机构的组成及结构分析

机械原理,第二章机构的组成及结构分析,21研究机构结构的目的,22机构的组成及其运动简图的绘制,23平面机构自由度的计算及机构运动确定的条件,24平面机构的高副低带、结构分析和组成原理,研究机构结构的目的,研究机构结构的目的：,1,研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件；,目的是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？这对于设计新的机构显得尤其重要。,研究机构结构的目的,研究机构结构的目的：,1,不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。,研究组成机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类；,研究机构结构的目的,研究机构结构的目的：,1,研究机构运动简图的绘制；,目的是如何用简单的图形来表示机构的结构和运动形态，为运动分析和动力分析作准备。,研究机构结构的综合方法。,目的研究在满足预期运动及工作条件下，如何综合出机构可能的结构形式,机构的组成,机构的组成要素,2,机构由构件和运动副两个要素组成,机器由若干个机构组合而成,内燃机中的连杆,机构的组成,机构的组成要素,2,构件，(Link)独立的运动单元,构件,零件，(part)独立的制造单元,区别不同构件的标准，在于它们之间存在相对运动,机构的组成,机构的组成要素,2,两构件之间直接接触而又能产生一定相对运动的活动连接,运动副,两个构件间,直接接触,有相对运动,机构的组成,机构的组成要素,2,两构件上直接参与构成运动副的接触表面称为运动副元素,运动副,点（滚动轴承）,线（齿轮齿廓）,面（活塞与缸套）,机构的组成,机构的组成要素,2,按引入的约束数目分类,运动副的分类,空间两构件未构成运动副之前，共有6个相对运动的自由度，当构成运动副后，它们之间的相对运动受到约束，其数目若用s表示，则s最小为1，最大为5。,机构的组成,机构的组成要素,2,按引入的约束数目分类,运动副的分类,设该运动副所保留的相对自由度为f，即f6s,空间两构件构成运动副后，相对自由度与约数数目之间的关系为,fs6（1s5）,机构的组成,机构的组成要素,2,按引入的约束数目分类,运动副的分类,I级副，II级副，III级副，IV级副，V级副,III级副,机构的组成,机构的组成要素,2,按引入的约束数目分类,运动副的分类,I级副，II级副，III级副，IV级副，V级副,IV级副,V级副1,V级副2,V级副3,机构的组成,机构的组成要素,2,按运动副元素分类,运动副的分类,高副：凡两构件通过点、线接触而形成的运动副,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,机构的组成,机构的组成要素,2,按运动副元素分类,运动副的分类,低副：凡两构件通过面接触而形成的运动副,例如：转动副、移动副、球面副等。,机构的组成,机构的组成要素,2,按相对运动的范围分类,运动副的分类,平面运动副平面运动(Plannarkinematicpair),空间运动副空间运动(Spatialkinematicpair),机构的组成,机构的组成要素,2,若干个构件通过运动副连接组成的构件系统称为运动链,运动链,运动链中的各构件构成首末封闭的系统，称为闭式链。(Closechain),运动链中的各构件构成开放的系统，称为开式链。(Openchain),机构的组成,机构的组成要素,2,若干个构件通过运动副连接组成的构件系统称为运动链,运动链,闭式链,开式链,机构的组成,机构的组成要素,2,若将闭式运动链中的一个构件加以固定，则该运动链就成为机构。机构中的其他构件均相对于固定构件运动,机构,机架：作为参考系的固定构件。如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,原（主）动件：按给定运动规律运动的构件。从动件：其余可动构件。,机构的组成,机构的组成要素,2,若将闭式运动链中的一个构件加以固定，则该运动链就成为机构。机构中的其他构件均相对于固定构件运动,机构,若干,1个或几个,1个,机构的组成：机构机架原动件从动件,机构的组成,机构的组成要素,2,常见运动副符号的表示:国标GB/T44601984,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,机构的组成,机构的组成要素,2,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,机构的组成,机构的组成要素,2,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。,机构运动简图绘制,机构运动简图,3,在分析现有机械和设计新机械地时候，都需要绘制机构运动简图,根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，并运用已规定的运动副符号及机构表示符号和构件的表示方法，将机构的运动传递情况表示出来的简化图形称为机构运动简图,机构运动简图绘制,机构运动简图,3,机构运动简图的作用,表示机构的结构和运动情况,作为运动分析和动力分析的依据,机构运动简图绘制,机构运动简图,3,机构示意图,不按比例绘制的简图。,只反映机构的结构情况,常用机构运动简图符号,机构运动简图绘制,机构运动简图,3,机构运动简图应满足的条件：,构件数目与实际相同,运动副的性质、数目与实际相符,运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,绘制机构运动简图的步骤：,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。,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,绘制机构运动简图的步骤：,首先搞清楚机械的实际构造和运动情况；,找出机械的机架和原动件，按照运动的传递路线搞清楚机械原动部分的运动如何传递到工作部分,搞清楚机械由多少个构件组成，并根据两构件间的接触情况和相对运动的性质，确定各个运动副的类型；,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,绘制机构运动简图的步骤：,恰当的选择投影面，并将机构停留在适当地位置，避免构件重叠,一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面,选择适当的长度比例尺l，确定出个运动副之间的相对位置，用规定的符号表示各运动副，并将同一构件参与构成的运动副符号用简单的线条连接起来。,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,例题一：颚式破碎机,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,例题一：颚式破碎机,1,2,3,4,5,6,机构运动简图绘制,机构运动简图的绘制,3,例题二：偏心泵,机构具有确定运动的条件,实例分析,4,铰链四杆机构：,在铰链四杆机构中，如果给定一个独立的运动参数，则其余构件的运动完全确定,机构具有确定运动的条件,实例分析,4,铰链四杆机构：,在铰链四杆机构中，如果给定两个独立的运动参数，则将导致机构中最薄弱的环节被破坏,机构具有确定运动的条件,实例分析,4,铰链五杆机构：,在铰链五杆机构中，如果给定一个独立的运动参数，则其余构件的运动将不确定,机构具有确定运动的条件,实例分析,4,铰链五杆机构：,在铰链五杆机构中，如果给定两个独立的运动参数，则其余构件的运动完全确定,机构具有确定运动的条件,机构的自由度：,4,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。,机构具有确定运动的条件,构件具有确定运动的条件：,4,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F=N,机构具有确定运动的条件,构件具有确定运动的条件：,4,若NF，则导致最薄弱的环节被破坏,平面机构的自由度计算,构件、运动副、约束与自由度的关系,5,一个作平面运动的自由构件在空间的位置，需要三个独立的参数（x，y，）才能唯一确定,F=3,单个自由构件的自由度为3,平面机构的自由度计算,构件、运动副、约束与自由度的关系,5,s=2,F=1,s=2,F=1,s=1,F=2,平面机构的自由度计算,构件、运动副、约束与自由度的关系,5,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,平面机构的自由度计算,平面机构自由度的计算,5,设机构中活动构件数目为n，则构件的总自由度数目为3n，低副总数为pl，引入的约束总数为2pl，高副总数为ph，引入的约束总数为ph,则机构的自由度计算公式为：F3n（2plph）,也称为平面机构的结构公式,平面机构的自由度计算,平面机构自由度的计算,5,例一：铰链四杆机构和铰链五杆机构的自由度计算,铰链四杆机构：n3，pl4，ph0；F3n（2plph）33241,铰链五杆机构：n4，pl5，ph0；F3n（2plph）34252,平面机构的自由度计算,平面机构自由度的计算,5,例二：曲柄滑块机构的自由度计算,n3，pl4，ph0；F3n（2plph）33241,1,2,3,4,平面机构的自由度计算,平面机构自由度的计算,5,例三：凸轮机构的自由度计算,n2，pl2，ph1；F3n（2plph）3222111,1,2,3,自由度计算注意事项,复合铰链,6,例：计算图示圆盘锯机构的自由度计算,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n2PLPH,高副数PH=0,=37260,=9,计算结果肯定不对！,自由度计算注意事项,复合铰链,6,1.复合铰链compoundhinges两个以上的构件在同一处以转动副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,自由度计算注意事项,复合铰链,6,例：计算图示圆盘锯机构的自由度计算,解：活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n2PLPH,高副数PH=0,=372100,=1,上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。,圆盘锯机构动画,自由度计算注意事项,局部自由度,6,例：计算图示两种滚子凸轮机构的自由度,解：对于左边的机构：,n3，pl3，ph1,F=3n2PLPH,=332312,自由度计算注意事项,局部自由度,6,例：计算图示两种滚子凸轮机构的自由度,（续）对于右边的机构：,n2，pl2，ph1,F=3n2plph=32221=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,自由度计算注意事项,局部自由度,6,2.局部自由度passivedegreeoffreedom,对机构其他构件运动无关的自由度,自由度计算注意事项,局部自由度,6,2.局部自由度passivedegreeoffreedom,对机构其他构件运动无关的自由度,一般出现在凸轮机构中，为减少高副接触处的磨损，在凸轮和从动件之间安装了圆柱形滚子,滚子绕其自身轴线的自由转动丝毫不影响其他构件的运动，引入一个局部自由度,自由度计算注意事项,局部自由度,6,2.局部自由度passivedegreeoffreedom,在计算机构自由度时，应去掉局部自由度,方法一：将滚子与推杆视作焊接，再来计算自由度,自由度计算注意事项,局部自由度,6,2.局部自由度passivedegreeoffreedom,在计算机构自由度时，应去掉局部自由度,方法二：在机构自由度计算公式中将局部自由度数目F减去，公式变为,F=3n（2plph）F33（231）11,计算结果完全一致,自由度计算注意事项,虚约束,6,例：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形机构的自由度。,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,解：n=,4，,pl=,6，,F=3n2plph=3426=0,ph=0,显然结果与机构实际运动情况不符,自由度计算注意事项,虚约束,6,3.虚约束redundantconstraint,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,在机构中，有些约束所起的作用是重复的，这种起重复限制作用的约束称为虚约束,虚约束虽然对机构的运动并不产生实际的约束作用，但会导致机构自由度的计算结果和机构实际自由度不符,自由度计算注意事项,虚约束,6,3.虚约束redundantconstraint,F=3n-2pl-ph=3*3-2*4=1,F=3n-2pl-ph=3*4-2*6=0?,p=2*2-3*1=1,自由度计算注意事项,虚约束,6,3.虚约束redundantconstraint,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,去除办法：,方法一：将机构中引入虚约束的运动副或运动链的部分去掉,自由度计算注意事项,虚约束,6,例：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形机构的自由度。,解：n=,3，,pl=,4，,F=3n2plph=3324=1,ph=0,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,自由度计算注意事项,虚约束,6,3.虚约束redundantconstraint,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,去除办法：,方法二：从机构中减去虚约束的数目p,p（2plph）3n,F=3n（2plphp）F,自由度计算注意事项,虚约束,6,例：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形机构的自由度。,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,解：n=,4，,pl=,6，,F=3n（2plphp）=34261=1,ph=0,p（2plph）3n22311,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,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,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,运动时，两构件上的两点距离始终不变，用一构件将两点连接起来，形成虚约束,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,对运动不起作用的对称部分,如多个行星轮,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,两构件构成多个移动副，且导路平行。,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,两构件构成多个转动副，且同轴。,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,两构件构成高副，两处接触，且法线重合,如等宽凸轮,自由度计算注意事项,虚约束,6,机构中存在虚约束的场合：,两构件构成高副，两处接触，且法线重合,注意：法线不重合时，变成实际约束！,自由度计算注意事项,虚约束,6,各种出现虚约束的场合都有一定的几何条件，如果在制造和装配中，不能满足相应的几何条件，则虚约束将会变成实实在在的约束,自由度计算注意事项,虚约束,6,虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。,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。,自由度计算注意事项,虚约束,6,例：计算图示包装机送纸机构的自由度。,解：,局部自由度,2个,虚约束,1处,构件8,复合铰链:,位置D，2个低副,F=3n2plph=36273=1,平面机构的组成原理,基本机构,7,基本机构,由一个原动件和一个机架组成的双杆机构,原动件作移动(如直线电机、流体压力作动筒)。,平面机构的组成原理,基本机构,7,基本机构,由一个原动件和一个机架组成的双杆机构,原动件作转动(如电动机)。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,基本杆组,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F0的构件组，直到不能再拆为止。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,基本杆组,定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,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。,平面机构的组成原理,基本杆组,7,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,平面机构的结构分类,基本杆组的条件,8,设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有：,F3n2plph0,pl3n/2(低副机构中ph0),平面机构的结构分类,基本杆组的条件,8,pl为整数，n只能取偶数。,n24n4已无实例了!pl36,平面机构的结构分类,基本杆组的结构分类,8,n=2的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有5种类型,典型级组：,平面机构的结构分类,基本杆组的结构分类,8,级组：结构特点：其中一个构件有三个运