第2章机构的结构分析

1、1第二章 机构的结构分析2-1 研究机构结构的目的机械原理课程对机械的研究主要在以下方面：一、对已有机械进行分析机械的结构分析机械的运动分析机械的动力分析2二、设计新的机械机构的选型机构的动力设计机械系统总体运动方案设计设计机构机构的运动设计本章主要研究机构的结构分析与综合其目的是：、研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件、研究机构的组成原理3、研究机构运动简图的绘制、研究机构结构的综合方法42-2 机构的组成及其运动简图的绘制一、机构的组成要素机构的组成要素是：、构件 作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件（机器的运动单元） 一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干个不同

2、零件组装起来的刚性体。5齿轮构件是由齿轮、齿轮轴和键组成。齿轮齿轮轴键齿轮、齿轮轴和键称为零件构件分成机架（或固定构件）活动构件主动件（原动件）从动件举例：6作用有驱动力或驱动力矩的活动构件称为主动件。输出运动或动力的从动件称为输出件。7 两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。对运动副的理解要把握以下三点：、运动副是一种连接；、运动副由两个构件组成；、组成运动副的两个构件之间有相对运动。、运动副 由两个构件直接接触而产生一定相对运动的连接称为运动副。8用运动副连接后，彼此的相对运动受到某些约束. 两个构件在用运动副连接前有六个独立的相对运动。构件2xzy构件1O约束：对独立相对运动限

3、制以上是机构的两大组成要素（构件、运动副） 可以说：机构是由运动副逐一连接各个构件组成的。转动副9二、运动副的分类 组成机构的运动副的类型决定机构的运动形式。运动副有多种类型，对运动副进行正确的分类，在机构设计和综合中是非常重要的。、根据运动副所引入的约束数分类21球面副（III级副）移动副（V级副） （1） 按照约束的个数，可将运动副分为 I 至 V 级副.10、根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类球面高副柱面高副运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。11运动副元素以面接触的运动副称为低副。球面低副移动副转动副12、根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类空间运动副球销副螺旋副圆

4、柱套筒副13平面运动副移动副转动副14表2-1 常用运动副及其简图名称图 形简图符号副级自由度名称图 形简图符号副级自由度球面高副I5圆柱套筒副IV2柱面高副II4转动副V1球面低副III3移动副V1球销副IV2螺旋副V115运动副的封闭： 几何封闭 力封闭16三、运动链与机构开式运动链闭式运动链 用运动副连接而成的相对可动的构件系统称为运动链。开式运动链闭式运动链单闭环运动链多闭环运动链171234ABC1234ABCD123456ABCDEFG单闭环运动链多闭环运动链开式运动链平面运动链空间运动链1234ABCD平面运动链空间运动链18四、机构 机构是用来传递运动和力且有一个构件为机架的用

5、运动副连接而成的构件系统。机构1234ABCD19 为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形和具体构造，而只用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的简明图形就称为机构运动简图。五、机构运动简图的绘制 只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机构示意图。20 用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的图形。121212转动副212121移动副21直齿轮的啮合球顶凸轮副外啮合齿轮凸轮22常用机构构件、运动副代表符号23CAB1234

6、4D556内燃机绘制内燃机机构的运动简图24 绘制机构运动简图的步骤1. 搞清楚传动原理2. 搞清楚机架、原动件和从动件3. 查出构件数、运动副数、种类，并量出运动尺寸4. 从原动件开始顺序画出从动件个数5. 确定原动件个数6. 作机架的构件用斜线画出选取合适的长度比例:25ECAB1DFG2345678HI插齿机插齿机26绘图步骤简要说明：了解机构组成：固定、活动构件，运动流向分析构件间相对运动：运动副类型、数目确定与运动有关的尺寸：回转中心、导路中心位置，高副接触点位置选择适当视图：全面反映机构运动关系定长度比例l=实际尺寸/图形尺寸27绘制牛头刨床机构的运动简图28绘制十字滑块联轴节的运

7、动简图29绘制自动装载机构的运动简图30123465ABCDEOF绘制颚式破碎机机构的运动简图3132一、平面机构自由度的计算公式(1)自由度与约束构件独立运动的数目称为自由度对构件运动的限制作用称为约束2-3 平面机构自由度的计算33什么是机构的独立运动数目?活动构件总的自由度减去约束后剩余的数目(2)机构自由度机构独立运动的数目称为机构的自由度34平面低副移动副一个低副引入几个约束？一个低副引入两个约束！移动副转动副35平面高副一个高副引入几个约束？一个高副引入一个约束！凸轮副齿轮副36 对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了PL个低副和PH个高副，则它们共引入(2PL+PH

8、)个约束。机构的自由度F显然应为:由机构的自由度定义可知：机构的自由度=机构的独立运动数目平面机构独立运动的数目为:所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH37二、机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件 所谓机构的自由度，实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数的数目。机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。两杆:（如门、风扇）F31211原动件数目等于机构的自由度运动是确定的38n=2, PL=3, PH=0 n=3, PL=4, PH=0 三杆:不能运动四杆:23114123ABCD原动件数等于机构自由度， 运动确

9、定F=3n2PLPH=3*2-2*3=0F=3n2PLPH=3*3-2*4=13914C2B54ADE13CD结论五杆:n=4, PL=5, PH=0 1)若机构自由度，则机构不能动2)若且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由度数；F=3n2PLPH=3*4-2*5=2原动件数=1，原动件数=2，运动不能确定运动确定403)若0，而原动件数，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。123ACB4D判断图示机构能否运动?F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-1=041三、计算机构自由度时应注意的事项1. 复合铰链例：

10、由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。422. 局部自由度不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。433. 虚约束应在计算结果中加上虚约束数，或先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。44常见的虚约束有以下几种情况:）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。带虚约束的凸轮机构45带虚约束的曲轴）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，

11、则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。46）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。带虚约束的杆机构47）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。带虚约束的行星轮系48机构中为什么要使用虚约束?a.使受力状态更合理b.使机构平衡c.考虑机构在特殊位置的运动使用虚约束时要注意什么问题?保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。49机构自由度计算举例例 1 图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆 3 作往复摆动，并带动滑枕4

12、作往复移动 ，已达到刨削加工目的。 试问图示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何修改？1 12 23 3450解：计算设计方案的自由度0624323HPPnFL改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件；2、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。1 12 23 3451改进方案(1、2)52改进方案(3、4)53改进方案(5、6)54改进方案(7)55例 2 如图所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。ADECHGF

13、IBK12345678956;8n局部自由度复合铰链虚约束111128323HPPnFLADECHGFIBK123456789;11LP1HP57例 3 计算图所示机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。7 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6587 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度虚约束;6n11826323HPPnFL;8LP1HP59例 4 如图所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链

14、、虚约束请标出）。 C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 1G GH HI IJ JK KL L60;8n局部自由度复合铰链虚约束C21AB67891011GHIJKLEDF345111128323HPPnFL;11LP1HP612-4 平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。机架原动件从动件组62从动件组从动件组分析：6,4LPn 这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。0624323LPnF63还能分解吗？64 这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。通常把这样的从动件组称为： 基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。 基本杆组65机构的组成原理： 任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的.66 如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：023LPnF32LPn 在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2, PL=3n=4, PL=6n=6, PL=9二、基本杆组的类型 由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数，所以 n应是 的倍数， PL应是 的倍数。67杆组类别