机构的结构分析PPT学习教案

1、会计学1机构的结构分析机构的结构分析重点重点1.1.掌握有关机构的概念。掌握有关机构的概念。2.2.掌握平面机构运动简图的绘制方法和步骤。掌握平面机构运动简图的绘制方法和步骤。3.3.掌握机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算掌握机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算4.4.掌握平面低副机构的结构分析和组成原理，能根据给定的机构掌握平面低副机构的结构分析和组成原理，能根据给定的机构运动简图进行拆杆组，并确定机构的级别。运动简图进行拆杆组，并确定机构的级别。难点难点掌握机构自由度的正确计算方法是本章的难点。计算时必须考虑掌握机构自由度的正确计算方法是本章的难点。计算时必须考虑几种特殊

2、情况，如复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。尤其几种特殊情况，如复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。尤其注意到各种虚约束出现的场合是有条件的。注意到各种虚约束出现的场合是有条件的。第1页/共56页1.1.研究机构的组成及机构简图的画法。研究机构的组成及机构简图的画法。2. 2. 了解机构具有确定运动的条件。了解机构具有确定运动的条件。3. 3. 研究机构的组成原理及结构分类。研究机构的组成原理及结构分类。第2页/共56页零件零件(part) (part) 独立的制造单元；独立的制造单元；构件构件(link) (link) 独立的运动单元。独立的运动单元。套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母

3、螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖内燃机内燃机连杆连杆2.2 2.2 机构的组成机构的组成第3页/共56页运动副运动副由两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的连接由两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的连接。三个三个条件缺一不可：条件缺一不可： a)a)两个构件两个构件，b) b) 直接接触直接接触，c) c) 有相对运动有相对运动。运动副元素运动副元素两构件构成运动副的直接接触的部分（点、线、面）两构件构成运动副的直接接触的部分（点、线、面）。作者：潘存云教授第4页/共56页运动副的分类：运动副的分类： 按引入的约束数数目：按引入的约束数数目： I I级副、级副、II II级副、级副、II

4、IIII级副、级副、IVIV级副、级副、V V级副。级副。 构件受到约束后自由度减少，每加上一个约束，构件受到约束后自由度减少，每加上一个约束，便失去一个自由度，自由度与约束数之和为便失去一个自由度，自由度与约束数之和为6 6。 提供一个约束条件的，称为提供一个约束条件的，称为I I级副。其余依此类推级副。其余依此类推。第5页/共56页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1V级副级副2V级副级副3两者关联第6页/共56页 按运动副元素分有按运动副元素分有 面接触（应力低）的运动副称为面接触（应力低）的运动副称为低副低副，例如转动，例如转动副（回转副）、移动副副（回转副）、

5、移动副 ； 点、线接触的运动副（应力高）称为点、线接触的运动副（应力高）称为高副高副，例如，例如滚动副、凸轮副、齿轮副等。滚动副、凸轮副、齿轮副等。第7页/共56页 按封闭形式分有按封闭形式分有 几何（形）封闭几何（形）封闭运动副运动副借助于构件的结构形借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的运动副。状所产生的几何约束来封闭的运动副。 力封闭力封闭运动副运动副借助于重力、弹簧力、气液压借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副。力等来封闭的运动副。第8页/共56页 按相对运动分有按相对运动分有 转动副转动副（回转副、铰链）（回转副、铰链） 两构件之间的相两构件之间的相对运动为转动的运动副

6、对运动为转动的运动副 。 移动副移动副两构件之间的相对运动为移动的运动两构件之间的相对运动为移动的运动副。副。 螺旋副螺旋副两构件之间的相对运动为螺旋运动的两构件之间的相对运动为螺旋运动的运动副。运动副。 球面副球面副两构件之间的相对运动为球面运动的两构件之间的相对运动为球面运动的运动副。运动副。 第9页/共56页 按相对运动范围分有按相对运动范围分有平面运动副平面运动副平面运动平面运动(plannar kinematic pair)(plannar kinematic pair)空间运动副空间运动副空间运动空间运动(spatial kinematic pair )(spatial kinem

7、atic pair )例如球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。例如球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。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副的机构。运动副的图形符号已经有国家标准运动副的图形符号已经有国家标准(GB 4460/T(GB 4460/T1984)1984)。下表为常用运动副的类型及其代表符号。下表为常用运动副的类型及其代表符号。第10页/共56页第11页/共56页第12页/共56页构件和运动副的表示方法构件和运动副的表示方法双双副副三三副副构构件件第13页/共56页两构两构件为件为活动

8、活动构件构件有一有一个构个构件固件固定定1 12 21 12 21 12 21 12 21 12 22 21 1转转动动副副1 12 2第14页/共56页两构两构件为件为活动活动构件构件有一有一个构个构件固件固定定1 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 2移移动动副副第15页/共56页齿轮齿轮的轮的轮齿与齿与轮齿轮齿接触接触凸轮凸轮与从与从动件动件的接的接触触高高副副1 12 21 12 21 12 22 21 12 21 12 21 1第16页/共56页运动链运动链两个以上的构件通过运动副的连接而构成的系统。两个以上的构件通过运动副的连接

9、而构成的系统。分为分为闭式闭式运动链和运动链和开式开式运动链两种。运动链两种。第17页/共56页1 1个或几个个或几个1 1个个机构机构将运动链中某一构件固定，而其余构件相对于它有确定将运动链中某一构件固定，而其余构件相对于它有确定 运动，此种运动链称为机构运动，此种运动链称为机构 。机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。如机床床身、车辆底盘、飞机机身。主（原）动件主（原）动件按给定运动规律相对于机架独立运动的构件按给定运动规律相对于机架独立运动的构件。主主动件往往也是驱动力作用的构件，即原动件。动件往往也是驱动力作用的构件，即原动件。从动件从动件除主动件之

10、外，其余相对于机架运动的构件。除主动件之外，其余相对于机架运动的构件。机构的组成：机构机架原动件从动件机构的组成：机构机架原动件从动件若干若干4 4 机构机构第18页/共56页机构机构运动简图运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运动用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。关系的简单图形。作用：作用： 表示机构的结构和运动情况。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。作为运动分析和动力分析的依据。机构运动简图符号已经有国家标准。机构运动简图符号已经有国家标准。该标准对构件及各种机构的表示符号作了规定。该标准对构件及各种机构的表示符号作了规定。下表为常用机构运动简图符

11、号。下表为常用机构运动简图符号。第19页/共56页第20页/共56页第21页/共56页机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件条件： 构件数目与实际相同构件数目与实际相同; ; 运动副的特点、数目与实际相符运动副的特点、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。机构机构示意图示意图不按精确比例绘制的简图。不按精确比例绘制的简图。第22页/共56页绘制机构运动简图的思路：绘制机构运动简图的思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄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

12、件数目及运动副的类型，并用符清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。号表示出来。顺口溜顺口溜： 先两头，后中间，从头至尾走一遍，先两头，后中间，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，再看它们怎相连数数构件是多少，再看它们怎相连。第23页/共56页绘制机构运动简图的步骤：绘制机构运动简图的步骤： 运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目； 测量各运动副之间的尺寸，选视图平面（通常选与运动测量各运动副之间的尺寸，选视图平面（通常选与运动平面平行的平面），绘制示意图；平面平行的平面），绘制示意图； 按比例绘制运动简图；按比例绘制运动

13、简图； 检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。第24页/共56页E EC C颚式破碎机颚式破碎机举例：绘制破碎机的机构运动简图。举例：绘制破碎机的机构运动简图。分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中OO、E E、F F三处是与机架相连的固定铰链，原动件为三处是与机架相连的固定铰链，原动件为AOAO，作整周旋转。，作整周旋转。难点：关键是搞清楚原动构件难点：关键是搞清楚原动构件AOAO是一个作整周旋转的偏心轮，是一个作整周旋转的偏心轮，不容易看出。不容易看出。B BDDF FA AOO第25页/共56页第26页/共5

14、6页第27页/共56页2.4 2.4 机构运动确定的条件机构运动确定的条件机构的机构的自由度自由度：保证机构具有确定运动时所必须给定的独：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，常用立运动参数的数目，常用F F表示。表示。机构的机构的原动件原动件数目应数目应等于等于机构的机构的自由度自由度的数目的数目。第28页/共56页原动件原动件驱动力作用的，相对于机架能独立运动的构件。驱动力作用的，相对于机架能独立运动的构件。给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参，一个独立参数数 1 1 1 1（t t）唯一确定，该机）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。构仅需要一个独立参

15、数。 若仅给定若仅给定 1 1 1 1（t t）, ,则则 2 2 3 3 4 4 均不能唯一确定。若同时给均不能唯一确定。若同时给定定 1 1和和 4 4 ，则，则 3 3 2 2 能唯一确定能唯一确定，该机构需要两个独立参数。，该机构需要两个独立参数。 4 4S3123S3 1234 1 1因为一个原动件只能提供一个独立参数，所以机构具有确定因为一个原动件只能提供一个独立参数，所以机构具有确定运动的条件为：运动的条件为：自由度原动件数。自由度原动件数。第29页/共56页1.1.平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算2.5 2.5 机构自由度的计算机构自由度的计算yx ( (x , y)x

16、 , y)F = 3F = 3o作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x x，y, y, ）才能唯一确定。）才能唯一确定。平面机构中每个自由构件具有三个自由度。平面机构中每个自由构件具有三个自由度。第30页/共56页自由构自由构件的自件的自由度数由度数运动副运动副 自由度数自由度数F F 约束数约束数R R回转副回转副 1 1（ ） + 2+ 2（x x，y y） = 3= 3S Syx12xy12R R=2, =2, F F=1=1R R=2, =2, F F=1=1R R=1, =1, F F=2=2结论：构件自由度结论：构件自由度

17、3 3约束数自由构件的自由度数约束数约束数自由构件的自由度数约束数移动副移动副 1 1（x x） + 2+ 2（y y， ）= 3= 3高高 副副 2 2（x,x,） + 1+ 1（y y） = 3= 3yx12 经运动副相连后，由于有约束，构件自由度会有变化：经运动副相连后，由于有约束，构件自由度会有变化：第31页/共56页活动构件数活动构件数 n n 计算公式：计算公式： F F=3=3n n(2(2P PL L + +P Ph h ) )要求要求：记住上述公式，并能熟练应用。：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3 3n n

18、2 2 P PL L1 1 P Ph h推广到一般情况：推广到一般情况：设一个平面机构，共有设一个平面机构，共有n n个活动构件，用个活动构件，用P PL L个低副和个低副和P PHH个高副个高副连接。如上所述，一个没有任何约束的构件作平面运动时具有连接。如上所述，一个没有任何约束的构件作平面运动时具有3 3个自由度，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束个自由度，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束条件。因此：条件。因此： 第32页/共56页例题例题 计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n n = 3 = 3 低副数低副数P PL L =

19、 4 = 4 高副数高副数P PH H = 0 = 0F F = 3 = 3n n 2 2P PL L P PH H = 3 = 33 3 2 24 4 = 1 = 1 123第33页/共56页例题例题 计算五杆铰链机构的自由度。计算五杆铰链机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n n = 4= 4 低副数低副数P PL L = 5 = 5 高副数高副数P PH H = 0 = 0F F=3=3n n 2 2P PL L P PH H =3 =34 4 2 25 5 =2 =2 1234 1 1第34页/共56页例题例题 计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解

20、：活动构件数n n = 2 = 2 低副数低副数P PL L = 2= 2 高副数高副数P PH H = 1 = 1F F=3=3n n 2 2P PL L P PH H =3 =32 2 2 22 21 1 =1 =1123第35页/共56页 复合铰链。复合铰链。两个以上的构件在同一处以转动副相连。两个以上的构件在同一处以转动副相连。每两个构件之间构成一个转动副，因此，当有每两个构件之间构成一个转动副，因此，当有mm个构件在同个构件在同一处以转动副相连时，有一处以转动副相连时，有mm1 1转动副。转动副。此处有两个低副此处有两个低副2.6 2.6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构

21、自由度时应注意的事项1.1.要正确计算运动副的数目要正确计算运动副的数目第36页/共56页例题例题 求图示圆盘锯机构的自由度。求图示圆盘锯机构的自由度。解：在解：在B B、C C、DD、E E四处各有三个构件形四处各有三个构件形成复合铰链，每处有成复合铰链，每处有 2 2 个运动副，因此有个运动副，因此有 活动构件数活动构件数 n = 7n = 7 低副数低副数P PL L = 10 = 10F F=3=3n n 2 2P PL L P PH H =3 =37 7 2 210100 0 =1 =1如果不考虑复合铰链，低副数目如果不考虑复合铰链，低副数目为为6 6个，则计算的自由度数为个，则计算

22、的自由度数为9 9，显然计算有误！显然计算有误！12345678ABCDEF圆盘锯机构圆盘锯机构第37页/共56页 同轴、平行或法线重合，均只算同轴、平行或法线重合，均只算一个运动副。一个运动副。b.b.两构件构成多个移动副，且导路平行。两构件构成多个移动副，且导路平行。 a.a.两构件构成多个转动副，且同轴。两构件构成多个转动副，且同轴。c.c.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副，两处接触，且法线重合。注意注意： 法线不重合时，变成实际约束法线不重合时，变成实际约束！W第38页/共56页 复合高副，相当于一个低副。复合高副，相当于一个低副。A AA An n1 1n n1

23、1n n2 2n n2 2n n1 1n n1 1n n2 2n n2 2A AA A如果两构件在多处相接触所构成的平面高副，在各接触点处如果两构件在多处相接触所构成的平面高副，在各接触点处的公法线方向彼此不重合，就构成了复合高副。的公法线方向彼此不重合，就构成了复合高副。转动副转动副移动副移动副第39页/共56页例题例题 计算图示两种凸轮机构的自由度。计算图示两种凸轮机构的自由度。解：如果不考虑局部自由度，那么有解：如果不考虑局部自由度，那么有 n n=3 , =3 , P PL L = 3, = 3, P PH H = 1= 1F F = 3 = 3n n 2 2P PL L P PHH

24、= 3 = 33 3 2 23 3 1 1 = 2 = 2对于右边的机构，有：对于右边的机构，有： F F=3=32 2 2 22 2 1=11=1 第一例计算结果显然有误。事实上，当凸轮转速一样时，两个第一例计算结果显然有误。事实上，当凸轮转速一样时，两个机构中从动件的运动完全相同，且两个机构的机构中从动件的运动完全相同，且两个机构的 F F=1=1。加装滚子的好处在于将滑动摩擦变成滚动摩擦以减小摩擦力。加装滚子的好处在于将滑动摩擦变成滚动摩擦以减小摩擦力。1231232. 2. 要除去局部自由度要除去局部自由度定义定义：构件局部运动所产生的自由度。：构件局部运动所产生的自由度。 局部自由度

25、常出现在加装滚子的场合，计算机构自由度时应去掉局部自由度常出现在加装滚子的场合，计算机构自由度时应去掉。否则会出错。否则会出错。第40页/共56页解：若套用公式直接计算有解：若套用公式直接计算有 n n=4=4，P PL L=6=6，P PHH=0=0 F F = 3 = 3n n 2 2P PL L P PHH = 3 = 34 4 2 26 6 = 0 = 0事实上，该机构是可以运动的，老式的事实上，该机构是可以运动的，老式的蒸汽机火车头车轮驱动就采用了该机构蒸汽机火车头车轮驱动就采用了该机构。3. 3. 要除去虚约束要除去虚约束对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约

26、束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。因为因为 ABAB CDCD FEFE ，故增加构件故增加构件4 4前后前后E E点的轨迹都是圆弧。增加了构点的轨迹都是圆弧。增加了构件件4 4 ，带来，带来3 3个自由度，同时多了个自由度，同时多了2 2个转动副，带来了个转动副，带来了4 4个约束。但增加的个约束。但增加的约束不起作用，应去掉构件约束不起作用，应去掉构件4 4后变为下图，重新计算得后变为下图，重新计算得 F F=1=1。例题例题 已知：已知：ABABCDCDEFEF，计算图示，计算图示平行四边形机构的自由度。平行四边形机构的自由度。 1 12 23 34 4A AB B

27、C CDDE EF F1 12 23 34 4A AB BC CDDE EF F4 4F F特别注意特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：此例存在虚约束的几何条件是：ABABCDCDEFEF第41页/共56页出现虚约束的场合：出现虚约束的场合：a.a.两构件连接前后，连接点的轨迹重合。两构件连接前后，连接点的轨迹重合。 如平行四边形机构，火车轮，椭圆仪等。如平行四边形机构，火车轮，椭圆仪等。第42页/共56页b.b.运动时，两构件上的两点距离始终不变。运动时，两构件上的两点距离始终不变。c.c.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。EF虚约束虚约束虚约束

28、虚约束第43页/共56页注意注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! !虚约束的作用：虚约束的作用： 改善构件的受力情况，如多个行星轮。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。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。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。第44页/共56页 机构具有确定运动的条件是：机构具有确定运动的条件是：原动件数自由度原动件数自由度。 现设想将机构中的原动件和机架从机构中断开，则原动件与机架现设想将机构中的原动件和机架从机构中断开，则原动件与机架构成了基本机构，其

29、构成了基本机构，其F F1 1。剩下的构件组必有。剩下的构件组必有F F0 0。将构件组继续拆。将构件组继续拆分成更简单的分成更简单的F F0 0的构件组，直到不能再拆为止。的构件组，直到不能再拆为止。定义：最简单的定义：最简单的F F0 0的构件组，称为基本杆组。的构件组，称为基本杆组。F=1F=01 1）平面机构的组成原理）平面机构的组成原理第45页/共56页由上述机构结构分析的过程可知，平面机构的组成原理是：由上述机构结构分析的过程可知，平面机构的组成原理是：任何机任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接到原动件和机架上所组成构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接到原动件和机架上所组

30、成。在设计一个新机构时，可先选定机架，并将等于该机构自由度数的在设计一个新机构时，可先选定机架，并将等于该机构自由度数的若干个原动件用低副连接于机架上，然后将各个基本杆组连接于机架和原若干个原动件用低副连接于机架上，然后将各个基本杆组连接于机架和原动件上，即可完成该简图的设计。动件上，即可完成该简图的设计。例如下图所示牛头刨床主机构的设计过程。例如下图所示牛头刨床主机构的设计过程。12345EDA6CB第46页/共56页牛头刨床主机构的组成原理牛头刨床主机构的组成原理DD4 45 5E E1 1A A6 61 12 23 34 45 5E EDDA A6 6C CB B2 23 3C CB B

31、DD4 45 5E E1 12 23 3A A6 6C CB B第47页/共56页2 2）平面机构的结构分类：）平面机构的结构分类：设基本杆组中有设基本杆组中有n n个构件，个构件，P PL L个低副，则由条件个低副，则由条件F F0 0有有： F F3 3n n2 2P PL LP PHH0 (0 (低副机构中低副机构中P PHH0 )0 ) 因为因为 P PL L 为整数，为整数， 所以所以 n n只能取偶数。只能取偶数。 n n 2 4 2 4 P PL L 3 63 6 其中最简单的组合是其中最简单的组合是n n=2 =2 ， P PL L=3=3。这种基本杆组称为。这种基本杆组称为I

32、I II级组级组应用应用最广而又最简单的基本杆组。共有以下最广而又最简单的基本杆组。共有以下5 5 种类型：种类型：得得 P PL L3 3n n/2/2第48页/共56页n n=4 =4 （P PL L6 6）的事）的事级组有以下四种类型级组有以下四种类型: :结构特点：其中一个构件有三个运动副。结构特点：其中一个构件有三个运动副。级组在实际机构中应用很少。级组在实际机构中应用很少。第49页/共56页机构命名方式：机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构，级机构等。级机构等。必须强调指出：必须强调指出： 杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。 例如下图中两种情况杆组都不能运动。例如下图中两种情况杆组都不能运动。 机构的级别与原动件的选择有关。机构的级别与原动件的选择有关。第50页/共56页3 3）平面机构的结构分析）平面机构的结构分析 计算机构的自由度，确定原动件。计算机构的自由度，确定原动件。 从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆级组，当不可能时再试级组，当不可能时再试拆拆级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆