平面机构的运动简图及自由度PPT课件

第9章平面机构的运动简图及自由度 主要内容 9 1机械原理的研究对象 9 2平面机构的运动简图 9 3平面机构的自由度 本章重点 看懂和绘制平面机构的运动简图平面机构的自由度计算 一 机械的组成 机械是机器与机构的统称 1 机器 实例一内燃机 实例二机器人 一 二 三 四 实例三颚式破碎机 实例四工件自动载送装置 本课程研究的内容 研究机械中常用机构和通用机械零部件 各种机械中普遍使用的零部件 的工作原理 结构特点 基本设计理论和设计方法 9 1运动副及其分类 一 机器的特征 人工制造的实物组合体 结构观点各部分有确定的相对运动 运动观点代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实现能量的转换 提供或转换信息 能量观点 凡将其他形式能量变换为机械能的机器称为原动机 凡利用机械能去变换或传递能量 物料 信息的机器称为工作机 通常把能实现确定的机械运动 又能做有用的机械功或实现能量 物料 信息的传递与变换的装置称为机器 二 机器的分类 根据所能实现的功能的不同 机器可以分为三类 工作机器实现对物料的某种工作或工艺过程 完成有用的机械功 动力机器实现其它种类的能量与机械能之间的转换 如内燃机 汽轮机 电动机 发电机 压气机 涡轮机等 信息机器实现其它形式的信息 如电磁 热 压力 变形等 与机械运动信息之间的传递与转换 如各种计量装置 检测装置 复印机 打印机 绘图机等 驱动系统 机械动力的来源 传动系统 传递运动和动力 执行系统 能完成机械预期的动作 控制系统 控制机器各个部分协调运动 就其功能而言 一台完整的机器通常由四部分组成 驱动系统 传动系统 执行系统 润滑 显示 照明等辅助系统 控制系统 传感器 传感器 传感器 三 机器的组成 原动机 汽油机和柴油机 传动系统 离合器 变速箱 传动轴和差速器 工作机 车轮 悬挂系统和底盘 控制系统 方向盘和转向系统 排档杆 刹车及其踏板 离合器及其油门 辅助系统 油量表 速度表 里程表 润滑油温度表及蓄电平电流表 电压表等为显示系统 后视镜 车门锁 刮油器等为其它辅助系统 前后灯 仪表盘灯为照明系统 转向信号灯和车尾红灯为信号系统 机器组成实例 2 机构 用来传递运动和力的 有一个构件为机架的 用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统称为机构 一 机构的特征 人造的实物组合体 结构观点 各部分有确定的相对运动 运动观点 二 机构的组成 构件 3 机器和机构的区别 机构只有一个构件系统 而机器除构件系统之外还包含电气 液压等其它装置 机构只用于传递运动 或改变运动形式 和力 而机器除传递运动和力之外 还具有变换或传递能量 物料 信息的功能 二 基本术语 1 零件零件是机器加工 制造 的最小单元体 若将一部机器进行拆卸 拆到不可再拆的最小单元就是零件 零件分为通用零件和专用零件 通用零件包括 齿轮 螺栓 键 花键 销 轴 联轴器 离合器 滚动轴承 滑动轴承等 专用零件包括 叶片 犁铧 枪栓等 注 通用零件是本课程的主要学习对象 而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习 2 构件构件是机构运动的最小单元体 是组成机构的基本要素 构件可能是一个零件 也可能是由若干零件固联在一起的一个独立运动的整体 如图所示内燃机中的连杆 内燃机连杆 小结 零件 构件 机构 机器 9 1运动副及其分类 三 运动副 a 两个构件b 直接接触c 有相对运动 三个条件 缺一不可 运动副元素两构件上参与接触而构成运动副的部分 点 线 面 运动副两构件直接接触并能产生一定相对运动的链接 例如 凸轮机构 齿轮齿廓 移动副 9 1运动副及其分类 四 自由度 约束 自由度构件相对于参考系的独立运动 一个在平面内作自由运动的构件具有3个独立的相对运动 一个在三维空间作自由运动的构件间具有6个独立的相对运动 约束运动副对构件间相对运动的限制作用 对构件施加的约束个数等于其自由度减少的个数 9 1运动副及其分类 五 运动副的分类 按照两构件的接触特性 通常分为低副和高副两类 1 低副两构件以面接触而形成的运动副 低副有移动副和转动副两种 1 转动副两构件只能在平面内相对转动 又称作铰链 固定铰链 活动铰链 9 1运动副及其分类 2 移动副若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动 或只允许两构件作相对移动 移动副 3 空间运动副两构件之间的相对运动均为空间运动 例如 螺旋副球面副 常见运动副符号的表示 国标GB4460 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 球面副球销副 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 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 9 2平面机构运动简图 机构运动简图 内燃机 表明机构各构件间相对运动关系的简化图形 作用 1 表示机构的结构和运动情况 2 作为运动分析和动力分析的依据 机构示意图 不按比例绘制的简图现摘录了部分GB4460 84机构示意图如下表 常用机构运动简图符号 在机架上的电机 齿轮齿条传动 带传动 9 2平面机构运动简图 机构中的构件可分为三类 固定构件 机架 用来支承活动构件的构件 原动件 主动件 输入构件从动件输出构件 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 9 2平面机构运动简图 绘制机构运动简图 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 步骤 从主动件开始 依次分清构件 标号1 2 3 分清相邻两构件的运动性质 决定运动副的性质 标字母A B C 把主动件固定在一个位置 作为作图位置 定出各转动副位置 移动副方向线 高副轮廓选择适当的比例尺 按规定的符号和线条绘出运动简图 实例 绘制图示颚式破碎机的运动简图 实例 绘制活塞泵运动简图 1 3平面机构的自由度 3个 x y 构件具有的独立运动参数的个数 对运动所加的限制 预备知识 1 构件的自由度 2 平面运动构件的自由度 3 约束 1 3平面机构的自由度 R 2 F 1 R 2 F 1 R 1 F 2 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 运动副自由度数约束数回转副1 2 x y 3移动副1 x 2 y 3高副2 x 1 y 3 结论 构件自由度 3 约束数 自由构件的自由度数 约束数 1 3平面机构的自由度 引例 F 3 3 2 4 F 1 一 机构自由度计算公式 因此 该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差 该差值称为机构的自由度 并以F表示 F 3n 2PL PH 式中 为活动构件个数 为低副个数 为高副个数 1 实例 计算下列机构的自由度 解 活动构件数n 3低副数PL 4高副数PH 0F 3n 2PL PH 3 3 2 4 0 1 活动构件数n 4低副数PL 5高副数PH 1F 3n 2PL PH 3 4 2 5 1 1 a 鄂式破碎机运动简图 b 活塞泵运动简图 解 1 3平面机构的自由度 二 计算平面机构自由度的注意事项 两个以上构件同时在一处用转动副相连接就构成复合铰链 K个构件在同一处构成转动副 在机构运动简图上显现为1个转动副 但该处的实际转动副数目为 K 1 个 1 复合铰链 F 3n 2PL PH 3 5 2 6 0 3 计算结果肯定不对 F 3n 2PL PH 3 5 2 7 0 1 1 3平面机构的自由度 2 局部自由度 F 3n 2PL PH 3 3 2 3 1 2 F 3n 2PL PH 3 2 2 2 1 1 机构中常出现一种与输出构件运动无关的自由度称为局部自由度 多余的自由度是滚子2绕其中心转动带来的局部自由度 它并不影响整个机构的运动 在计算机构的自由度时 应设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起 视作一个构件 滚子的作用是将高副接触处的滑动摩擦变为滚动摩擦 减少磨损 动画 1 3平面机构的自由度 3 虚约束 F 3n 2PL PH 3 4 2 6 0 0 F 3n 2PL PH 3 3 2 4 0 1 在特定几何条件或结构条件下 某些运动副所引入的约束对机构自由度的影响是重复的 这种重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束 虚约束作用 对机构的运动无关 但可以改善机构的受力情况 增强机构工作的稳定性 处理方法 计算自由度时 将虚约束 或虚约束构件及其所带入的运动副 去掉 1 3平面机构的自由度 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 且其轴线重合两构件组合成多个移动副 其导路平行或重合两构件组合成若干个高副 但接触点之间的距离为常数 目的 为了改善构件的受力情况 动画 虚约束经常发生的场合 F 3n 2PL PH 3 2 2 2 1 1 1 3平面机构的自由度 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 3 2 4 0 1 F 3n 2PL PH 3 3 2 4 0 1 F 3n 2PL PH 3 4 2 6 0 0 1 3平面机构的自由度 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 3 2 4 0 1 1 3平面机构的自由度 D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 动画 F 3n 2PL PH 3 3 2 3 2 1 1 3平面机构的自由度 虚约束 结论 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的 如果这些几何条件不满足 则虚约束将变成有效约束 而使机构不能运动 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 1 3平面机构的自由度 三 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 实例 计算下列机构的自由度 活动构件数n 7低副数PL 9高副数PH 1F 3n 2PL PH 3 7 2 9 1 2 解 1 3平面机构的自由度 四 机构具有确定运动的条件 不能产生运动 给定构件1运动参数构件2 3的运动是确定的 实例分析 原动件数 F 机构破坏 原动件数 F 确定运动 F 3 2 2 3 0 0 F 3 3 2 4 0 1 1 3平面机构的自由度 给定构件1运动参数构件2 3 4的运动是不确定的 F 3 4 2 5 0 2 再给定构件4运动参数构件2 3的运动是确定的 原动件数 F 机构运动不确定 任