机械设计第二章机构的结构分析.ppt

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1、1,第二章 机构的结构分析,21 机构结构分析的内容及目的22 机构的组成23 机构运动简图24 机构具有确定运动的条件25 机构自由度的计算26 计算平面自由度时应注意的事项 27 平面机构的组成原理及其结构分类,内容提要,2,21 机构结构分析的内容及目的,1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件,2.绘制机构运动简图和自由度的计算 目的是为运动分析和动力分析作准备。,弄清机构包含哪几个部分;,各部分如何相联？,以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？,3.研究机构的组成原理 目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。,3,名词术语解释:1.构件(Link)独立的运动单元,

2、内燃机,22 机构的组成,零件(part、element)独立的制造单元,4,内燃机连杆,5,2.运动副（kinematic pair）,a)两个构件 b)直接接触 c)有相对运动,（2）运动副元素(elements of pair)直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,（1）定义：运动副两个构件直接接触而组成的可动的连接。,三个条件，缺一不可,作者：潘存云教授,6,（3）运动副的分类：1）按引入的约束数分有：（约束联接时相对运动所受到的限制）,III级副球与球腕接触,I 级副、II 级副、III 级副、IV 级副、V 级副。,7,2）按相对运动范围分有：平面运动副

3、平面运动,平面机构 全部由平面运动副组成的机构。,IV级副圆柱与圆孔,例如：球铰链、螺旋。,空间运动副空间运动,V级副1,V级副2,V级副3,空间机构 至少含有一个空间运动副的机构。,8,3）按运动副元素分有（即按两构件的接触情况分）：高副(high pair)点、线接触，应力高。,低副(lower pair)面接触，应力低。,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,分类：转动副（回转副）（revolute pair）移动副。（sliding pair、prismatic pair）,9,（4）常见运动副符号的表示:国标GB446084,转动副,移动副,高副,10,表2-1 常用运动副的符号,运动副

4、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,（V级）,（V级）,（V级）,（V级）,11,平面高副,螺旋副,空间运动副,（IV级）,（IV级）,（V级）,（V级）,（III级）,（IV级）,（III级）,（IV级）,12,运动链 两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。,闭式链,3.运动链(Kinematic chain),开式链多用于机械手,13,4.机构:（mechanism),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。(frame),机构的组成：机构机架原动件从动件,原（主）

5、动件 按给定的已知运动规律独立运动的构件。(driving link)从动件 其余可动构件。(driven link),14,23 机构运动简图,一、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。,二、作用 1.表示机构的结构和运动情况。,三、机构示意图 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。,15,表2-2 常用机构运动简图符号（教材P10）,16,17,18,构件的表示方法:,两副构件,三副构件,19,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。,20,四、机构运动简图应满足的条件 1.构

6、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。,21,五、绘制机构运动简图,顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。,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。,22,步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的类型性质、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,举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运

7、动简图。,强调：看懂结构图、了解工作原理、找出机架、原动件、从动件。,23,24,25,颚式破碎机1,偏心轮,动颚板,定颚板,26,作者：潘存云教授,绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵,机械手的运动和简图,小型压力机,1.分析整个机构的工作原理,机构组成,示例3,动作原理和运动情况,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,3-98-94-7,9-1(1)1-22-33-44-59-6(6)7-8,1-65-6,3.选择适当的视图平面,选择原则1.清楚表达机构的主体 部分；2.尽可能反映机构的全 面运动；,4.绘图,编号：A、B、C 表

8、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,31,24 机构具有确定运动的条件,给定S3S3(t)一个独立参数，则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。,32,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。(degree of freedom),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,问：自由度不等于原动件数如何？,33,25 机构自由度的计算,作平面运动的

9、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),34,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，由于有约束，构件自由度将变化：,自由构件的自由度数约束数,35,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,例题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

10、 Ph=33 24=1,高副数Ph=,0,推广到一般：,36,例题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,如仅取构件1为原动件，则因F=2原动件数=1，所以运动不确定。,37,例题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,动画,38,39,内燃机及其机构运动简图,F3n(2plph),36,27,3,1,40,当未刹车时，,，ph=0，pl=8，刹车机构自由度为,当闸瓦之一刹紧车轮时，,，ph=0，pl=7，刹车机构自由度

11、为,习题2-18,1,2,3,4,5,6,7,8,F=37210=1,计算图示发动机机构的自由度,原动件数目,机构有确定运动,分析：n=7，pL=10，pH=0,42,26 计算平面自由度时应注意的事项,例题: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！,动画,1.正确计算运动副的自由度。,43,1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。,两个低副,动画,44,三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m 1个转动副。,45,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个

12、运动副。,例题重新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。（当AB=AE、BC=BD、CE=ED=DF=FC时）,圆盘锯机构,46,复合铰链,47,48,F3n2PLPH 3 2,F3n2PLPH 3 2,2,3,1,-1,两构件间构成多个运动副,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公法线,49,两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮（只算一个高副）,注意：法线不重合时，变成实际约束！,计算右图的自由度=？,误：F=3 2-2 3-1 2=-2正：

13、F=3 2-2 2-1 1=1,相当于一个转动副,相当于一个移动副,50,例题计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：左边机构 n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH=33 23 1=2F原动件数，运动确定？,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,动画,51,2.局部自由度（passive degree of freedom）-用F表示,F=3n 2PL PH F=33 23 1 1=1,本例中局部自由度 F=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。,一般出现在加装滚子的场合，计算时应去掉

14、F。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,52,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2Pl Ph=34 26=0,PH=0,53,3 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重复的，这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。,54,？,计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入虚约束的构件和运动副除去。,一个活动构件3个自由度，两个转动副引入四个约束，等于多引入一个约束。,55,出现虚约束的场合：1）两构件联接前后，联接点的轨迹重合，,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。,56,2）运动时，两构件上的某 两点距离始终不变，也将带入1个虚

15、约束（E、F）,计算右图的自由度=？,误：F=3 4-2 6=0正：F=3 3-2 4=1,动画,57,3）在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。既对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮系。,P 2Pl+Ph-3n,58,计算右图的自由度=？,误：F=3 5-2 5-1 6=-1正：F=3 5-2 5-1 6+2或=3 3-2 3-1 2=1,P 2Pl+Ph-3n=2 2+4-23=2,59,F3n-(2Pl+Ph-P)-F=311（217-2）=1,P 2Pl+Ph-3n=2 10-6 3=2,60,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；

16、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：,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。,从运动的角度看,虚约束就是“重复的约束”或者是“多余的约束”。,61,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 F 局部自由度数,62,例题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,F3n-(

17、2Pl+Ph-P)-F=39（211+3-1）-2=1,63,例题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=,3,64,或F=3n 2Pl Ph=37 292=1,F=3n 2Pl Ph-F=38 2102-1=1,动画,4,65,局部自由度,复合铰链,虚约束,n=10,Pl=14,Ph=1,P=1,题1,F=1,66,n=8PL=11 PH=1F=38-211 1=1,6,67,n=6PL=8 PH=1F=36-28

18、1=2,计算图所示机构的自由度。,68,试确定图所示机构的自由度，以凸轮为原动件分析：机构共有8个活动件，10个低副（G是铰链数为2的复合铰链），两个高副，1个局部自由度，没有虚约数。,69,例 图示机构中，已知lAB=lCD，lAF=lDE，LBC LADLFE。试判断该机构是否有确定运动。,虚约束,复合铰链,n=7PL=10 PH=0F=37-210=1,机构有确定运动,原动件数目,70,例 图示为一牛头刨床的初拟设计方案。设计者的设计思路是：动力由小齿轮1输入，并推动大齿轮2绕其轴A连续转动，又通过铰接在大齿轮2上B处的滑块3使摆动导杆4往复摆动，并带动滑枕5往复运动以达到刨削的目的。试

19、绘制此刨床的机构运动简图，分析其运动是否能实现设计意图，并提出修改方案。,n=5PL=7 PH=1,F=35-27 1=0,不能运动？,71,可见：在分析现有机械或设计新机械时，必须考虑所画出的机构运动简图应满足机构具有确定运动的条件，否则将导致机构结构组成原理上的错误。,改进方案：,增加机构自由度的方法：在机构的适当位置上添加一个构件和一个低副或者用一个高副去代替一个低副。,原方案：,72,从机构运动观点来看，机构结构组成改进往往有多种方案。例如，本题还可以在运动副C处通过增加1个自由度来改进，同样也有类似上述四种情况。至于实际选定哪一种方案为好，还必须考虑其他的因素加以分析、比较来决定。,

20、改进方案：,原方案：,73,局部自由度,复合铰链,虚约束,n=9,Pl=12,Ph=2,F=1,74,27 平面机构的组成原理及其结构分类及结构分析,一、平面机构的组成原理,a)原动件作移动(如直线电机、斜面机构、流体压力作动筒)。,1.基本机构（或称I级机构）定义：由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。,75,b)原动件作转动(如电动机、杠杆机构)。,76,2.基本杆组,定义：最简单的F0 的构件组，称为基本杆组。阿苏尔杆组,机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。,现设想将机构中的原动件和机架从机构中断开，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

21、F0的构件组，直到不能再拆为止。,77,3,5,F=3 1-2 1=1,F=3 2-2 3=0,F=3 4-2 6=0,78,推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。,机构的组成原理：机构基本机构基本杆组,结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该八杆机构。,79,二、平面机构的结构分类设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有：F3n2PLPh0 考虑低副机构：则 PL3n/2(低副机构中Ph0),PL 为整数，n 只能取偶数。,n 2 4 n4 已无实例了!PL 3 6,n=2 的杆组称为级组应用最广

22、而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型,80,n=4（PL6）的杆组有以下四种类型:,以上三种形式称为级组。结构特点：其中有一个构件有三个运动副。,典型级组：,RRR RRP RPR PRP RPP,81,第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。,机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,82,必须强调指出：1.杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：,2.机构的级别与原动件的选择有关。,83,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,3,5,1为原动件III级机构,84,85,原动件的自由度为1，从动件组的自由

23、度为零。,机构具有确定运动的条件：自由度数=原动件数,F=3527=1,86,1,2,3,4,5,6,7,8,拆分图示发动机机构,87,88,三、机构结构分析的步骤,1、计算机构的自由度，确定原动件。,2、从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆 II 级组，当不可能时再试拆 III 级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下 I 级机构。,89,平面机构的低副代替高副法：,根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为高副低代。,一、高副低代应满足的条件：,(1)代替前后机构的自由度完全相同；(2)代替

24、前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。,90,二、高副低代方法：,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,91,因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；,因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。,高副两元素之一为直线,高副两元素之一为一点,92,机构的命名：以机构中所包含的基本杆组的最高级别,93,原动件不同，机构的级别也有可能不同,III 级机构,94,II 级机构,95,例：,1-5 平面机构的组成原理和结构分析,96,1-5 平面机构的组成原理和结构分析,97,本章内容：,1.基本要求,搞清构件、运动副、约束、自由度、高副、低副、运动 链及机构等重要概念；能正确分析或判断实际机构或机 构的结构图的组成情况。,掌握（简单）机械的机构运动简图的绘制方法。,2.重点难点,重点是构件、运动副、约束、自由度、高副、低副、运动链及机构等重要概念，机构具有确定运动的条件，机构的自由度计算；难点是机构中虚约束的判断。,主目录,搞清机构自由度、复合铰链、局部自由度、虚约束等概 念；能正确计算平面机构的自由度并判断是否具有确定 的运动。,了解平面机构的组成原理。,