第2章 机械设计中的机构结构学问题-2013

1、第第2章章 机械机构学机械机构学 第第2 2章章 机械设计中的机构结构学问题机械设计中的机构结构学问题 2.1 机构的组成及运动简图的绘制机构的组成及运动简图的绘制 2.1.1 机构的组成要素机构的组成要素 1. 运动副运动副 机构中两构件直接接触的可动联接。机构中两构件直接接触的可动联接。 运动副元素：两构件上参加接触而构成运运动副元素：两构件上参加接触而构成运 动副的部分，如点、线、面。动副的部分，如点、线、面。 第第2章章 机械机构学机械机构学 机构中具有确定运动的单元体机构中具有确定运动的单元体 ； (它可以是一个零件或多个零件组合而成。它可以是一个零件或多个零件组合而成。) 零件零件

2、加工的单元体加工的单元体 2. 构件构件 根据构件含有运动副元素的数根据构件含有运动副元素的数 量量, 构件可分为构件可分为: 三副元素构件三副元素构件 二副元素构件二副元素构件 第第2章章 机械机构学机械机构学 3. 运动链运动链 运动链分为闭式运动链和开式运动链两种运动链分为闭式运动链和开式运动链两种 两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。 第第2章章 机械机构学机械机构学 4. 机构机构 将运动链中的一个构件固定作为参考系将运动链中的一个构件固定作为参考系, 另一另一 个或几个构件按给定的运动规律相对于固定构件运个或几个构件按

3、给定的运动规律相对于固定构件运 动动, 且其余构件都具有确定运动时且其余构件都具有确定运动时, 运动链则成了机运动链则成了机 构构 机构中固定不动的构件称为机架机构中固定不动的构件称为机架 机构中按给定运动规律运动的构件称为原动件机构中按给定运动规律运动的构件称为原动件(主动件主动件) 其余随原动件运动的构件称为从动件。其余随原动件运动的构件称为从动件。 第第2章章 机械机构学机械机构学 零件、构件、机构、机器之间的关系 零件- 一个独立加工的单元体。 构件-相对运动的单元体。 机构-若干构件组成。 机器-若干机构组成。 第第2章章 机械机构学机械机构学 2.1.2 运动副的分类运动副的分类

4、1. 根据运动副引入的约束数分类根据运动副引入的约束数分类 约束约束: :两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到 某些限制。某些限制。 第第2章章 机械机构学机械机构学 按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。 I级副级副II级副级副III级副级副 第第2章章 机械机构学机械机构学 IV级副级副 V级副级副1 V级副级副2V级副级副3 第第2章章 机械机构学机械机构学 2. 根据构成运动副的两构件的接触情况分类根据构成运动副的两构件的接触情况分类 理论上以面接触的运动副称为

5、低理论上以面接触的运动副称为低 副副 点或线接触的运动副称为高副点或线接触的运动副称为高副 第第2章章 机械机构学机械机构学 3. 根据运动副两元素间相对运动的形式分类根据运动副两元素间相对运动的形式分类 平面运动副平面运动平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair) 平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。 空间运动副空间运动空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair ) 例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。 空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动

6、副的机构。 第第2章章 机械机构学机械机构学 常用运动副的符号常用运动副的符号 运动副运动副 名称名称 运动副符号运动副符号 两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副 转转 动动 副副 移移 动动 副副 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副 1 2 2 1 2 1 平平 面面 运运 动动 副副 第第2章章 机械机构学机械机构学 平平 面面 高高 副副 螺螺 旋旋 副副 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球球 面面 副副 球球 销销 副副 1 2 1

7、2 1 2 空空 间间 运运 动动 副副 1 2 1 2 1 2 第第2章章 机械机构学机械机构学 2.1.3 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制 实际机构往往是由外形和结构都很复杂的构件所组成。实际机构往往是由外形和结构都很复杂的构件所组成。 但构件的运动只取决于运动副的类型和机构的运动尺寸但构件的运动只取决于运动副的类型和机构的运动尺寸(各各 运动副相对位置尺寸运动副相对位置尺寸) , 与构件的外形、断面尺寸、固联方与构件的外形、断面尺寸、固联方 式、组成构件的零件数目及运动副的具体结构等无关式、组成构件的零件数目及运动副的具体结构等无关 为了便于研究机构的组成原理和运动为了便于研究机构

8、的组成原理和运动, 可以不考可以不考 虑构件、运动副的外形和具体构造虑构件、运动副的外形和具体构造, 只用简单的线条只用简单的线条 和规定符号代表构件和运动副和规定符号代表构件和运动副, 并按比例确定各运动并按比例确定各运动 副位置副位置, 表示机构的组成和传动情况。这种能够表达表示机构的组成和传动情况。这种能够表达 机构运动特性的简明图形称为机构运动简图。机构运动特性的简明图形称为机构运动简图。 第第2章章 机械机构学机械机构学 移动副 转动副 第第2章章 机械机构学机械机构学 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件 固定构件固定构件 同一构件同一构件 第第2章章 机械机

9、构学机械机构学 三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 第第2章章 机械机构学机械机构学 2 2、两个构件组成移动副时：、两个构件组成移动副时： 3 3、凸轮高副、凸轮高副 1 1、两个构件组成转动副时：、两个构件组成转动副时： 第第2章章 机械机构学机械机构学 4、齿轮高副齿轮高副 第第2章章 机械机构学机械机构学 注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。 第第2章章 机械机构学机械机构学 (1)分析机械的动作原理、组成情况和运动情况分析机械的动作原理、组成情况和运动情况, 确

10、定其原动确定其原动 件、机架、执行部分和传动部分。件、机架、执行部分和传动部分。 (2) 沿着运动传递路线沿着运动传递路线, 分析构件间相对运动的性质分析构件间相对运动的性质, 确定运确定运 动副的类型和数目。动副的类型和数目。 (3) 恰当地选择视图平面恰当地选择视图平面, 通常可选择机械中多数构件的运动通常可选择机械中多数构件的运动 平面为视图平面。平面为视图平面。 (4) 选择适当的比例尺选择适当的比例尺, 定出各运动副的相对位置定出各运动副的相对位置, 并用各运并用各运 动副、常用机构的简图符号和线条动副、常用机构的简图符号和线条, 绘制机构运动简图。绘制机构运动简图。 (5) 从原动

11、件开始从原动件开始, 按传动顺序标出各构件的编号和运动副的按传动顺序标出各构件的编号和运动副的 代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。 机构运动简图的绘制步骤机构运动简图的绘制步骤: 第第2章章 机械机构学机械机构学 小型压力机的运动简图小型压力机的运动简图 第第2章章 机械机构学机械机构学 第第2章章 机械机构学机械机构学 偏心泵偏心泵 动画 1 2 3 4 第第2章章 机械机构学机械机构学 2.2 运动链成为机构的条件和机构自由度运动链成为机构的条件和机构自由度 2.2.1 平面运动链的自由度平面运动链的自由度 对于一个运动链对于一个运动链,

12、各构件相对于一参照坐标系所需独各构件相对于一参照坐标系所需独 立运动的参变量数目立运动的参变量数目, 称为运动链的自由度。它取决于运称为运动链的自由度。它取决于运 动链中构件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。动链中构件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。 F 3n 2 L P H P 第第2章章 机械机构学机械机构学 运动链成为机构的条件为运动链成为机构的条件为: 取运动链中一个构件取运动链中一个构件 作为机架作为机架, 运动链相对机架的自由度必须大于运动链相对机架的自由度必须大于 零零, 且原动件数目等于运动链的自由度数。且原动件数目等于运动链的自由度数。 满足以上条件的运动链即为

13、机构。满足以上条件的运动链即为机构。 1F 1、当、当 、原动件数、原动件数=机构的自由度数，则机构具有确定机构的自由度数，则机构具有确定 相对运动；相对运动； 0F 2、当、当 、机构不能产生相对运动；、机构不能产生相对运动； 3、当、当 F 0 、原动件数、原动件数 机构的自由度数，运动不确定。机构的自由度数，运动不确定。 第第2章章 机械机构学机械机构学 由由m个个构件组成的复合铰链，构件组成的复合铰链， 共有共有(m-1)个转动副。个转动副。 1 复合铰链复合铰链 2.2.3 计算机构计算机构( 运动链运动链) 自由度时应注意的问题自由度时应注意的问题 32 3 52 60 3 lh

14、Fnpp 1 07253 23 hl ppnF 第第2章章 机械机构学机械机构学 准确识别复合铰链举例准确识别复合铰链举例 关键：关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副 12 3 1 3 4 2 1 2 3 4 4 1 3 2 1 4 3 2 3 1 2 两个转动副两个转动副 两个转动副两个转动副 两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副 两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副 第第2章章 机械机构学机械机构学 计算图示圆盘锯机构的自由度计算图示圆盘锯机构的自由度 圆盘锯机构圆盘锯机构 动画 解：活动构件数解：活动构件数n= 低副数低副数PL= 6

15、 F=3n 2PL PH =37 260 =9 D F E C A B 5 6 4 7 1 2 3 8 F=3n 2PL PH =37 2100 =1 10 第第2章章 机械机构学机械机构学 F 2、局部自由度、局部自由度(多余自由度多余自由度) 计算图示两种滚子凸轮机构的自由度计算图示两种滚子凸轮机构的自由度 对于凸轮机构：对于凸轮机构： 33231 12 第第2章章 机械机构学机械机构学 F 32221 11 去掉滚子后，凸轮机构：去掉滚子后，凸轮机构： 出现有滚子的场合，计算时应去掉。出现有滚子的场合，计算时应去掉。 滚子的作用：滚子的作用： 滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。 第第2

16、章章 机械机构学机械机构学 3、虚约束、虚约束(重复约束重复约束) 平面机构的虚约束常出现于下列情况平面机构的虚约束常出现于下列情况: （1）联接点的轨迹相重合）联接点的轨迹相重合 （2）两个构件构成多个移动副其导路相互平行或重合）两个构件构成多个移动副其导路相互平行或重合 34260F 32221 11F 33241F 第第2章章 机械机构学机械机构学 虚约束虚约束( (Redundant constraint, , Passive constraint) ) 定义定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。：机构中不起独立限制作用的重复约束。 计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将计算具有虚约

17、束的机构的自由度时，应先将 机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去。机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去。 虚约束发生的场合虚约束发生的场合 两构件间构成多个运动副两构件间构成多个运动副 两构件构成多个两构件构成多个 导路平行的移动副导路平行的移动副 两构件构成多个两构件构成多个 轴线重合的转动副轴线重合的转动副 第第2章章 机械机构学机械机构学 5 2 1 3 4 E F 5 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 未去掉虚约束时未去掉虚约束时 F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 3 2 4 1 E F 附加的构件附加的构件

18、5和其两端的转动副和其两端的转动副E、F提供的自由度提供的自由度 F 3 1 2 2 1 即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际 约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后 F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 ? 第第2章章 机械机构学机械机构学 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 附加的构件附加的构件4和其两端的转动副和其两端的转动副E、F以及附加的构件以及附加的构件1和和 其两端的转动副其两端的转动副A、B提供的自由度提供的自由度 F 3 1 2 2 1 即引入

19、了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际 约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后 F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 1 2 34 A B D F E C 4 3 1 2 5 A B C D 平行四边形机构平行四边形机构椭圆仪机构椭圆仪机构1 构件构件2和和4在在E点轨迹重合点轨迹重合 构件构件1和和2在在B点轨迹重合点轨迹重合 椭圆仪机构椭圆仪机构2 第第2章章 机械机构学机械机构学 1 B 3 4 2 A 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 对称布置的两个行星轮对称

20、布置的两个行星轮2 和和2 以及相应的两个转动副以及相应的两个转动副D、 C和和4个平面高副提供的自由度个平面高副提供的自由度 F 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束。即引入了两个虚约束。 未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1 轮系轮系 去掉虚约束后去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 1 1 2 3 4 A D B C 2 2 第第2章章 机械机构学机械机构学 虚约束的作用虚约束的作用 改善构件的受力情况，分担载荷或改善构件的受力情况，分担载荷或平衡惯性力平衡惯性力，如多，如多 个行星轮。个行星轮。 增加增加结构刚度结

21、构刚度，如轴与轴承、机床导轨。，如轴与轴承、机床导轨。 提高运动可靠性和工作的稳定性提高运动可靠性和工作的稳定性，如机车车轮联动机，如机车车轮联动机 构。构。 注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现注意：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，则虚约束将变成实际有效的的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成实际有效的 约束，从而使机构不能运动。约束，从而使机构不能运动。 第第2章章 机械机构学机械机构学 计算图示大筛机构的自由度计算图示大筛机构的自由度 F = 3 n - 2 P5 - P4 = 37 - 29 - 1 = 2 第第2章章 机械机构学机械

22、机构学 局部自由度局部自由度 复合铰链复合铰链 虚约束虚约束 n=8Pl=11Ph=1F=1 例题例题 第第2章章 机械机构学机械机构学 一、平面机构的低副代替高副（高副低化）一、平面机构的低副代替高副（高副低化） 目的目的：便于分析机构的结构和运动特性。：便于分析机构的结构和运动特性。 方法方法：用带有二个转动副的一个构件联接于高副接触点的曲率中：用带有二个转动副的一个构件联接于高副接触点的曲率中 心上即可。心上即可。 条件条件:(1):(1)结构条件结构条件: :增加一个构件及二个低副代替一个高副；增加一个构件及二个低副代替一个高副； (2) (2)运动条件运动条件: :加入的运动副中心分

23、别位于二高副元素接触点加入的运动副中心分别位于二高副元素接触点 的的曲率中心。保持瞬时运动不变曲率中心。保持瞬时运动不变( (自由度不变、瞬时速度不自由度不变、瞬时速度不 变、瞬时加速度不变变、瞬时加速度不变) ) 2.3 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析 2.3.1 平面机构的高副低代平面机构的高副低代 第第2章章 机械机构学机械机构学 各种类型的高副低代各种类型的高副低代: : 1 1、接触高副为曲线、接触高副为曲线曲线曲线 第第2章章 机械机构学机械机构学 2 2、接触高副为曲线、接触高副为曲线尖顶尖顶 第第2章章 机械机构学机械机构学 3 3、接触高副为曲线、接

24、触高副为曲线平底平底 第第2章章 机械机构学机械机构学 4、齿轮高副、齿轮高副 第第2章章 机械机构学机械机构学 32 LH FnPP 1、杆组的定义：、杆组的定义： 杆组杆组自由度为零，且不可再拆的最简单的运动链。自由度为零，且不可再拆的最简单的运动链。 自由度计算公式：自由度计算公式： 2.3.2 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 机构的原动件数必须等于机构的自由度数机构的原动件数必须等于机构的自由度数, 故机构从故机构从 动件系统的自由度数为零。动件系统的自由度数为零。 若将从动件系统分解成不可再分解的自由度为零的若将从动件系统分解成不可再分解的自由度为零的 运动链运动链, 这种运动

25、链称为基本杆组这种运动链称为基本杆组, 简称杆组。简称杆组。 第第2章章 机械机构学机械机构学 3 2 L Pn 32 L FnP 0 由于高副可以低化由于高副可以低化,所以高副不考虑所以高副不考虑,如有高副如有高副,用低副代替。所用低副代替。所 以低副机构的自由度计算公式为：以低副机构的自由度计算公式为： 则：则：因为构件数和运动副数必须是整数；因为构件数和运动副数必须是整数； 所以可得一系列类型的杆组；所以可得一系列类型的杆组； 常用的前两种类型的杆组常用的前两种类型的杆组 两个构件三个低副两个构件三个低副 四个构件六个低副四个构件六个低副 n L P 2 4 6 3 6 9 第第2章章

26、机械机构学机械机构学 两个构件三个低副的类型：两个构件三个低副的类型： 四个构件六个低副的类型：四个构件六个低副的类型： 第第2章章 机械机构学机械机构学 由于杆组的形式很多，所以将它分类。由于杆组的形式很多，所以将它分类。 2、杆组分类、杆组分类按杆组中最高多边形的边数来命名杆组的级别。按杆组中最高多边形的边数来命名杆组的级别。 级级 级级级级 机构的组成原理：机构的组成原理： （原动件与机架）（原动件与机架） （若干个基本杆组）（若干个基本杆组） 第第2章章 机械机构学机械机构学 基本杆组应满足的条件基本杆组应满足的条件 F 3n 2pL 0 即即 n (2 3)pL 基本杆组的构件数基本

27、杆组的构件数n 2，4，6， 基本杆组的运动副数基本杆组的运动副数pL 3，6，9， n 2，pL 3的双杆组的双杆组( (II级组级组) ) 内接运动副内接运动副 外接运动副外接运动副 R-R-R组组R-R-P组组R-P-R组组P-R-P组组R-P-P组组 第第2章章 机械机构学机械机构学 n 4，pL 6的多杆组的多杆组 III级组级组 结构特点结构特点 有一个三副构件，有一个三副构件，而每个内副所联接的分而每个内副所联接的分 支构件是两副构件。支构件是两副构件。 第第2章章 机械机构学机械机构学 IV级组级组 不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不 相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规 律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。 结构特点结构特点 具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四 边形。边形。 第第2章章 机械机构学机械机构学 最简单的机构：最简单的机构： 级机构级机构 级机构级机构 与与级级 杆组相联，成为杆组相联，成为级级 机构；机构； 3、机构的分类、机构的分类 按组成机构中最高级别的杆组的级别来命名机构的级别。按组成