《机械设计基础》第五版自由度.ppt

第一章平面机构的自由度和速度分析 本章要解决问题 构件组合具有确定相对运动的条件是什么 怎样绘制机构运动简图 机构自由度的计算 何谓速度瞬心 速度瞬心有哪些用途 基本要求 自由度 运动副 瞬心 复合铰链 局部自由度 虚约束 能正确计算平面机构的自由度 能绘制简单机械的机构运动简图 能正确判定瞬心 重点 机构自由度的计算 机构运动简图绘制 1 1运动副及其分类 构件与零件 零件 是机器中的一个独立制造单元体 构件 是机器中的一个独立运动单元体 从运动来看 任何机器都是由若干个构件组合而成的 任何机器都是由许多零件组合而成的 构件往往是由若干零件刚性地联接在一起的独立运动的整体 真实连杆 连杆体 连杆头 螺栓 螺母 垫圈 与动力源组合 机器的组成 从运动观点看 由构件组成 从制造观点看 由零件组成 机械 构件 零件 零件 构件 机构 机器 静联接 动联接 运动副 视频 零件的加工方法 一 平面运动构件的自由度 自由度 把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度 结论 一个作平面运动的自由构件有三个自由度 二 运动副 运动副 两构件直接接触而形成的可动联接运动副元素 构成运动副时直接接触的点 线 面部分接触形式 点 线 面 运动副分类 按接触形式分类按相对运动分类 按接触形式分类 接触形式 点 线 面低副 面接触高副 点 线接触 平面低副空间低副 高副 高副 空间低副 平面低副 平面低副 按相对运动分类 运动副的性质 即运动副引入的约束 确定了两构件的相对运动按相对运动分类 转动副 相对转动 回转副 铰链 移动副 相对移动螺旋副 螺旋运动球面副 球面运动 低副 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 平面副 低副 转动副 移动副 面接触 高副 齿轮副 凸轮副 点 线接触 空间副 高副 点 线接触 球面副 螺旋副 了解 三 运动链和机构 1 运动链 运动链 两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统 开式运动链 Openkinematicchain 开式运动链广泛应用于机械手和机器人中 2 机构 机构 在运动链中将一构件固定为机架 而通过某种方式使其余构件都具有确定运动 则运动链便成为机构 机构 同一运动链可以生成的不同机构 曲柄滑块机构 摇块机构 导杆机构 运动链的生成是创造 获取新机构的重要手段 运动链的设计只关注构件数和联接这些构件的运动副的数量和类型 所以又称为机构的型数综合 机构 机架 固定不动的构件 原动件 机构中按给定的运动规律独立运动的构件 从动件 其余的可动构件 连杆与连架杆 构件的类型 根据机构中各构件的相对运动是否在同一平面或平行平面内 可将机构分为平面机构和空间机构 空间RSRC机构 球面4R机构 空间RSSP机构 平面机构是我们的主要研究对象 1概述2构件的表示方法3运动副的表示方法4运动简图的绘制方法5例题 1 2平面机构运动简图 1概述 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构件的表示方法 杆 轴类构件机架同一构件两副构件三副构件 3运动副的表示方法 转动副移动副 转动动画 转动动画 移动动画 移动动画 移动动画 继续 续运动副的表示方法 高副 齿轮副 凸轮副 动画 动画 4绘机构运动简图的步骤 1 分析机构 观察相对运动 数清所有构件的数目 2 确定所有运动副的类型和数目 4 确定比例尺 5 用规定的符号和线条绘制成简图 从原动件开始画 3 选择合理的位置 即能充分反映机构的特性 例1 运动简图的绘制分析 小型压力机 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 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 3可以选择其他视图平面作为补充 4 绘图 选择机架 提取构件的运动尺寸 确定比例尺 选择机构运动中的一个状态 确定各运动副位置 绘图 编号 A B C 表示运动副1 2 3 表示构件O1 O2 表示固定转轴 原动件的运动方向 动画 例 绘制内燃机的机构运动简图 解 1 分析运动 确定构件的类型和数量 2 确定运动副的类型和数目 3 选择视图平面 4 选取比例尺 根据机构运动尺寸 定出各运动副间的相对位置 5 画出各运动副和机构符号 并表示出各构件 内燃机工作原理 例 绘制颚式破碎机的机构运动简图 例 绘制图示机构运动简图 例5绘制图示偏心泵机构运动简图 例5绘制图示牛头刨床主运动机构运动简图 例6 绘制图示油泵机构运动简图 1平面机构自由度的计算2机构具有确定运动的条件3几种特殊结构的处理复合铰链局部自由度虚约束4小结 1 3平面机构的自由度 1平面机构自由度的计算 1 平面运动构件的自由度 构件可能出现的独立运动 2 平面运动副引入的约束R 对独立的运动所加的限制 与其它构件未连之前 3 用运动副与其它构件连接后 运动副引入约束 原自由度减少 转动副 或铰链 两构件只能在一个平面内作相对转动 限制两个自由度 两个移动 保留一个自由度 转动 移动副 限制两个自由度 一个移动 一个转动 保留一个自由度 移动 高副 限制一个自由度 一个移动 保留两个自由度 一个移动 一个转动 3 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 机构自由度举例 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 0 2 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 1 1 F 3n 2pl ph 3 2 2 3 0 0 2机构具有确定运动的条件 如图所示的平面三构件运动链 其自由度 表明该运动链中各构件间已无相对运动 只构成了一个刚性桁架 因而不能成为机构 注 要使所设计的运动链成为机构 组成运动链的各构件之间必须具有确定的相对运动 不能产生运动或作无规则运动的运动链均不能成为机构 F 3n 2pl ph 3 3 2 5 0 1 表明该运动链由于约束过多 已成为超静定桁架了 也不能成为机构 F 3n 2pl ph 3 3 2 4 0 1 若取构件1为原动件 则构件1每转过一个角度 构件2和构件3便有一个确定的相对运动 也就是说这个运动链能成为机构 如果同时使构件3也成为原动件 则运动链内部的运动关系将发生矛盾 最薄弱的构件将损坏 说明 要使自由度大于零的运动链成为机构 原动件的数目不可多于运动链的自由度数 F 3n 2pl ph 3 4 2 5 0 2 若同时取构件1和构件4作为原动件 则可以看出 构件2和构件3具有确定的运动 即该运动链能成为机构 如果只取构件 为原动件 处于AB位置时 构件2 3 4可处于BCDE或BC D E 位置不确定 说明 要使自由度大于零的运动链成为机构 原动件的数目不可少于运动链的自由度数 动画 综合以上分析 得 1 F 0机构蜕化成刚性桁架 无相对运动 2 F 0如原动件数大于机构自由度数 损坏如原动件数小于机构自由度数 运动不确定 结论 机构具有确定运动的条件 1机构自由度 02原动件数 机构自由度数 m个构件 m 2 在同一处构成转动副m 1个低副 1 复合铰链 F 3n 2pl ph 3 2 5 6 0 3 F 3n 2pl ph 3 2 5 7 0 1 错 对 计算在内 2 3 5 1 3几种特殊结构的处理 例题 F 3n 2pl ph 3 5 2 7 0 1 解 n 7 pL 6 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9 正确计算B C D E处为复合铰链 转动副数均为2 n 7 pL 10 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 10 1 错 准确识别复合铰链举例 关键 分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副 两个转动副 两个转动副 两个转动副 F 3n 2pl ph 3 2 3 3 1 2 2 局部自由度 定义 机构中某些构件所具有的独立的局部运动 不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度 典型例子 滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动 属局部自由度 与实际不符 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 解决的方法 计算机构自由度时 设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起 视作一个构件 局部自由度经常发生的场合 滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子 轴承中的滚珠 与实际相符 3 虚约束 重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束 处理方法 计算自由度时 将虚约束 虚约束构件及其所带入的运动副 去掉 F 3n 2pl ph 3 2 与实际相符 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 1 与实际不符 虚约束经常发生的场合 A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D 两构件组成多处接触点公法线重合的高副 只考虑一处高副 E机构中对运动不起作用的对称部分 A两构件之间构成多个运动副时 两构件组合成多个转动副 且其轴线重合 目的 为了改善构件的受力情况 两构件组合成多个移动副 其导路平行或重合 B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时 在这两个例子中 加与不加红色构件AB效果完全一样 为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 F 3n 2PL PH 3 2 4 6 0 0 错 对 1 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 1 C两构件上联接点的轨迹重合 在该机构中 构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合 为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理 也可将构件4当作虚约束 将构件4及其引入的约束去掉来计算 效果完全一样 F 3n 2PL PH 3 2 3 4 0 1 动画2 动画1 D 两构件组成多处接触点公法线重合的高副 只考虑一处高副 处理方法 计算中只计入一处高副 E机构中对运动不起作用的对称部分 在该机构中 齿轮3是齿轮2的对称部分 为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理 将齿轮2当作虚约束去掉 完全一样目的 为了改善构件的受力情况 F 3n 2PL PH 3 2 3 3 2 1 动画 虚约束 结论 虚约束是在一些特定的几何条件下引入的 如 平行 重合 距离不变 等 如果几何条件不满足 虚约束会转化为有效约束 例如 续 采用虚约束是为了 改善构件的受力情况 传递较大功率 或满足某种特殊需要在设计机械时 若为了某种需要而必须使用虚约束时 则必须严格保证设计 加工 装配的精度 以满足虚约束所需要的几何条件 注意 机构中虚约束是实际存在的 计算中所谓 除去不计 是从运动观点分析做的假想处理 并非实际拆除 4自由度计算小结 自由度计算公式 F 3n 2pl ph机构自由度 3 活动构件数 2 低副数 1 高副数 计算步骤 确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构 局部自由度 虚约束 复合铰链计算 验证自由度几种特殊结构的处理 1 复合铰链 计算在内2 局部自由度 排除3 虚约束 重复约束 排除 计算图示机构的自由度 计算图示机构的自由度 如有复合铰链 局部自由度和虚约束 需明确指出 画箭头的构件为原动件 解 分析 计算图示机构的自由度 F 3n 2PL PH 3 7 2 9 2 1 F 3n 2PL PH 3 8 2 11 1 1 在图示的运动链中 标上圆弧箭头的构件为原动件 试求出该运动链的自由度数目 并说明该运动链是不是机构 解题要点 此机构为一平面机构 由分析可知 EF杆为虚约束 计算自由度时应去掉 C点是复合铰链 解 n 7 PL 10 PH 0 1 F 3n 2P