第2章机构的结构分析

1、第第2 2章章 机构的结构分析机构的结构分析1. 研究机构的组成及其具有确定运动的条件研究机构的组成及其具有确定运动的条件 弄清楚机构包含哪几个部分？各部分如何相连？怎样的弄清楚机构包含哪几个部分？各部分如何相连？怎样的结构才能保证机构具有确定的运动？结构才能保证机构具有确定的运动？2. 按结构特点对机构进行分类按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。建立运动分析和动力分析的一般方法。3. 绘制机构运动简图绘制机构运动简图 为运动分析和动力

2、分析做准备。为运动分析和动力分析做准备。4. 研究机构的组成原理研究机构的组成原理 目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。确定性的要求。一、基本概念一、基本概念 1. 零件零件(Element)最小的制造单元最小的制造单元(组成机器最基本的、不组成机器最基本的、不可再拆分的单元可再拆分的单元) )。2. 构件构件(Link)最小的独立运动单元。最小的独立运动单元。从运动角度讲，构从运动角度讲，构件是一个刚体。件是一个刚体。注意：注意：零件是从制造加工角度提出的最小单元概念；构件则是从运动和功能实现角度提出的最小单元概念；构件可以是单一

3、零件，也可以是几个零件的刚性连接。3. 运动副运动副(Kinematic Pair)由两构件组成的可动连接。由两构件组成的可动连接。( (使两构件直接接触，又能产生一定的相对运动的连接使两构件直接接触，又能产生一定的相对运动的连接) )。运动副元素运动副元素两构件上能够参加接触而构成运动副的表面。两构件上能够参加接触而构成运动副的表面。 ( (构成运动副的点、线、面构成运动副的点、线、面) )。二、运动副的分类二、运动副的分类 1. 按运动副接触形式分按运动副接触形式分 低副低副高副高副运运动动副副两构件通过两构件通过点或线接触点或线接触而构成的运动副。而构成的运动副。凸轮机构两构件通过两构件

4、通过面接触面接触而构成的运动副。而构成的运动副。2. 按构成运动副的两构件的相对运动分按构成运动副的两构件的相对运动分转动副转动副: :两构件之间的相对运动为两构件之间的相对运动为移动副移动副: :两构件之间的相对运动为两构件之间的相对运动为移动副移动副转动副转动副螺旋副：螺旋副：螺旋运动球面副：球面副：球面运动螺旋副螺旋副球面副球面副3. 按相对运动平面分按相对运动平面分平面运动副平面运动副: :两构件之间的相对运动为两构件之间的相对运动为空间运动副空间运动副: :两构件之间的相对运动为两构件之间的相对运动为平面运动副平面运动副平面高副平面低副移动副转动副空间运动副空间运动副球面副螺旋副4.

5、 按引入的约束数分按引入的约束数分X X级运动副级运动副指引入指引入X X个约束的运动副。个约束的运动副。级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副级副自由度自由度(Degree of Freedom)构件所具有的独立运动个数构件所具有的独立运动个数 。平面自由构件：平面自由构件： 3个个例：在例：在XOY平面，移动平面，移动X、Y；转动；转动Z 移动：移动：X、Y、Z；转动：；转动：X、Y、Z构件构件1 1相对构件相对构件2 2在空间有在空间有6 6个个独立的相对运动，因此构件独立的相对运动，因此构件1 1相对相对2 2有有6 6个自由度。个自由度。 约束约束(Constrain)

6、对自由度的对自由度的限制个数限制个数 。自由度和约束之和应为自由度和约束之和应为6 6。运动副运动副为活动连接，所以为活动连接，所以引入的约束数引入的约束数目最多为目最多为5 5个，个，而剩下的自由度最而剩下的自由度最少为少为1个。个。 自由度自由度15；约束；约束15。6个个空间自由构件：空间自由构件：X X级运动副级运动副引入引入X X个约束个约束转动副转动副移动副移动副级副级副螺旋副螺旋副球面副球面副级副级副级副级副齿轮高副齿轮高副级副级副凸轮高副凸轮高副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

7、动副副121212121212121212121212两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12122121平平面面运运动动副副平平面面高高副副螺螺旋旋副副21211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212122112三、运动链三、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而构成的系统 。v 按照几何形状是否封闭，可以分按照几何形状是否封闭，可以分为为开链开链和和闭链闭链：闭链闭链: :指运动链的各构件构成首尾封指运动链的各构件构成首尾封闭的系统。闭的系统。开链开链: :指运动链的各构件未构成首尾指运动链的各构

8、件未构成首尾封闭的系统。封闭的系统。 v 按照按照各构件间的相对运动各构件间的相对运动可分可分为为和和：平面运动链平面运动链: :各构件间的相对运动各构件间的相对运动为平面运动的运动链。为平面运动的运动链。 空间运动链空间运动链: :各构件间的相对运动各构件间的相对运动为空间运动的运动链。为空间运动的运动链。 机构机构四、机构四、机构 零件零件构件构件机器机器焊焊接接铆铆接接螺螺栓栓连连接接键键连连接接控控制制单单元元辅辅助助系系统统固定固定连接连接可动可动连接连接运运动动链链机机架架原原动动件件高高副副低低副副移动副移动副 转动副转动副1.1.运动运动链成为机构的条件链成为机构的条件1）将运

9、动链中的一个构件）将运动链中的一个构件固定为机架；固定为机架；2）必须有原动件。）必须有原动件。1234ABCD机架机架原动件原动件机架机架机构中作为参考系的构件。机构中作为参考系的构件。原动件原动件机构中按给定的运动规律机构中按给定的运动规律独立运动的构件。独立运动的构件。从动件从动件机构其余活动构件。机构其余活动构件。2. 机构中构件的类型机构中构件的类型3. 机构的分类机构的分类 平面机构平面机构组成机构的各构件间的相对运动为平面运动。组成机构的各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构空间机构组成机构的各构件间的相对运动为空间运动。组成机构的各构件间的相对运动为空间运动。 机构运动简图机

10、构运动简图为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的机构的真实运动真实运动仅与机构中的仅与机构中的运动副运动副的结构情况（转动副、的结构情况（转动副、移动副及高副等）和机构的移动副及高副等）和机构的运动尺寸运动尺寸（由各运动副的相对位置确（由各运动副的相对位置确定的尺寸）有关，而定的尺寸）有关，而与机构的外形尺寸等因素无关。与机构的外形尺寸等因素无关。机构的示意图：机构的示意图：指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况, , 不要求严格地按不要求严格地按比例而绘制的简图。比例而绘制的简图。机构运动简图：机构运动简图：指根据机构的运动指根据机构的运动尺寸尺寸, , 按一定的比例尺

11、定出各运动按一定的比例尺定出各运动副的位置副的位置, , 并用国标规定的简单线并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。出表示机构运动关系的简明图形。机构示意图机构示意图常用构件的表示方法常用构件的表示方法BAAB(a)(b)BAAB(a)(b)一一般般构构件件的的表表示示方方法法常用机构运常用机构运动简图符号动简图符号机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件：条件：1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、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运动副

12、之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。:1.1.分析机构的构造和运动传递情况，确定机构中的机架、原动分析机构的构造和运动传递情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分。部分、传动部分和执行部分。2.2.沿着运动传递的路线细心观察，确定：构件数量、两构件间沿着运动传递的路线细心观察，确定：构件数量、两构件间通过何种运动副连接、运动副所在的相对位置。通过何种运动副连接、运动副所在的相对位置。3.3.恰当地选择投影面：一般选择与机构的多数构件的运动平面恰当地选择投影面：一般选择与机构的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。相平行的平面作为投影面。4.4.选取适当的比例尺，根据机构

13、的运动尺寸定出各运动副之间选取适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置（转动副的中心、移动副的导路方向及高副的接触的相对位置（转动副的中心、移动副的导路方向及高副的接触点等），画出相应的运动副符号，用简单的线条或几何图形将点等），画出相应的运动副符号，用简单的线条或几何图形将各运动副连接起来，最后要标出构件数字代号、运动副的字母各运动副连接起来，最后要标出构件数字代号、运动副的字母代号、原动件的运动方向箭头。代号、原动件的运动方向箭头。 机构运动简图的绘制步骤机构运动简图的绘制步骤)1mmm图示尺寸（实际尺寸（分析：分析：该机构有该机构有6 6个构件个构件和和7 7个转动副。

14、个转动副。13452FO6CBDEA)1mmm图示尺寸（实际尺寸（绘制运动副时注意事项绘制运动副时注意事项1)1)绘制转动副时，转动绘制转动副时，转动副的位置是关键副的位置是关键：代表代表转动副小圆的圆心必须转动副小圆的圆心必须与回转中心重合；两个与回转中心重合；两个转动副中心连线的长度转动副中心连线的长度一定要精确。一定要精确。2)2)绘制移动副时，导路的方向和位置绘制移动副时，导路的方向和位置是关键是关键。必须注意：代表移动副的滑必须注意：代表移动副的滑块，其导路的方向必须与相对移动的块，其导路的方向必须与相对移动的方向一致；转动副到移动副导路间的方向一致；转动副到移动副导路间的距离要精确

15、。距离要精确。3)偏心轮机构：偏心轮机构：偏心轮偏心轮是曲柄的特殊形式。它是曲柄的特殊形式。它们的绘制是易错点。绘们的绘制是易错点。绘制时关键是要找出相对制时关键是要找出相对转动中心。转动中心。yx作平面运动的刚体在平面中的位置需要三个作平面运动的刚体在平面中的位置需要三个独立的参数（独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。）才能唯一确定。yx(x , y)单个自由平面构件的自由度为单个自由平面构件的自由度为 3 3yx12S12xy12S=2, F=1S=2, F=1S=1, F=2经运动副相联后，由于有约束，构件自由经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：度会有变化：yxyx12S1

16、2xy12S=2, F=1S=2, F=1S=1, F=2自由构自由构件的自件的自由度数由度数移动副移动副 1（x） + 2（y，）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3回转副回转副 1（） + 2（x，y） = 3运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数假设平面机构有假设平面机构有n个个活动构件活动构件： 3n个自由度个自由度有有Pl个低副和个低副和Ph个高副：个高副： 平面自由构件：平面自由构件：3个自由度个自由度平面低副：平面低副：引入引入2个约束个约束平面高副：平面高副：引入引入1个约束个约束引入引入(2 Pl +Ph)约束约束分析：分析：一、平面机构自由度的计算公式一

17、、平面机构自由度的计算公式 平面机构的自由度平面机构的自由度机构的自由度机构的自由度机构自由度数机构自由度数 F 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 3n 2 PL1 Ph平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：F=3n- -2 Pl - - Ph活动构件数活动构件数低副数低副数高副数高副数解：活动构件数解：活动构件数n = 3低副数低副数PL= 4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH= 0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。S3123ABCF=3n-2Pl Ph=3 2-2 30=0F=3n-2Pl

18、 Ph=3 3-2 40=1给定给定一个一个独立运动参数，其余构件有确定运动。独立运动参数，其余构件有确定运动。F=3n-2Pl Ph=3 4-2 50=2给定给定一个一个独立运动参数，机构没有确定运动。独立运动参数，机构没有确定运动。给定给定两个两个独立运动参数，机构有确定运动。独立运动参数，机构有确定运动。F=3n-(2 Pl + Ph)=3n-2Pl -Ph0=0 0）三、欠驱机构与冗驱机构三、欠驱机构与冗驱机构1、欠驱机构、欠驱机构原动件数小于机构的自由度原动件数小于机构的自由度遵循最小阻遵循最小阻 力定律（优先沿阻力最小方向运动）力定律（优先沿阻力最小方向运动）送料机构送料机构2、冗

19、驱机构、冗驱机构原动件数大于机构的自由度原动件数大于机构的自由度如各原动件如各原动件运动互不协调，将可能导致机构在最薄弱环节损坏运动互不协调，将可能导致机构在最薄弱环节损坏有些情况下：有些情况下：增大驱动力；克服机构处于奇异位形增大驱动力；克服机构处于奇异位形采用采用冗驱机构冗驱机构必须保证各原动件的运动是彼此协调的必须保证各原动件的运动是彼此协调的例题分析例题分析13452FO6CBDEA1 1、计算图示、计算图示颚式破碎机颚式破碎机的自由度的自由度 n = 5、Pl = 7、Ph = 0 F=3n-2Pl-Ph =3 5-2 70 =12、计算下列机构的自由度，并判断其运动是否确定。、计算

20、下列机构的自由度，并判断其运动是否确定。 n = 5、Pl = 7、Ph = 0 n = 4、Pl = 5、Ph = 1 F = 3n （2Pl Ph ） =3 5 （2 7 0） = 1 F = 3n （2Pl Ph ） =3 4 （2 5 1 ） = 1 复合铰链复合铰链 （Compound hinges）两个以上构件同在一处以转动副相连接。两个以上构件同在一处以转动副相连接。m个构件以复合铰链连接所构成的转动副数为个构件以复合铰链连接所构成的转动副数为(m-1)个。个。 n = 7F=3n-2Pl-Ph =3 7-2 100 =1Pl = 10Ph = 0例例 试计算图示圆盘锯机构的自由

21、度。 局部自由度局部自由度F（Passive DOF）构件所具有的与其他构件运动无关的局部运动。构件所具有的与其他构件运动无关的局部运动。 n = 3、Pl = 3、Ph = 1 F=3n-2Pl-Ph =3 3-2 31 =2注意：注意：计算机构自由度时计算机构自由度时, , 应将应将局部自由度除去不计。局部自由度除去不计。去除局部自由度去除局部自由度应采取的措施：应采取的措施： （1）设想将滚子）设想将滚子与安装滚子的构件与安装滚子的构件焊成一体，预先排焊成一体，预先排除局部自由度，再除局部自由度，再计算机构自由度计算机构自由度刚化法刚化法。 （2）直接从机构）直接从机构自由度计算公式中自

22、由度计算公式中减去局部自由度的减去局部自由度的数目数目F。 n = 3、Pl = 3、Ph = 1 、F=1F=3n-2Pl-Ph-F =3 3-2 31-1 =1 n = 3、Pl = 2、Ph = 1F=3n-2Pl-Ph =3 3-2 21 =1 虚约束虚约束P（ Redundant constraints）为改善构件的受力状态、刚度、强度等所引入的约束，为改善构件的受力状态、刚度、强度等所引入的约束，不起独立的约束作用。不起独立的约束作用。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0 分析：分析：E3和和E5点的轨迹重合，引入一个虚约

23、束点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算：正确计算：F=3n-2Pl Ph + P =34 - 26-0+1=1注意：注意：计算机构自由度时计算机构自由度时, , 应将应将虚约束虚约束除去不计。除去不计。去除虚约束应采取的措施：去除虚约束应采取的措施：（1）预先排除虚约束，即将引起虚约束的附加构件和与此构件预先排除虚约束，即将引起虚约束的附加构件和与此构件相关的运动副去除。自由度计算公式仍为相关的运动副去除。自由度计算公式仍为 F=3n - 2Pl Ph（2）不预先排除虚约束，将因虚约束而减少的自由度）不预先排除虚约束，将因虚约束而减少的自由度P再加上。再加上。 即：即： F=3n - 2Pl

24、- Ph + Pvv 虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：1. 如果转动副连接的是两构件上运动如果转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合轨迹相重合的点，则该的点，则该连接引入连接引入1个虚约束个虚约束;F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0正确计算：正确计算：将因虚约束而减少的自由度将因虚约束而减少的自由度再加上。再加上。F=3n-2 Pl Ph + P =34 - 26-0+1=1两构件在几处接触而构两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行成移动副且导路互相平行或重合。或重合。两个构件组成在几处构成转动两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。副且各转动副的轴线是重

25、合的。只有一个运动副起约束作只有一个运动副起约束作用用, ,其它各处均为虚约束。其它各处均为虚约束。2. 两构件在几处接触而构成运动副两构件在几处接触而构成运动副4. 某些不影响某些不影响机构运动的对称机构运动的对称部分或重复部分部分或重复部分所带入的约束为所带入的约束为虚约束。虚约束。3. 若两构件若两构件上某两点之上某两点之间的距离始间的距离始终保持不变，终保持不变，也 将也 将 带 入带 入 1个虚约束。个虚约束。5. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供则只

26、能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各各2个约束。个约束。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束例例1 试审查图示简易冲床的设计方案简图是否合理？为什么？如试审查图示简易冲床的设计方案简图是否合理？为什么？如不合理，请绘出正确的机构简图。不合理，请绘出正确的机构简图。可将机构简图修改为F=3n 2Pl Ph=33 - 24-1=0F=3n 2Pl Ph=34 - 25-1=1例例2 计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。束，需明确指出。画箭头的构件为原动

27、件。解：分析解：分析 n = 8F=3n-2Pl-Ph =3 8-2 111 =1Pl = 11Ph = 1一、机构的组成原理一、机构的组成原理原动件原动件机架机架从动杆系从动杆系机构机构从动杆系必为F=0的开式运动链开式运动链分拆为一系列最简单的F=0的开链开链基本杆组基本杆组机构中不能再拆的自由度为零的构件组。机构中不能再拆的自由度为零的构件组。机构机构原动件原动件机架机架机构组成原理：机构组成原理：机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件： 自由度数自由度数=原动件数原动件数机架和原动件与从动件机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自组分开：从动构件组自由度为零。由度为零。可以再拆

28、成更简单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组。自由度为零的杆组。二、基本杆组的类型二、基本杆组的类型nPl68 912 较为复杂，不常用较为复杂，不常用II级杆组级杆组III级杆组级杆组lPn32对于对于全低副全低副的杆组：的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副320lFnP1. II级杆组级杆组n=2、Pl=3，一个一个内副内副，两个，两个外副外副基本型式：基本型式：内副为转动副（内副为转动副（a、b、d）内副为移动副（）内副为移动副（c、e）2. III级杆组级杆组n=4、Pl=6，三个三个内副内副，三个，三个外副外副基本型式：基本型式：全转动副（全转动副（a）多个转动副（）多个转动副

29、（b、c）注意：注意：同样有n=4、Pl=6，但有四个四个内副内副，两个，两个外副外副 III基本型式：基本型式：全转动副（全转动副（a）多个转动副（）多个转动副（b、c）基本型式：基本型式：全转动副（全转动副（a）多个转动副（）多个转动副（b、c）基本型式：基本型式：全转动副（全转动副（a）多个转动副（）多个转动副（b、c）三、平面机构的结构分类三、平面机构的结构分类根据机构中基本杆组的级别进行分类。级机构级机构只由机架和原动件组成的机构（杠杆机构、斜面机构）。 II级机构级机构机构中基本杆组的最高级别为II级。 III级机构级机构机构中基本杆组的最高级别为III级。 34原动件原动件F=1

30、12ABCII级杆组级杆组F=01234ABC例如，单缸发动机：II级机构级机构四、平面机构的结构分析四、平面机构的结构分析结构分析目的结构分析目的 了解机构的组成，确定机构的级别。了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。结构分析的过程结构分析的过程从离原动件最远的构件开始试拆从离原动件最远的构件开始试拆，先拆，先拆II级组，若不成，级组，若不成，再拆再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止直到只剩原动件为止。杆组拆分原则杆组拆分原则机构结构分析步骤机构结构分析步骤正确计算机构的自由度正确计算机构的自由度（除去机构中的虚约束和局部自由度）并确定原动件由机构拆分原由机构拆分原则进行拆杆组则进行拆杆组定出机构的级别定出机构的级别例例 如图所示颚式破碎机，确定该机构的级别。如图所示颚式破碎机，确定该机构的级别。 解解 1、计算机构的自由度、计算机构的自由度F = 3 5 2 7 = 12、拆杆组、拆杆组II级杆组级杆组3、确定机构的级别：、确定机构的级别：级机构级机构 注意：注意：同一机构，原动件不同拆出的杆组不同，