机械工程学第04章.ppt

1、第四章是机构的结构分析，由张策主编，机械原理与机械设计(第一部分)，机械工业出版社，2004年，黄等主编，机械原理，高等教育出版社，1997年，其他与机械原理相关的书籍，第四章是机构的结构分析，本章重点介绍了构件、运动副、机构、自由度和约束等概念。这个机制有条件决定运动。平面机构自由度的计算。注：本章只研究平面机构的结构分析。第一节概述了第二节运动副及其分类，第三节平面机构的运动简图，第四节平面机构的自由度，第五节平面机构的组成原理和结构分析，第四章机构的结构分析，第一节概述了机构、部件和零件机构是机械装置，它们传递运动和力或引导部件上的点按照给定的轨迹运动。独立运动单元、独立制造单元、内燃机

2、、仪表机构、运动副、第四章机构的结构分析、由四个杆组成的装置，当杆1用作原动机并作出给定的独立运动时，杆2和3与之作出确定的运动。这四根棒构成了一种机制。第四章是机制的结构分析。对于由五个杆组成的装置，当杆1作为原始运动部件并且进行给定的独立运动时，杆2、3和4的运动是不确定的。在这种情况下，五个小节的组合不能称为一个机制。第四章是机构的结构分析，研究机构的目的是探索机构运动的可能性和决定运动的条件；对机构进行分类，建立相应的运动和动力学分析的一般方法；正确绘制机构运动图；熟悉构件组合机制的规则，理解机制的组合原则。第四章机构的结构分析，气缸体、活塞、连杆、曲轴、曲柄连杆机构、齿轮系、凸轮机构

3、、部分连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4和5、螺杆6、螺母7、开口销8、部件连杆，第四章旋转副、齿轮副、移动副，第四章是机构的结构分析，运动副的要素构成运动副的点、线、面。运动对元素的几何形状决定了两个分量的相对运动形式。根据相对运动是平面运动还是空间运动，运动副的分类可以分为平面运动副和空间运动副。这本书主要讨论平面运动副。第四章是机构的结构分析，以及各自由度构件的独立运动次数。约束对组件的独立移动施加限制。三个独立参数：x，y，第4章，机构的结构分析，平面运动副的分类：低副：两个部件之间有表面接触的运动副。旋转对的移动对有两个约束。高副：两个构件之间点接触或线接触的运动副。有一个限制。运动

4、链，机构，第4章机构的结构分析，平面低副，旋转副(曲面接触)，移动副(平面接触)，第4章机构的结构分析，平面高副，凸轮高副(点接触)，齿轮高副(线接触)，第4章机构的结构分析，第3节平面机构的运动图，这表明在机构中不按比例绘制的草图称为机构示意图。注意：该机构的运动草图与原机构具有相同的运动特性！第四章是机构的结构分析，绘制了机构的运动图，分析了机器的结构和工作原理，并沿着运动传递路线，找出了原运动部件、工作执行部件和机架。确定部件的数量、运动副的数量、类型和相对位置。选择元件的运动平面作为草图的投影平面。选择合适的长度比例，确定运动副的位置，用第4章机构结构分析，常用平面运动副表示，第4章机

5、构结构分析，实例：油泵机构1盘2柱塞3部件4框架、A、B、C、1、2、3、实例2、实例3、实例1、4、第4章机构第4章机构结构分析，实例2:画出偏心轮传动机构运动示意图，第4章机构结构分析，第4章机构结构分析，第4章机构结构分析，第4章机构结构分析，实例3:图解冲床。围绕固定中心A旋转的菱形盘1是原动机，其在点B处与滑块2铰接。滑块2推动叉3围绕固定轴C旋转。叉3和盘4是相同的部件。当圆盘4旋转时，冲头6被连杆5冲压。试画出其机构的运动图。第四章是机构的结构分析，第四节是平面机构的自由度，闭合链的每个成员至少有两个运动副；封闭系统的开链的某些部件在开始和结束时只包含一个运动副；第四章是机构的结

6、构分析，机构框架：固定构件；通常相对于地面固定。运动者：根据已知运动定律独立运动的成员；通常由转向箭头表示。从动件：其他可移动部件；它的运动规律由原动机的运动规律、机构的结构和部件的尺寸决定。返回，第四章是机构的结构分析，机构中每个部件相对于框架的独立运动次数的自由度。以铰链四杆机构为例。因此，机构的自由度是指可动构件的总自由度数与运动副引入的约束总数之差：F=3n-2PL-PH，第4章，机构的结构分析，有条件地观察机构有确定的运动：1)自由度等于1，铰接四杆机构2)自由度等于2，铰接五杆机构3)自由度小于或等于0，桁架结论：当F0，当F0，原动机的数量为F，机构原动机的数量f，机构的运动是不

7、确定的；原动机的数量f，机构有明确的运动。例如：牛头刨床，第4章，机构的结构分析，计算机构自由度时的注意事项？当同一轴上的两个以上的构件通过旋转对连接时，形成复合铰链。局部自由度在某些机构中，某些部件的局部运动不影响其他部件的运动。这些局部运动的自由度称为局部自由度。在虚拟约束机制中，一些运动副引入的约束可能与其他运动副的约束重复，因此在实践中没有约束效应，这种约束就是虚拟约束。第四章是机构的结构分析，总结了机构自由度计算中的注意事项，以及旋转副中存在的正确处理方法：复合铰链处有m个构件，旋转副有(m-1)个，复合铰链和局部自由度往往发生在滚子处，在滚子处滑动摩擦变为滚动摩擦，以减少高副的磨损

8、。正确的处理方法：计算自由度时，减去局部自由度。虚拟约束存在于特定的几何或结构条件下。正确的处理方法：消除导致虚拟约束的组件和运动副。第4章机构的结构分析，示例：计算图示机构的自由度。N=3 PL=4 PH=0 F=33-24-0=1，1，2，3，4，虚约束，例1，例2，例3，第4章，机构结构分析，3，4，以构件4为导入构件1 (x1，y1，1)和导入构件2 (x2，y2，2)与框架4铰接形成旋转副，引入两个约束，构件1相对于框架4的独立移动次数只有1。那么F=3-2。以同样的方式，引入了部件3，其与部件2铰接以形成旋转对，并且引入了两个约束。部件3相对于框架4的独立运动次数是1，F=(3-2

9、) (3-2) (3-2)。最后，部件3与框架4铰接，以第四章是机构的结构分析，铰链四杆机构，F=1，对于构件1的每个旋转位置，构件2和3都有一个确定的位置，所以当有一个原动机时，自由度等于1的机构的运动是确定的。如果部件3也是原动机，也就是说，部件3可以在由部件1确定位置之后独立移动，这是不能实现的，并且如果部件3被迫独立移动，机构将被损坏。在第四章，机构的结构分析，铰链五杆机构，如果只使用部件1作为原动机，部件2，3和4的运动位置对于部件1的每个独立运动是不确定的。如果构件1和4作为原动机，可以看出，对于每个组(1和2)，构件2和3具有确定的对应位置，即，机构的运动是确定的。第四章，机构的

10、结构分析，1)自由度F=0，这是一个静定桁架，所有构件不能产生相对运动。2)自由度F=-1，这是一个有太多约束的超静定桁架。第四章是机制的结构分析。图为牛头刨床初步设计方案。动力从齿轮1输入，滑枕5通过齿轮机构1、2和导杆机构3、4来回移动，达到滑行的目的。试着分析它是否能达到设计意图。第四章：机构的结构分析与求解：制作机构的运动图。当n=5，PL=7，PH=1，自由度F=35-27-1=0时，表明机构不能运动。因为构件3和构件5的铰接点C不能同时实现沿水平方向的直线运动和围绕点A的圆弧运动。第四章是机理的结构分析，n=6，pl=8，ph=1，f=36-28-1=1，6，6，6，6，n=5，p

11、l=6，ph=2，f=35-。第四章是机制的结构分析。由m个构件组成的复合铰链有(m -1)个转动副。注意：复合铰链只存在于旋转副中！第四章机构的结构分析计算机构自由度时不考虑局部自由度。带有滚子从动件的凸轮机构如图所示。除去局部自由度后，n=2，PL=2，PH=1，F=32-22-1=1。在第四章，机构的结构分析中，在计算机构的自由度时，应剔除具有虚拟约束的运动副和部件。虚拟约束的几种情况发生：1)连接点的轨迹重合；2)当不同部件上的两个点之间的距离保持不变时，通过在两个点之间添加一个部件和两个旋转对而引入的约束是虚拟约束。第四章，机构的结构分析，3)当两个部件组成多个运动副，并且它们的导轨

12、相互平行时；或者，当两个构件形成多个旋转副并且它们的轴彼此重合时，只有一个移动副或旋转副工作，其余的被视为虚拟约束。也就是说，两个构件在几个地方接触形成一个运动副。在第四章中，机构的结构分析表明，n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1，两个构件在几个位置接触形成运动副，两个构件在几个位置形成转动副，每个转动副的轴线重合。只有一个运动副作为约束，所有其他地方都是虚拟约束；根据只有一个计算！第四章是机制的结构分析。4)虚拟约束将出现在对运动没有影响的机构的对称部分。第四章是机构的结构分析，这是旋转副C用于连接构件2和3的情况。因为C2和C3在连接之前的轨迹是沿着Y轴的。此

13、时，旋转副c将引入一个虚拟约束。在计算中，部件3、旋转对c和3以及框架移动对被移除。F=3n-2 pl ph=34-26-0=0，正确计算：F=33-24-0=1，不包括导致虚拟约束的附加构件和运动副的数量。第四章，机构的结构分析，f=3n-2pl ph=33-24-0=1，f=3n-2pl引入了一个虚约束，它是正确的：n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1。第四章：机构的结构分析，例1:计算包装机送纸机构的自由度，并进行判断在计算自由度之前，直接删除虚拟约束和局部自由度：n=6 pL=7 pH=3 F=3n-2pL-pH=1，第4章机构的结构分析，例2:计算图形机构

14、的自由度。如果存在复合铰链、局部自由度和虚拟约束，则应明确指出。带箭头的组件是原动机。复合铰链、局部自由度、1虚拟约束、复合铰链、第4章机构的结构分析、例3:计算图形机构的自由度。分析：该机构有五个活动件和七个转动副，即低副和无高副。因此，该机构的自由度为F=3n-2pl pH35-27-0=1。第四章是机构的结构分析，第五章是平面机构的组成原理和结构分析。为了便于分析包含高副的平面机构，机构中的高副由虚拟低副和根据特定条件的部件的适当组合代替。更换高副和低代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变。第四章是机构的结构分析，高副低代的方法：用一个有两个低副的虚拟部件代替高副，两个低副分别

15、位于两个高副和两个元件的接触点的曲率中心。第四章，机构的结构分析，在接触点的法线上找出接触点的曲率中心K1和K2，用铰接四杆机构O1K1K2O2瞬间代替原来的高副机构。第四章，机构的结构分析，当两个接触轮廓中的一个为直线时，直线的曲率中心趋于无穷大，转动副演化为运动副。第四章机构的结构分析当两个接触轮廓中的一个是点时，它的曲率半径为零，转动副在该点。第四章机构结构分析，两个接触轮廓分别为直线和点。第四章机构的结构分析，常见的高副和低代类型第四章机构的结构分析最简单的零自由度不能拆卸的构件组称为机构的基本杆组。机构的组成原理任何机构都可以看作是由几个基本杆组组成的结构，这些杆组依次与原动机和机架相连。机构的自由度f=F主动杆，1个框架的自由度为0，几个基本杆组的自由度为0。第4章：机构的结构分析，如果基本杆组的成员数为n，下副数为P1，则可以得到F3n2PL0，所以n 2 4 6 PL 3 6 9，级杆组，级杆组，一个机构的级别取决于其基本杆组中的最高级别，如级别机构。第四章：机构的结构分析，八杆机构的组成，第四章：机构的结构分析。注意：杆组的所有外部运动副不能平行连接到一个构件，因为这种连接将使杆组和连接的零件形成桁架。如图所示，它不能增加条组。第四章是机制的结构分析。平面机构的结构分析将已知机构分解为原动机、框架