机械原理第二章

1、2020/8/26,第2章 平面机构的结构分析,2-1 机构结构分析的内容及目的,2-2 平面机构的组成,2-3 平面机构运动简图,2-4 平面机构自由度的计算,2-5 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,.,2-1 机构结构分析的内容及目的,本节研究的主要内容及目的是：,(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和结构分类以及型综合,平面机构 组成机构的所有构件都在一个平面或 相互平行的几个平面内运动的机构,.,2-2 平面机构的组成,1.构件,零件,独立制造单元体,构件,独立运动单元体,任何机器都是由若干个构件组合而成的,

2、任何机器都是由许多零件组合而成的。,结论：,构件是组成机构的一个基本要素,构件有的是一个零件而运动的，,而往往是由若干个零件刚性 连接的一个整体而运动的,连杆,单缸内燃机,.,机构的组成(2/5),两构件参与接触的表面。, 两构件间直接接触而形成的可动连接。,运动副,运动副元素,实例：,2.运动副,轴 与 轴承,运动副也是组成机构的又一基本要素。,滑块与导轨,两轮齿啮合, 圆柱面与圆孔面, 棱柱面与棱孔面, 两齿廓曲面,运动副自由度 f 和约束数s的关系：,f = 6 s,其约束数最少为1，最多为5。,结论：,运动副元素是决定运动副具体特征的要素。,（1）概念,.,自由构件(空间)：F = 6

3、 自由构件(平面)：F = 3,约束：运动副对构件独立运动所加的限制,.,4）按相对运动形式分,转动副,移动副,螺旋副,球面副,2）按接触形式分,高副：,点、线接触的运动副,低副：,面接触的运动副,（2）分类,1）按引入的约束数目分：,级副、,级副、,级副,机构的组成(3/5),2.运动副,3）按保持接触的形式分,几何,力封闭运动副（重力、弹簧力）,（常用运动副的模型）,5）分平面运动副与空间运动副两类,或 形封闭运动副,（回转副 或 铰链）,（3）符号,运动副常用规定的简单符号来表达,（常用运动副的符号）,（GB446084）,.,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数

4、目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,转动副,五级副,R,.,P,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,移动副,五级副,.,按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类： 按接触部分的几何形状分类：,平面运动副,高副,平面高副,四级副,.,低副机构,高副机构,.,3.运动链,运动链,闭式运动链,（闭链）常用机械,与开式运动链,（开链）机器人或机械手,机构的组成(4/5), 构件通过运动副构成的相对可动的系统,分类：,表达：,1）,平面运动链,与空间运动链,2）,平面闭式运动链,空间闭式运动链,平

5、面开式运动链,空间开式运动链,.,空间铰链四杆运动链,平面铰链四杆运动链, 已知独立运动的构件,4.机构,机 构,机 架,原动件,从动件, 相对固定的构件,其余从动运动的构件,平面铰链四杆机构,平面机构与空间机构,平面机构的应用最为广泛,空间铰链四杆机构,（用转向箭头表示）,机构的组成(5/5),具有固定构件的运动链,组成：,分类：,原动件,.,不严格按比例绘出的，只表示机械结构状 况的简图。, 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，,2-3 平面机构运动简图,在分析和设计机械时，都需要绘出其机构运动简图。,1.机构运动简图,机构运动简图,用运动副及常用机构运动简图符号和 构

6、件的表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简图。,机构示意图,.,国标规定的构件和运动副的表示符号 运动简图的绘制方法,.,构件与运动副的表达方法,机架,机架和活动构件通过转动副联接 (内副),机架和活动构件通过移动副联接,.,两个活动构件联接,.,双副构件 (一个构件和两个外副),注：点划线表示与其联接的其他构件,.,双副构件 (一个构件和两个外副),.,偏心轮,.,三副构件 (一个构件和三个外副),.,三副构件 (一个构件和三个外副),.,.,.,原动机,.,表示转动副的小圆，圆心必须与相对回转轴重合；表示移动副的滑块其导路必须与相对移动的方向一致；表示平面高副的曲线，其曲率中心的位置必须

7、与实际轮廓相符 具有个运动副元素的构件，可以边形表示,.,查明构件数、运动副的类别及其位置；,（2）举例,2）依据机构某个瞬时运动位置选定视图平面；,3）选适当比例尺作出各运动副的相对位置，,机构运动简图(2/2),2.平面机构运动简图的绘制,（1）步骤,1）搞清机械的构造及运动情况，,原动件开始沿着运动传递路线，,再画出各运动 副和常用机构的符号，,最后用简单线条或几何图形连接即成。,鄂式破碎机简图绘制 内燃机简图绘制,.,小型压力机,.,2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。,转动副,移动副,平面高副,.,3. 选择适当的视图平面,选择原则 1 清楚表

8、达机构的主体部分； 2 尽可能反映机构的全面运动； 3 可以选择其他视图平面作为补充。,.,运动简图的绘制,1. 分析整个机构的工作原理,沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动 关系，确定运动副的类型和数目,3. 选择适当的视图平面,.,4. 绘图,选择机架,提取构件的运动尺寸,确定比例尺,选择机构运动中的一个状态,确定各运动副位置，绘图,编号：A、B、C 表示运动副 1、2、3 表示构件 O1、O2表示固定转轴,原动件的运动方向,.,2-4 机构具有确定运动的条件,分析：,例1 铰链四杆机构,例2 铰链五杆机构,若给定一个独立运动，,则运动完全确定,若给定两个独立运动，,则最薄弱环节损坏,

9、若给定一个独立运动，,则运动不完全确定,若给定两个独立运动，,则运动完全确定,机构的自由度,机构具有确定运动的条件是：,问题：,若原动件数F,若原动件数F,则机构运动将不确定,则机构最薄弱环节损坏,两个例子,机构运动确定时所需的独立运动数目,结论：,机构的原动件数目应等于其自由度的数目,一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？,F,运动副的作用： 自由度：构件相对于其它构件的独立运动 平面构件,x 移动 y 移动 z 转动,约束：对自由度的限制 运动副的作用：引入约束，限制构件的自由度,运动副及其作用,运动副的作用： 自由度：构件相对于其它构件的独立运动 平面构件,x 移动 y 移动 z 转

10、动,约束：对自由度的限制 运动副的作用：引入约束，限制构件的自由度,运动副及其作用,低副：限制两个自由度 高副：限制一个自由度。,.,例：计算平面运动链自由度,1,2,3,4,5,P4 = 1 P5 = 5,n = 4,F = 34 25 1 = 1,计算公式 N 个构件；n = N -1个活动构件； pL个低副；PH个高副 自由度： F = 3 n - 2 pL - PH,.,运动链成为机构的条件,运动链的自由度 F = ? 运动链的运动情况如何?,.,F = 34 - 25 = 2 1 个原动件,F 0，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。,.,F = 33 - 2

11、4 = 1 2 个原动件,F 0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。,.,运动链成为机构的条件：,运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链 相对于机架的自由度必须大于零，且原动件数目 等于运动链自由度数。 满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的 计算可采用运动链自由度的计算公式。,“机构”的定义：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。,.,2-5 机构自由度的计算,1.平面机构自由度的计算,（1）计算公式,3n,式中 n活动构件数目,pl 低副数目,ph

12、高副数目,(2) 举例,1）铰链四杆机构,F3n(2plph),33,24,0,1,2）铰链五杆机构,F3n(2plph),34,25,0,2,(2plph),F,.,2-6 计算机构自由度时应注意的问题,问题1：复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副 联接所构成的运动副。,解决方案 k 个构件在同一处构成复合铰链， 实际上构成了 ( k-1 ) 个转动副。,F = 35 - 27 = 1,.,解决方案 计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子 的构件固接为一个整体，成为一个构件 或在计算结果中去除局部自由度,问题2：局部自由度 某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自 由度，经

13、常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。,局部自由度 F = 3*3 - 2*3 - 1 = 2 显然错误 小滚子的运动并不影响整 个机构的运动 局部自由度 改善受力情况,减少磨损， 假想 2、3 件焊接在一起,F = 3*2 - 2*2 - 1 = 1,.,问题3：虚约束 在特定的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是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。,.,场合一：两个构件之间形成多个运动副,F = 31 - 22 = -1,解决方案 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为 两个构件之间只形成一个运动副,两个构件之间形成多个与导路重合或

14、平行的移动副,.,等宽凸轮机构,等径凸轮机构,.,场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变,.,AB = BC = BD DAC = 90 除 B、C、D点，各点轨迹为一椭圆 D点轨迹是沿 Y 轴的直线,场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合,.,场合四：机构中存在不起作用的对称部分,为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分,.,虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率 或者其它特殊需求； 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用； 虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果 这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；,虚约束问题小结：,机械

15、设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装 配精度，以确保满足虚约束存在的条件。,.,例：计算大筛机构自由度,复合铰链？ 局部自由度？ 虚约束？,n = 7 P4 = 1 P5 = 9 F = 37 - 29 1 = 2,.,练习一： 绘制机构运动简图,F = 3*3- 2*4 = 1,F = 3*3- 2*4 = 1,练习二：计算机构的自由度,D 处为复合铰链, m=3; 构件8为虚约束； C、H 处为局部自由度,n= 6 , PL=7 , PH= 3 F = 3*6- 2*7-3 = 1,.,两构件在多处接触而构成运动副，,总结 1.要正确计算运动副的数目,（1）复合铰链,（2）同一

16、运动副,1）移动副，,2）转动副，,3）平面高副，,其转动副数目 m1,且符合下列情况者，只算一个运动副,且移动方向彼此平行；,且转动轴线重合；,且各接触点处的公法线彼此重合。,（3）复合平面高副,两构件在多处接触而构成各接触点处的公法线方向彼此不重合的平面高副，,相当于一个低副（转动副或移动副）。,.,计算平面机构自由度时应注意的事项(3/6),机构中某些构件所产生的不影响其他构件 运动的局部运动的自由度，,2.要除去局部自由度,局部自由度,以F表示。,3.要除去虚约束,机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约束作用的约束，,4机构中的虚约束常发生的几种情况,（1）轨迹重合情况,在机构中，如

17、果用转动副连接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，,该连接将带入一个虚约束。,（2）距离恒定不变两点的情况,在机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，,若用一双副杆将此两点相连，,也将带入一个虚约束。,（3）结构重复的情况 包括运动副和对称两种情况,.,构件 + 运动副 运动链 机构,2-7 平面机构的组成原理及结构分析,.,任何机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的,不能再拆的最简单的自由度为零的构件组,1.平面机构的组成原理,基本杆组,机构组成原理,注意：在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，,（阿苏尔杆组或杆组）,否则将起不到增加

18、杆组的作用。,.,（1）基本杆组的条件,3n2plph0,式中n、pl及ph分别为基本杆组中的构件数、低副数和高副数。,全为低副杆组的条件,3n2pl0,或 n/2pl/3,（2）杆组的基本类型,1）级杆组,由2个构件和3个低副构成的杆组。,2）级杆组,由4个构件和6个低副构成的杆组。,平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(2/4),.,机构的组成原理,.,机架和原动件,.,机构的组成：,在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的 自由度，每次增加都可以获得一个新机构；,设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结 构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。,F = 3n - 2P5 P4,.,.,3.平面机构的结构分析,（1）分析的目的,了解机构的组成，确定机构的级别。,（2）分析的方法,1）先计算机构的自由度，并确定原动件；,2）从远离原动件的构件先试拆级组，若不成；再拆 级组，直至只剩下原动件和机架为止；,3）最后确定机构的级别。,（3）举例,平面机构的组成原理、结构分类及结构分