平面机构的结构分析-mah.ppt

第1章 平面机构的结构分析,11 运动副、运动链和机构,12 平面机构的运动简图,13 平面机构的自由度,14 平面机构的组成原理和结构分析,所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。,名词术语解释:1.构件 独立的运动单元,内燃机中的连杆,11 运动副、运动链和机构,内燃机连杆,零件 独立的制造单元,2.运动副,a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动,运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。,三个条件，缺一不可,运动副的分类：1)按引入的约束数分有：,III级副,I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。,2)按相对运动范围分有：平面运动副平面运动,平面机构全部由平面运动副组成的机构。,IV级副,例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间运动副空间运动,V级副1,V级副2,?级副,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,3)按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高。,低副面接触，应力低,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,例如：转动副（回转副）、移动副。,常见运动副符号的表示:国标GB446084,常用运动副的符号,运动副名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,构件的表示方法:,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,闭式链、开式链,3.运动链,4.机构,定义：具有确定运动的运动链称为机构。,机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,机构的组成：机构机架原动件从动件,机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。从动件其余可动构件。,12 平面机构运动简图,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。,作用：1.表示机构的结构和运动情况。,机动示意图不按比例绘制的简图现摘录了部分GB446084机构示意图如下表。,2.作为运动分析和动力分析的依据。,常用机构运动简图符号,机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同,2.运动副的性质、数目与实际相符,3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。,绘制机构运动简图,步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；,4.检验机构是否满足运动确定的条件。,2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。,3.按比例绘制运动简图。简图比例尺：l=实际尺寸 m/图上长度mm,思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。,举例：绘制小型压力机、破碎机和偏心泵的机构运动简图。,绘制图示的小型压力机的运动简图。,绘制图示鳄式破碎机的运动简图。,绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵,13 平面机构的自由度,给定S3S3(t)，一个独立参数11（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。,若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数。,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。,原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为：,自由度原动件数,一、平面机构自由度的计算公式,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,）才能唯一确定。,(x,y),运动副 自由度数 约束数回转副 1（）+2（x，y）=3,R=2,F=1,R=2,F=1,R=1,F=2,结论：构件自由度3约束数,移动副 1（x）+2（y，）=3,高 副 2（x,）+1（y）=3,经运动副相联后，构件自由度会有变化：,自由构件的自由度数约束数,活动构件数 n,计算公式：F=3n(2PL+Ph),要求：记住上述公式，并能熟练应用。,构件总自由度,低副约束数,高副约束数,3n,2 PL,1 Ph,计算曲柄滑块机构的自由度。,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH=33 24=1,高副数PH=,0,推广到一般：,计算五杆铰链机构的自由度,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH=34 25=2,高副数PH=,0,计算图示凸轮机构的自由度。,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH=32 221=1,高副数PH=,1,计算图示多杆机构的自由度。,F=3n 2PL=34 26=0,F=3n 2PL=32 23=0,F=3n 2PL=33 25=-1,二、计算平面机构自由度的注意事项,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对！,1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,两个低副,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH=37 2100=1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,圆盘锯机构,计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH=33 23 1=2,PH=1,对于右边的机构，有：F=32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,2.局部自由度,F=3n 2PL PH FP=33 23 1 1=1,本例中局部自由度 FP=1,或计算时去掉滚子和铰链：F=32 22 1=1,定义：构件局部运动所产生的自由度。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH=34 26=0,PH=0,3.虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。,FEAB CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。,重新计算：n=3,PL=4,PH=0,F=3n 2PL PH=33 24=1,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,虚约束,出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，,2.两构件构成多个移动副，且导路平行。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。(需要证明),4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。,3.两构件构成多个转动副，且同轴。,5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。,增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。,使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。,注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!,计算图示大筛机构的自由度。,位置C，2个低副,复合铰链:,局部自由度,1个,虚约束,E,n=,7,PL=,9,PH=,1,F=3n 2PL PH=37 29 1=2,计算图示包装机送纸机构的自由度。,分析：,活动构件数n：,9,2个低副,复合铰链:,局部自由度,2个,虚约束:,1处,去掉局部自由度和虚约束后：,n=,6,PL=,7,F=3n 2PL PH=36 27 3=1,PH=,3,14 平面机构的组成原理和结构分析,为了表明平面高副与平面低副的内在联系，使平面低副机构的运动分析方法能适用于一切平面机构，有必要探讨在平面机构中用低副(转动副或移动副)代替高副的方法(简称高副低代)。为了使机构的运动保持不变代替机构和原机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。,由图可见，轮廓各处曲率中心的位置是不同的，当机构运动时，随着接触点的改变，O1和O2相对于构件1和2的位置也发生变化，O1和O2间的距离也发生变化。因此，对于一级的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。综上所述可知，高副低代的最简单方法是用两个转动副和一个构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。,如果两接触轮廓之一为直线(图a)，那么因直线的曲率中心趋于无穷远所以该转动副演化成移动副其代替机构如右图所示(也可以将滑块中心移到点O1），用图c表尔)；,如两接触轮廓之一为一点(图a)，那么因点的曲率半径等于零，所以曲率中心与该点重合，其代替机构如右图所示。,任何机构都包含机架、原动件和从动件系统三个部分。由于每个原动件具有一个自由度，且原动件数与机构自由度F相等，因此，从动件系统的自由度必为零。从动件系统还可分解为若干个不可再分的、自由度为零的运动链杆组。,平面机构的组成,设杆组由n个构件和PL个平面低副所组成，那么它们之间必满足F述条件：,由于构件数和运动副数必须是整数，故满足上述条件的最简单杆组为n2，PL3。,n4，PL6。,杆组的级别是出杆组中包含的最高级别封闭多边形来确定的。,按照杆组的观点，任何机构都可以用零自由度的杆组依次联接到原动件和机架上去的方法来组成。将图b所示II级组2-3并接在图a所示原动件1和机架4上使得到图c所示四杆机构：再将图d所示III级组5-6-7-8并接在II级组和机架上，即得图e所示八杆机构。,但是必须指出，杆组的各个外接运动别不能全部并接在同一构件上，因为这种并接会使杆组与被并接件形成桁架，以致起不到添加杆组的作用。,平面机构的结构分析,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。般是从远离原动件的构件开始拆解。,机构的结构分析要领：首先除去虚约束和局部白由度将机构中的高副全部以低副代替，并用箭头标注出机构的原动件;先试拆n=2的杆组，如不可能，再依次试拆n4和n6的杆组;杆组的增减不应改变机构的自由度,本章重点：机构运动简图的测绘方法。自由度的计算。机构的高副低代和拆解分析,作业：P497 1-1P498 1-1 1-12,