机械原理教学PPT 机构的结构分析.ppt

,第二章 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时应注意的事项,2-7 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,返回,2-1 机构结构分析的内容及目的,主要内容及目的是：,研究机构的组成及机构运动简图的画法；了解机构具有确定运动的条件；研究机构的组成原理及结构分类。,2-2 机构的组成,1构件,构件的自由度,构件的定义：独立运动单元,自由度的定义：独立运动参数的个数或描述构件位置和姿态所需的独立坐标数。,构件自由度数目,平面运动构件：3个自由度。,空间运动构件：6个自由度。,2 运动副,运动副定义,两个构件直接接触组成的可动联接。,运动副元素,构件上参与接触的几何元素。,运动副作用,提供约束。,例如：球面副保留3个相对运动：x、y、z提供3个约束：sx、sy、sz,约束的定义,对运动所加的限制。,运动副的分类,（2）按相对运动形式：,（1）按接触形式：,平面副：保留的相对运动为平面运动。,空间副：保留的相对运动为空间运动。,转动副：只保留的1个相对转动自由度。,移动副：只保留的1个相对移动自由度。,（3）按提供的约束数：,1级副、2级副、3级副、4级副、5级副。,（4）按运动副元素：,圆柱副、球面副、球销副、螺旋副球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副。,平面运动副的分类,（1）平面低副：转动副、移动副，空间5级副。,（2）平面高副：例如齿轮副、凸轮副，空间4级副。,提示：1个平面运动构件有3个自由度。,1个平面低副引入2个约束，平面2级副。,1个平面高副引入1个约束，平面1级副。,3.运动链,运动链的定义：两个以上构件用运动副联接而成的系统。,运动链的分类,闭式运动链(闭链)：运动链是封闭图形。,开式运动链(开链)：运动链是开放图形。,4.运动链成为机构的2个条件,（1）选定某一构件为机架；,（2）选定1个或几个构件为原动件，使运动确定。,从动件其余可动构件。,输出构件运动、动力输出的构件。,机架相对固定的构件。,原动件运动规律已知的构件。,术语,连架杆与机架相联的构件。,1 机构运动简图,机构运动简图：用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。,2-3 机构运动简图的绘制(了解),画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件尺寸(即运动副之间的尺寸)和运动副的性质。,机构示意图：不按比例绘制的简图；,术语,机构运动简图：按精确比例绘制的简图。,构件的表示方法简单线条和几何图形,常见运动副符号的表示:国标GB446084,常用机构运动简图符号,【例1】绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。,1.颚式破碎机,2 机构运动简图的绘制,绘制方法及步骤：,（1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；,（2）选定视图平面；,（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。,A,B,E,D,C,F,G,【例2】绘制图示偏心泵的运动简图。,偏心泵,【解】,2-4 机构具有确定运动的条件(重点),一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？,两个例子,铰链四杆机构,铰链五杆机构,若给定机构一个独立运动，,运动完全确定；,若给定机构两个独立运动，,最薄弱环节损坏。,若给定机构一个独立运动，,运动不确定；,若给定机构两个独立运动，,运动完全确定。,机构的自由度 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用F表示。,结论 机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目F。,如果原动件数F,如果原动件数F,则机构的运动将不确定；,则会导致机构最薄弱环节的损坏。,结论：机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目F。,知识回顾,1个平面运动构件有3个自由度。,1个低副(转动副移动副)引入2 个约束。,1个高副引入 1 个约束。,2-5 机构自由度的计算,F=1,33,24,F=1,4,3,【引例】,设：,平面机构自由度的计算公式,F=3n-2PL-PH,有 n 个活动构件，,PL个低副，,PH个高副，,则,【例3】计算铰链五杆机构的自由度。,【解】n=,4,PL=,5,F=3n-2PL-PH,PH=,0,F=2,=34-25-0,=2,F=0：静定桁架,F=-1：超静定桁架,结论：F0，运动链可动。,F=1运动链给定1个原动件:,F=1运动链给定2个原动件:,运动确定。,损坏构件。,F=2机构给定1个原动件:,F=2机构给定2个原动件:,运动不确定。,运动确定。,即机构具有确定运动的条件,原动件数=F0,1,【例4】计算火车轮机构的自由度,【解】,n=,6,PL=,PH=0,8,F=3n-2PL-PH,=36-28-0,=2,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,D,C,B,7,1.复合铰链(简称复铰),若有 m 个构件,2-6 计算自由度时应注意的问题,两个以上构件(含机架)在同一轴线上构成的多个转动副，称为复合铰链。,1,2,则有 m1 个转动副。,【例4】重新计算火车轮机构的自由度,【解】,n=,6,PL=,PH=0,8,F=3n-2PL-PH,=36-28-0,=2,0,9,9,对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。计算自由度时要去除掉。,2.虚约束(消极约束),B,F,D,1,5,3,2,6,A,G,E,C,7,【解】,n=5,PL=7,F=3n-2PL-PH,=1,PH=0,=35-27-0,（1）两构件构成多个运动副,出现虚约束的场合(重点、难点),两构件组成多个移动副，导路重合或平行。,两构件组成多个转动副，同轴。,两构件构成高副，两处接触，法线重合。,等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,(2)运动过程中，两构件上的两点距离始终不变。,例如火车轮机构、椭圆仪。,（3）联接点与被联接点轨迹重合,(4)对运动不起作用的对称部分。,(4)对运动不起作用的对称部分。,(4)对运动不起作用的对称部分。,改善构件的受力情况：例如多个行星轮。,增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨。,虚约束的作用：,【解】,【例5】计算图示机构的自由度。,n=3,PL=3,F=3n-2PL-PH,=2,PH=1,=33-23-1,偏置直动滚子推杆凸轮机构,3.局部自由度：不影响机构输入输出关系的自由度。,F=1,【例6】计算图示机构的自由度。,n=7,PL=,PH=0,F=3n-2PL-PH,=1,10,【解】,=37-210-0,例7：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：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：,n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1,例 8、如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,2-7 机构的组成原理和结构分析1杆组（基本杆组、基本组、Assur group组）,F=1,F=1,F=0,F=0,原动件,杆组,杆组,定义：F=0 不可再分的构件组。,结构公式：,F=3n 2PL PH=3n 2PL=0,PL3n/2,分类,(a)级组(n=2，PL=3),PL3n/2,PL3n/2,级组只有5种，不是9种,PL3n/2,级组只有5种，不是9种,PL3n/2,级组只有5种，不是9种,PL3n/2,外接副,外接副,R 转动副（Revolute pair）P 移动副（Prismatic pair）,内接副,外接副,外接副,内接副,级组的结构特征（记住）：两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接。,PL3n/2,（b）级组(n=4，PL=6),中心构件,PL3n/2,级组其它型举例,级组的结构特征（记住）：三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。,原理的限定条件:平面低副机构；连架杆为原动件。,原动件画法：1个机架、1个活动构件、1个低副、1个箭头，一个都不能少。,2.平面机构组成原理：,任何一个平面机构都可以看作是由一系列基本组依次联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的。,基本组的联接 结构综合的杆组法(理解),给定自由度（原动件）数目和类型，用不同数目、不同类型的基本组去联接，可得到新机构。,注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。,3.机构的结构分析,正确拆分杆组;,判断机构级别。,目的,步骤,（5）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是一个自由度为零的构件组合或杆组。,（1）计算F；确定原动件；去掉虚约束、局部自由度；注意复铰。,（2）如果机构中有高副，应高副低代。,（3）拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合。,（4）根据杆组的结构特征对从动件组合依次拆组。,机构的级别：,机构所含基本组的最高级别为机构的级别；,级机构为简单机构，级以上机构为复杂机构。,不含基本组的机构为级机构；,分组的3个常识,（1）分组的目的：为运动、动力分析服务。,R1,R2,R3,O,B,C,D,R4,（2）运动分析时：外接副的运动是已知的。,R1,R2,R3,R4,O,B,C,D,（3）运动分析时：,级组有精确解；,级以上组只有近似解。,（3）运动分析时：,级组有精确解；,