机构的结构分析.ppt

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1、第一章 平面机构的结构分析,11 机构结构分析的内容及目的12 机构的组成13 机构运动简图14 平面机构自由度15 机构的组成原理及其结构分析,本章教学重点和难点,3 平面机构自由度的计算,4 机构的组成原理及其分析,2 机构运动简图的绘制,1 机构的组成,11、2 机构的组成,构成机构的基本要素是：构件、运动副,机构：是指具有确定相对运动的实物组合。,平面机构：在机构中,若各实物均在同一平面或互相平行的平面作相对运动（常用的机构大多数为平面机构）。,空间机构：若各实物不在同一平面或互相平行的平面作相对运动。,作者：潘存云教授,曲柄摇杆机构.exe,一、机构及分类：,内燃机中的连杆,二、构件

2、及分类：,定义:机构中的最小运动单元。它可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。如图所示的连杆。,1.构件的分类:,(1)机架：机构中相对不动的构件,必加剖面线表示。,(2)原动件：驱动力（或驱动力矩）所作用的构件。必须用带箭头的圆弧或直线标注其运动形式。,(3)从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。,机构机架原动件从动件,1个,1个或几个,若干,2.机构的组成：,作者：潘存云教授,三、运动副及分类,如：凸轮副,1.定义：,如：齿轮副,1,2,A,两个构件既保持直接接触，又能产生某些相对运动的一种动联接。,1)根据接触形式不同，可分为：,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,高副：点

3、、线接触的运动副，由于接触应力高,故称为高副。,滚动副,凸轮副,齿轮副,2.运动副的分类（三种）：,低副：面接触的运动副，由于接触应力低，故称为低副。,A.转动副：在低副中，若两构件之间只作相对转动,转动副,移动副,B.移动副：在低副中，两构件之间只作相对移动,作者：潘存云教授,2)根据引入的约束数目不同,可分为：,III级副,I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副等五类。,IV级副,V级副1,V级副2,V级副3,3)根据两构件相对运动范围不同,可分为：,平面运动副：两构件位于同一平面内运动的运动副,空间运动副：两构件不位于同一平面内运动的运动副,常见运动副符号的表示:国标GB4460

4、84,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,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,注意事项:画构件简图时，应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,作者：潘存云教授,简图,简图,四、运动链及分类,运动链：三个或以上的构件通过运动副的联接而构成的结构。,A.闭式链:在运动链中，每一构件都含有二个或以上运动副的运动链。,闭式链,开式链,机构：具有确定相对运动的运动链称为机构。,B.开式链:在运动链中，至少有一构件只含有一个运动副

5、的运动链。,13 平面机构运动简图,机构运动简图：用规定的运动副符号和构件线条，按一定的比例表示各构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的图形。,机构示意图：不按比例绘制的简图。,一、运动副的规定符号,转动副：,移动副：,高副：,二、构件表示方法：,两副构件,三副构件,三、机构运动简图的绘制：,1.绘制步骤：,（1）选择合适投影面:一般以它的运动平面为投影面。,（2）选取适当的比例尺，长度比例尺为,（3）从原动件开始，沿着运动传递的线路，采用规定的符号，依次分别绘出各构件和运动副。,绘制构件和运动副时,应注意：,A.构件数目与实际相同,并用规定的线条绘出各构件；,B.运动副的性质、数目与

6、实际相符。根据构件间的接触情况和相对运动，确定运动副的类型及数目，并测出各运动副间的相对位置尺寸。,2.绘制时的注意事项,1)编号:一般按运动传递路线，对各构件由小到大进行编号，其中原动件最好为序号1，机架最好为最后的序号数。,2)绘制机构运动简图时，必按比例绘出，反之称为机构示意图。,3)机架必加剖面线表示，原动件必须用带箭头的圆弧或直线标注其运动形式。,4)原动件的初始位置可自行决定。,3.实例,例1：试绘制下述颚式破碎机的运动简图。,解：1）选择投影面；2）选取比例尺；3）从原动件开始，沿着运动传递的线路，采用规定的符号，分别绘出各构件和运动副。,B,C,D,A,D,B,C,颚式破碎机.

7、exe,1,2,3,4,例2：绘制下述机构的运动简图,解：1）选择投影面；2）选取比例尺；3）从原动件开始，沿着运动传递的线路，采用规定的符号，分别绘出各构件和运动副。,1,2,3,4,4,作业布置：,P25 1-1（1）（3）,第二讲,14 平面机构自由度及计算,15 机构的组成原理及其结构分析,作者：潘存云教授,14 平面机构自由度及计算,若给定S3S3(t)，则11（t），22（t）均唯一确定，故该机构只需要给定一个独立运动参数S3（或1），其它各构件的运动便可确定。,已知各杆件长度，各构件的运动规律分别用参数1、4、表示，若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。,一、机构具有

8、确定相对运动的条件：,2,1,若同时给定1和4，则3 2 能唯一确定，故该机构需要给定两个独立运动参数，其它各构件的运动便可确定。,已知各杆件长度，各构件的运动规律分别用参数1、2、S3 表示。,机构的自由度：保证机构中各构件具有确定相对运动时所必须给定的独立运动参数的个数，称为该机构的自由度，常记为F。,一个原动件只能提供一个独立运动参数（转动或移动）,机构具有确定相对运动的条件为：,机构的自由度F原动件个数W且 F 0,讨论：,1）若F0，表示机构中各构件之间能产生相对运动；,当原动件个数W=F，各构件间具有确定的相对运动,当原动件个数WF，各构件间的相对运动不能确定,当原动件个数WF，各

9、构件的运动会干涉，导致破坏,3）若F0，说明机构中约束过多，此时机构中各构件之间也不能产生相对运动，这种结构称为超静定桁架。,如：下述四杆机构,2）若F=0，表示机构中各构件之间不能产生相对运动，这种结构称为静定桁架（或刚性桁架）。,如：下述五杆机构,二、平面机构自由度的计算,由理论力学可知，一个作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的运动参数（x，y,）才能唯一确定。,(x,y),R=2,F=3-2=1,R=2,F=3-2=1,R=1,F=3-1=2,结论：构件自由度F3约束数R 其中,低副约束数目 R=2 高副约束数目 R=1,经运动副相联后，由于引入约束R，构件自由度F会减少：,设平面

10、机构中活动构件数为n，低副个数为PL，高副个数为PH，则有：,F=3n(2PL+PH)=3n 2PL PH,构件总自由度:,低副约束数目：,高副约束数目：,3n,2 PL,1 PH,推广到一般情况：,平面机构自由度计算式：,n-机构中活动构件的数目PL-机构中的低副数目PH-机构中的高副数目,例1：试计算下述曲柄滑块机构的自由度。,解：活动构件数n=3,低副数PL=4,高副数PH=0,F=3n 2PL PH=33 24=1,例2：试计算下述凸轮机构的自由度。,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,例3：试计算下述五杆机构的自由度。

11、,解：活动构件数n=4,低副数PL=6,高副数PH=0,F=3n 2PL PH=34 260=0,由于F=0，故各构件间没有相对运动,该结构静定桁架,例4：试计算下述四杆机构的自由度。,解：活动构件数n=3,低副数PL=5,高副数PH=0,F=3n 2PL PH=33 250=-1,由于F0，故各构件间没有相对运动,该结构超静定桁架,1.复合铰链：若有二个以上的构件在同一处以转动副相连,该结构称为复合铰链。,结论：若有m个构件(其中包括固定构件)相连，则转动副个数为:(m1)。,两个低副,三、计算自由度时的注意事项,复合铰链.exe,解：在B、C、D、E四处应各有 2 个转动副。,例5：试计算

12、下述圆盘锯机构的自由度。,活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH=37 2100=1,高副数PH=0,圆盘锯.pps,2.局部自由度,定义：对整个机构运动无关的自由度称局部自由度。,计算自由度F时，应去掉局部自由度。局部自由度常出现在滚子从动件的凸轮机构中。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,滚子凸轮机构.exe,例7:试计算下述凸轮机构的自由度。,解：n=,2，,PL=,2，,F=3n 2PL PH=32 22 1=1,PH=1,3.虚约束：起着相同作用的约束。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。增加构件4的约束不起作用，应去

13、掉构件4。,平行四边形虚约束.exe,作者：潘存云教授,解：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,去除虚约束,作者：潘存云教授,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、,椭圆仪等。,出现虚约束的五种场合：,A,A,A,B,作者：潘存云教授,3)两构件构成多个转动副，且轴线相同。,4)在机构中存在对称部分，且对称部分对整个机构的运动不起作用。如多个行星轮。,A,B,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,5)两构件在两处（或多处）构成

14、高副，且接触处的法线重合。,如：等宽凸轮.MOV,注意：若法线不重合时，则变成实际约束！,虚约束的作用：,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。,改善构件的受力情况，如多个行星轮。,火车轮虚约束.exe,【综合例题1】试计算下述机构的自由度。,解:,活动构件数n=7,低副数PL=9,高副数PH=1,【综合例题 2】试计算下述结构的自由度。,解:,活动构件数n=5,低副数PL=7,高副数PH=1,该结构刚性桁架,【综合例题3】试计算下述包装机中送纸机构的自由度。,解:,活动构件数n=6,低副数PL=7,高副数PH=3,15 机构的组成原理及其结构分析,一

15、、若干概念,1)原动件1作移动(如直线电动机驱动)。,2)原动件1作转动(如转动电动机驱动)。,1.基本机构,由一个原动件和一个机架所组成的双杆机构,称为基本机构（或称级机构）。,分类：,2.基本杆组,基本杆组：不可再分的、自由度F0的构件组合，或称为杆组。,机构具有确定运动的条件是：原动件数W自由度F。,现设想将机构中的原动件和机架分离出来，则原动件与机架构成了基本机构，其F1。剩下的构件组必有F0。将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。,设杆组中有n个构件，由于其F0，则有：,PL 为整数，n只能取偶数。,1)若n=2（PL3）的杆组，此杆组称为级杆组，结构特点：该杆组中

16、任一个构件均含有二个运动副。级杆组是工程上应用最广而又最简单的基本杆组。它最常用的有五种类型,如下所示。,3.杆组分类,F3n2PLPH0 PL3n/2(假设该杆组中无高副，则PH0),2)若n=4（PL 3n/2 6）的杆组，称为级杆组。常见的形式有以下三种:,结构特点：其中一个构件有三个运动副。,典型级杆组：,3)若n6，由于此类杆组在工程上一般很少应用，本书不再一一列举。,作业布置：,P26 1-5(b)1-6(a)(b),第三讲,15 机构的组成原理及其结构分析（续）,15 机构的组成原理及其结构分析,一、回顾,1)原动件1作移动(如直线电动机驱动)。,2)原动件1作转动(如转动电动机

17、驱动)。,1.基本机构,由一个原动件和一个机架所组成的双杆机构,称为基本机构（或称级机构）。,2.基本杆组,基本杆组：不可再分的、自由度F0的构件组合，或称为杆组。,1）级杆组：n=2，PL=3的杆组。,常见的形式有以下五种:,结构特点：该杆组中的每一个构件上都有二个运动副。,2)级杆组：n=4，PL=6的杆组。,结构特点：该杆组中其中一个构件有三个运动副。,3)由于n6的杆组在工程上一般很少应用，本书不再一一列举。,常见的形式有以下三种:,二、机构拆分和机构组成原理,（1）首先从远离原动件的构件开始拆分；,（2）拆分时，先试拆级杆组；若不可能时，再试拆级杆组；,（3）拆完第一组杆组后，按照上

18、述方法，开始试拆第二组杆组，依此类推，直到最后只剩下原动件和机架为止。,2.拆分的步骤：,拆分：,常将机构分解成基本机构和若干个杆组的过程。,应注意：若机构自由度F=1,拆分时只有一个基本机构；若机构自由度F=2,拆分时就有二个基本机构，依此类推。,1.拆分的定义：,举例：试将下述六杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,解：1）计算机构自由度，并确定原动件,2)拆分:,F352701,首先从远离原动件的构件开始拆分；先试拆级杆组，若不可能时，再试拆级杆组；直至最后只剩下原动件和机架为止。,该机构由上述两个基本杆组和一个基本机构组成。,结论：任何一个平面机构都可以看成：由基本机构 和若干个杆组所组成

19、的。,机构基本机构若干杆组,任何机构都可以包含有不同级别的杆组，如级杆组、级杆组、级杆组等。,我们通常是按该机构所含级别最高的杆组来命名此机构，如级机构，级机构等。,机构的结构分析：确定机构级别的过程。,组成原理：,例1：试判别下述机构的级别。,3）判别：该机构为级机构。,2)拆分:结果如下,解：1）计算机构自由度，并确定原动件,F3721001,例2：试判别下述机构的级别。,2)拆分:结果如下,3）判别：该机构为级机构。,解：1）计算机构自由度，并确定原动件,F352701,3.拆分杆组时的注意事项：,1）如机构中存在虚约束和局部自由度，应除去虚约束和局部自由度；如机构中存在高副，首先应采用

20、高副低代。,2）拆分杆组时，同一个构件和同一个运动副不能重复出现在两个不同的杆组中。,3）机构的级别与原动件的选择有关。,举例说明：,3级杆组,2级杆组,此机构由原动件、机架、一个3级杆组和一个2级杆组构成,此为3级机构,三.平面机构中的高副低代,1.高副低代：,根据一定的约束条件，将平面机构中的高副用虚拟的低副来代替，此方法称为高副低代。,2.高副低代的条件：,（1）代替前后机构的自由度数目不变；,（2）代替前后机构的瞬时速度和加速度不变。,3.高副低代的方法：,下面以定轴转动的二圆盘所组成的高副为例，来进行说明。,为了不改变该机构的结构特性和运动特性,推广到一般情况：,例:凸轮机构如下所示,试绘出高副低代后的机构。,例:凸轮机构如下所示,试绘出高副低代后的机构。,例:平面机构如下所示,试绘出高副低代后的机构。,解:高副低代后的机构如下,P26 1-6（a）（b）,作业布置：,