件无确定的相对运动原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏结论：机构具有确定运动的条件：1机构自由度>02原动件数＝机构自由度数◆结论第四十四页，共81页。二平面机构自由度的计算(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个约束第四十五页，共81页。(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-ph第四十六页，共81页。机构自由度举例：1234F=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第四十七页，共81页。自由度F0原动件数目＝机构自由度数目n=6,Pl=8,Ph

=1(3与5同一构件)F=3n－2Pl－Ph=3×6－2×8－1=1Ｆ＝原动件→机构有确定运动例:机构具有确定运动的条件(F=0不动；多于不确定;少于破坏）3第四十八页，共81页。内燃机及其机构运动简图F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1第四十九页，共81页。直线机构

计算错误的原因：

三计算机构自由度时应注意的问题

举例直线机构自由度计算

解

n

7，pL

6，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

6

9错误的结果！两个转动副12345678ABCDEF第五十页，共81页。

●复合铰链定义：两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。

k个构件组成的复合铰链，有(k-1)个转动副。

正确计算

B、C、D、E处为复合铰链，转动副数均为2。

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

1

12345678ABCDEF第五十一页，共81页。

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第五十二页，共81页。实例分析2：计算图示凸轮机构自由度解：F=3n-2pl–ph=3×3-2×3-1=2F=3n-2pl–ph-F′

=3×3-2×3-1-1=1方法二：假想构件2和3焊成一体F=3n-2pl–ph=3×2-2×2-1=1★

局部自由度◆计算机构自由度应注意的事项（续）

机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动,把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F′表示.注意：计算机构自由度时,应将局部自由度除去不计。方法一：第五十三页，共81页。

指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用,这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用P′表示。◆计算机构自由度应注意的事项（续）★虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。●将因虚约束而减少的自由度再加上。即：

F=3n-2pl–ph+P′

●不计引起虚约束的附加构件和运动副数。

F=3n-2pl–ph去除虚约束的方法：第五十四页，共81页。●虚约束定义：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第五十五页，共81页。

若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各2个约束。此两种情况没有虚约束两构件构成多个接触点处法线重合的高副第五十六页，共81页。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?第五十七页，共81页。

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构件2和4在E点轨迹重合构件1和2在B点轨迹重合第五十八页，共81页。1B342A

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周转轮系

去掉虚约束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2

11234ADBC2

2

第五十九页，共81页。

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。第六十页，共81页。小结◆计算机构自由度应注意的事项（续）存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副◆复合铰链◆局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。◆虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。第六十一页，共81页。典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。解法2：

复合铰链：D包含2个转动副局部自由度：F’=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：动画演示解法1：◆计算机构自由度典型例题分析n=6pl=7ph=3F=3n-2pl-ph=1第六十二页，共81页。典型例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链解：分析局部自由度1个虚约束复合铰链◆计算机构自由度典型例题分析第六十三页，共81页。典型例题二（续）复合铰链局部自由度1个虚约束复合铰链◆计算机构自由度典型例题分析第六十四页，共81页。一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：自由度数=原动件数◆基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。§1-4平面机构的组成原理及结构分析1.杆组机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的自由度为零的杆组第六十五页，共81页。

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，…

根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：

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组第六十六页，共81页。⑵n

4，pL

6的多杆组III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。第六十七页，共81页。

机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。2.机构的组成原理动画演示◆机构组成过程◆机构创新设计应遵循的原则利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。第六十八页，共81页。

机构结构组成举例

BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHABCD

注意杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。第六十九页，共81页。A19B2

C5463DEFGA19B2645GE3CDFIHJ78HJI87

在进行新机械方案设计时，可以按设计要求由杆组组成机构，进行创新设计。第七十页，共81页。二、平面机构的结构分类◆II级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。◆III级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。◆Ⅰ级机构只由机架和原动件组成的机构称为Ⅰ级的机构。（杠杆机构、斜面机构）◆机构结构分类的依据：

根据机构中基本杆组的级别进行分类。第七十一页，共81页。◆结构分析目的三、平面机构的结构分析

了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。◆结构分析的过程拆杆组

从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。◆杆组拆分原则◆机构结构分析步骤★典型例题1：试确定图示机构级别。1、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。杆组拆分示例第七十二页，共81页。

机构结构分析举例EF45GIH67