机械原理第九版第2章机构的结构分析.ppt
重 点 运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、机构具有确定运动的条件及机构自由度的计算。,平面机构的结构分析,内 容构件及其运动副机构运动简图的绘制平面机构自由度的计算,1 构件及其运动副,一、构件,二、运动副,两个构件直接接触且具有确定相对运动的连接。,运动的单元.,运动副元素两构件相互接触的点、线、面。,1 构件及其运动副,平面运动副分类:相对运动、接触情况、引入约束数目,转动副或回转副,移动副,特点：面接触、相对转动或相对移动 低副（接触情况分类）,齿轮副,凸轮副,特点：点或线接触、沿接触点切线方向相对移动 绕接触点的转动 高副（接触情况分类）,螺纹副(相对运动),球面副(相对运动),空间运动副,引入一个约束的运动副级副(class pairs)引入两个约束的运动副级副(class pairs)以此类推,机构分类小结：,若干构件通过运动副连接而成的可动系统称运动链。,开链,闭链,机械中一般采用闭链开链多用在机械手中,若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。机构中构件的分类：1、机架（描述运动的参考系）2、原动件（运动规律已知的构件）3、从动件,运动副类型小结,平面低副:转动副、移动副（面接触）平面高副:齿轮副、凸轮副（点、线接触）空间低副:螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）空间高副:球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)运动副特性:运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动,只与运动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。工程上常用一些规定的符号代表运动副,2 平面机构运动简图的绘制,机构运动简图 表示机构运动特征的一种工程用图,表达方式：用简单线条表示构件 规定符号代表运动副 按比例定出运动副的相对位置,与运动有关的因素：构件数目 运动副数目及类型 运动副之间的相对位置,机构各部分的运动，取决于：原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸)机构运动简图:（表示机构运动特征的一种工程用图）用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较：机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图用途：分析现有机械，构思设计新机械,2 平面机构运动简图的绘制,转动副,一、运动副符号,移动副,齿轮副,凸轮副,螺旋副,球面副,机构运动简图表,二、构件 不管构件形状如何，简单线条表示，带短剖面线表示机架。,带运动副元素的构件,三、运动简图的绘制步骤,1分析机构的组成情况和运动情况，确定其组成的各构件（机架、原动件、从动件）；2 沿运动传递路线，逐一分析各构件间的相对运动情况，以确定运动副的类型和数目；3 恰当选择投影面，一般选择多数构件的运动平面为投影面；4 选定比例尺，先确定位置固定的运动副，从原动件开始，用规定符号按传递顺序依次画出。注意：观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误 区：被构件外形所迷惑,A,1,2,3,4,B,C,D,例1 颚式破碎机,例2 活塞泵,运动副？,例3牛头刨床,内燃机,旋转泵及其机构运动简图,活塞泵及其机构运动简图,曲柄摇块机构及其机构运动简图,一、构件的自由度,自由度构件所具独立运动的个数（确定构件位置所需独立坐标数）。,一个完全自由的平面运动构件具有三个自由度。,x,y,y,x,3 平面机构的自由度,F=6,F=3,不论形成运动副的两个构件是否其中有一个相对固定，运动副引入的约束数均相同。,二、平面运动副引入的约束,运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度。,1.转动副,约束数 R=2,F=1,F=4,2.移动副,约束数 R=2,3.齿轮副,4.凸轮副,n,n,约束数 R=1,n,n,平面低副约束数 R=2 平面高副约束数 R=1,1.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：ph,未连接前总自由度：,3n,连接后引入的总约束数：,2pl+ph,F=3n-(2pl+ph),机构自由度F：,F=3n-2pl-ph,三、平面机构的自由度,机构自由度举例,F=3n2plph=3 2,3,4,0,=1,F=3n2plph=3 2,4,5,0,=2,F=3n2plph=3 2,2,2,1,=1,F=3n2plph=3 2,3,4,0,=1,F=3n2plph=3 2,4,5,1,=1,2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件,F=3n-2PL-PH,=3,2,-2,3,-0,=0(不能动),F=3n-2PL-PH,=3,3,-2,5,-0,=-1(不能动),三个构件通过三个转动副相连,相当于一个构件。,多一个约束,超静定桁架,F=0，静定结构,F0，超静定结构,2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件,原动件数=1 F=3n2PLPH=3425=2,F 原动件数 机构运动不确定欠驱机构,K=4,n=K1=3,原动件数=2，PL=4 F=3n2PLPH=3324=1,F 原动件数 杆2被拉断冗驱机构,F=0 机构不动,K=5,n=K1=4,PL=6F=3n2PLPH=3426=0,2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件,有一个机架自由度大于零（F0）原动件数=自由度数,（通常，原动件为含低副构件且与机架相连,只有一个自由度。）,n=6,PL=8,PH=1(3与5同一构件),F=3n2PLPH=36281=1原动件 机构有确定运动,3,例:,3.注意事项,复合铰链,m个构件(m3)在同一处构成共轴线的转动副,m-1个低副,计算在内,1）要正确计算运动副数目,3.注意事项,复合铰链,F 3n2PLPH 3 2,5,6,0,3,F 3n2PLPH 3 2,5,7,0,1,复,计算在内,1）要正确计算运动副数目,F3n2PLPH 3 2,7,6,0,9,F3n2PLPH 3 2,7,10,0,1,?,复,复,复,复,例 圆盘锯机构,F3n2PLPH 3 2,F3n2PLPH 3 2,2,3,1,-1,两构件间构成多个运动副,3.注意事项（续）,错,2,2,1,1,对,移动副导路平行转动副轴线重合平面高副接触点共法线,“转动副”,“移动副”,F3n2PLPH 3 2,3,3,1,2,3.注意事项（续）,机构中某些构件所具有的局部运动，并不影响机构运动的自由度。,2）要除去局部自由度,F3n2PLPH-F 3 2-,3,3,1,1,1,这时 F3n2PLPH-F式中F 为局部自由度数目,F3n2PLPH 3 2,3,4,0,1,F3n2PLPH 3 2,4,6,0,0,？,对,3）要除去虚约束,3.注意事项（续）,应用实例,F3n2PLPH+P 3 2+,4,6,0,1,1,用一个构件两个运动副去联接则构成虚约束,a.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终不变,虚,F3n2PLPH+P 3 2+,4,6,0,1,1,b.对传递运动不起独立作用的重复部分,虚,c.轨迹重合,转动副联接的两构件上联接点的轨迹重合,F3n2PLPH+P 3 2+,3,4,1,1,1,F3n2PLPH 3 2,3,4,1,0,错,对,虚约束常发生在下列情况,n4，PL6，PH0，P1 F1,动画,椭圆仪:杆CD各点轨迹为椭圆,平面机构自由度计算公式,F3n-2PL-PH+P-F,F 局部自由度数 PH 高副数n 活动构件数 P 虚约束数 PL 低副数,F3n2PLPH+P-F3 2+-,7,9,1,1,F3n2PLPH+P-F3 2+-,8,10,1,2,例,例,4,1,2,3,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,9,0,1,8,0,1,F=3n-2pl-ph+P-F=35-26-1-1=1,计算自由度练习题,A复合铰链；一个局部自由度,一个局部自由度；C与C、F与F属于两构件高副接触处距离不变。,把最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组成为基本杆组或阿苏尔杆组，简称杆组。,1 杆组,一、平面机构的组成原理,2-7 平面机构的组成原理、分类及结构分析,任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。,把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等,2 平面机构组成原理,一、平面机构的组成原理,2-7 平面机构的组成原理、分类及结构分析,二、平面机构的结构分类,若杆组中有n个活动构件、pL个低副，则有：,pL和n必须为整数。,1 II级杆组,不包含封闭多边形、只包含两副构件的杆组。,二、平面机构的结构分类,2 III级杆组,包含具有三个运动副元素的刚性构件(或三个构件组成的三角形)的杆组称为级组。,包含四个构件组成的四边形的杆组称为级组；其余依此类推。,级杆组,级杆组,3 IV级杆组,三、平面机构的结构分析,拆杆组时应遵循的原则：（1）从远离原动件的构件开始拆组；（2）试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组；（3）每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的机构。,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。,注意：同一个运动链当原动件更换时，机构的级别也有可能改变。但当机构的原动件确定后，杆组的拆法和机构的级别即为一定。,I级机构：由一个原动件和一个相对固定的机架所组成的机构。,三、平面机构的结构分析,例题1：试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1）当以构件1为原动件时；（2）当以构件6为原动件时。,三、平面机构的结构分析,解：1）机构自由度计算,三、平面机构的结构分析,解：2）分析1为原动件情况,首先从传动路线上离原动件最远的构件4开始拆杆组，先拆下由构件4，5和转动副K，L，M组成的级杆组；,接着依次拆下3个级杆组：构件6，7和转动副J，I，H；构件8，9和转动副C，F，G；构件2，3和转动副B，D及移动副E；,最后剩下由原动件1和机架10组成的级机构，如图b所示。由于组成该机构的基本杆组的最高级别是级杆组，故该机构为级机构。,三、平面机构的结构分析,解：3）分析6为原动件情况,首先从传动路线上离原动件最远的构件3（冲头）开始试拆杆组。先试拆级组。从图中可以看出，如果拆除构件3，2、移动副E、转动副D和转动副B，则构件1和转动副C均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整机构；如果拆除构件3，2、移动副E、转动副D和转动副C，则构件9和转动副B也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是一个完整机构。因此试拆级杆组失败。,三、平面机构的结构分析,解：3）分析6为原动件情况,再试拆级杆组，即拆除构件3，2，1，9，移动副E和五个转动副，由于剩余部分仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个级杆组：构件7，8和转动副G，H，I；构件4，5和转动副K，L，M。最后剩下由原动件6和机架组成的级机构，如图c所示。由于组成的机构的基本杆组的最高级别为级组，故该机构为级杆组。,作业:2-11，2-12，2-13,2-16（a、b）,结束,第八版作业:2-11，2-12，2-13,2-17(a、b),
