第二章机构的结构分析和综合

1、第二章第二章 机构的结构分析和综合机构的结构分析和综合2-1 机构分析和综合的基本内容机构分析和综合的基本内容2-2 机构的组成及其运动简图的绘制机构的组成及其运动简图的绘制2-3 机构自由度的计算机构自由度的计算2-4 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* *2-5 平面机构的结构综合平面机构的结构综合2-1 2-1 结构分析和综合的基本内容结构分析和综合的基本内容机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面：机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面：一、对已有机械进行分析一、对已有机械进行分析二、设计新的机械二、设计新的机械机构的选型机构的选型机构的动力设计机构的动力

2、设计机械系统总体运动方案设计机械系统总体运动方案设计设计机构设计机构机构的运动设计机构的运动设计机械的结构分析机械的结构分析机械的运动分析机械的运动分析机械的动力分析机械的动力分析本章的任务：研究机构的结构分析与类型综合本章的任务：研究机构的结构分析与类型综合1.1.研究机构的组成要素及机构运动简图的绘制研究机构的组成要素及机构运动简图的绘制3.3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理4.4.研究平面机构的类型综合方法研究平面机构的类型综合方法2.2.研究机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件研究机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件2-2 2-2 机构的组成及其运动简图的绘制机构的组成及

3、其运动简图的绘制一、机构的组成要素一、机构的组成要素1.1.构件构件作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件构件一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。干个不同零件组装起来的刚性体。例如：例如：2.2.运动副运动副 由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为 运动副。运动副。对运动副的理解要把握以下三点：对运动副的理解要把握以下三点：（）运动副是一种联接；（）运动副是一种联接；（）运动副由两个构件组成；（）运动副由两

4、个构件组成；（）组成运动副的两个构件之间有相对运动（）组成运动副的两个构件之间有相对运动运动副是机械原理中最重要的概念之一运动副是机械原理中最重要的概念之一 两构件上参与接触构成运动副的部分称为两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。运动副元素。例2-1轴与轴承、滑块与导轨、两轮齿啮合。以上是机构的两大组成要素以上是机构的两大组成要素可以说：可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。二、运动副的分类二、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，

5、在机构设计和副有多种类型，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。综合中是非常重要的。1.1.根据运动副所引入的约束数分类根据运动副所引入的约束数分类表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V12.2.根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类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球面高副柱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。运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。运动副元素以面接触的运动副称为低副。运动副

6、元素以面接触的运动副称为低副。球面低副球面低副移动副移动副转动副转动副3.3.根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类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空间运动副球销副球销副螺旋副螺旋副圆柱套筒副圆柱套筒副平面运动副平面运动副移动副移动副转动副转动副(铰链或回转副铰链或回转副)三、运动链与机构三、运动链与机构运动链：运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统开式运动链（开链开式运动链（开链）运动链的各构件未构成首末封闭系统运动链的各构件未构成首末封闭系统闭式运动链（闭链闭式运动链（闭链）运动链的各构件构成首末封闭的系

7、统运动链的各构件构成首末封闭的系统机机 构：构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。机构是具有确定运动的运动链机构是具有确定运动的运动链。平面铰链四杆机构平面铰链四杆机构机架机架原动件原动件从动件从动件在运动链中，将在运动链中，将某一个构件某一个构件加以固定，而让加以固定，而让另一个或几个构件另一个或几个构件按按给定运

8、动规律相对固定构件运动时，如果运动链中给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件其余各构件都都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。有确定的相对运动，则此运动链成为机构。机构常分为机构常分为平面机构平面机构和和空间机构空间机构两类两类四、机构运动简图的绘制四、机构运动简图的绘制 为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形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，而只用和具体构造，而只用简单的线条简单的线条和和符号符号代表构件和运动副，并代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情

9、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机构运动简图简图。机构运动简图，具有和原机构相同的运动特性，故可根机构运动简图，具有和原机构相同的运动特性，故可根据该图对机构进行运动和动力分析。据该图对机构进行运动和动力分析。 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机构示意图。1.机构运动简图 （例：内燃机机构运动简图）常用运动副符号常用运动副符号一般构件的表示符号一般构件

10、的表示符号常用运动副的符号常用运动副的符号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平平面面运运动动副副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转转动动副副1 12 21 12 21 12 22 21 12 21 12 21 11 12 21 12 2移移动动副副1 12 21 12 21 12 22 21 12 21 11 12 22 21 11 12 2运动副运动副名称名称平平面面高高副副2 21 12 21 1平平面面运运动动副副2 21 1螺螺旋旋副副1 12 21 12 21 12 21 12 2球球面面副副球球销销副副1 12 21 12 2空空间

11、间运运动动副副1 12 22 21 11 12 22 21 1构件的表示方法构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件 固定构件固定构件 同一构件同一构件 构件的表示方法构件的表示方法两副构件两副构件 三副构件三副构件 1.1.首先确定机构的原动件和执行件，依次首先确定机构的原动件和执行件，依次分清构分清构件件，然后确定构件间，然后确定构件间运动副的数目和类型运动副的数目和类型。 2.2.恰当地选择投影面恰当地选择投影面。一般选择与多数构件的运。一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，绘制机构运动简图动平面相平行的面为投影面，绘制机构运动简图要以正确、简单、清晰为原则。要以正确、简单、清晰为

12、原则。 3.3.选择适当的比例尺选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。简图。 2、绘制机构运动简图的步骤绘制机构运动简图的步骤举例：举例：机构运动简图的绘制的注意事项（总结）机构运动简图的绘制的注意事项（总结）内燃机机构运动简图绘制内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制(1)(1

13、)分析机构运动，弄清构件数；分析机构运动，弄清构件数；(4)(4)标注标注机架；机架；构件编号构件编号1 1、2 2、3 3；运动副字母；运动副字母A A、 B B、C C；原动件箭头。；原动件箭头。(3)(3)表达运动副和构件；表达运动副和构件；(2)(2)判定运动副的类型和数目判定运动副的类型和数目按接触情况和相对运动按接触情况和相对运动三选三选选视图、选比例、选位置选视图、选比例、选位置例例-2 绘制牛头刨床机构的运动简图绘制牛头刨床机构的运动简图偏心泵偏心泵1234ABCD试绘制图示油泵的机构运动简图。试绘制图示油泵的机构运动简图。 例例-3-3绘制如图所示的五杆机构运动简图绘制如图所

14、示的五杆机构运动简图3. 3. 平面机构运动简图绘制时注意问题平面机构运动简图绘制时注意问题(1)(1)忽略构件外形，关注运动副关系；忽略构件外形，关注运动副关系；(2)(2)视图平面一般选择为构件的运动平面；视图平面一般选择为构件的运动平面；(3)(3)同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。2-3 机构自由度的计算机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式(1)(1)自由度与约束自由度与约束构件独立运动的数目称为构件独立运动的数目称为自由度自由度xyzxyz对构件运动的限制作用称为对构件运动的限制作用称为约束约束几种

15、运动副几种运动副回转副和移动副约回转副和移动副约束了两个自由度束了两个自由度高副约束了高副约束了一个自由度一个自由度(2)(2)机构机构自由度自由度机构独立运动的数目称为机构的机构独立运动的数目称为机构的自由度自由度什么是独立运动什么是独立运动? ?球销副球销副螺旋副螺旋副圆柱套筒副圆柱套筒副什么是什么是机构的机构的独立运动独立运动? ?什么是什么是机构的自由度机构的自由度? ?机构的自由度机构的自由度= =机构的独立运动数目机构的独立运动数目 平面机构独立运动的数目为平面机构独立运动的数目为: :所有活动构件的自由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。度的和减去所有运动副引

16、入约束数目的和。这是机构自由度的计算公式这是机构自由度的计算公式HLHLPPnPPnF23)2(3 对于具有对于具有 个活动构件的平面机构，若各构件之间共构个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了成了 个低副和个低副和 个高副，则它们共引入个高副，则它们共引入 个个约束。机构的自由度约束。机构的自由度F F显然应为显然应为: :nLPHP)2(HLPP 平面机构自由度计算（平面机构自由度计算（1 1） 由机构运动简图知，该由机构运动简图知，该机构共有机构共有5 5个活动构件，个活动构件，各构件间构成了各构件间构成了7 7个回转个回转副，没有高副，即：副，没有高副，即：LHP =7P =0n=

17、5，LHF=3n-2P -P =3 5-2 7=1故该机构的自由度为：故该机构的自由度为：13478 9101118ABCD, 由机构运动简图知，该机由机构运动简图知，该机构共有构共有6 6个活动构件，各构个活动构件，各构件间构成了件间构成了4 4个回转副，个回转副，3 3个移动副，个移动副，3 3个高副，即：个高副，即：LHP =7P =3n=6，LHF=3n-2P -P =3 6-2 7-3=1故该机构的自由度为：故该机构的自由度为： 平面机构自由度计算（平面机构自由度计算（2 2）例例3 3：牛头刨床机构的自由度：牛头刨床机构的自由度PL = 8 ; PH = 1n = 6F = 3n

18、2PL PH = 36 28 1 = 1二、机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件二、机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件 所谓所谓机构的自由度机构的自由度，实质上就是机构具有确定，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。自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 由机构运动简图知，由机构运动简图知，该机构共有四个活动该机构共有四个活动构件和五个回转副，构件和五个回转副，没有高副，故该机构没有高副，故该机构的自由度为：的自由度为：LHF

19、=3n-2P -3P =3 4-2 5-0 =22134A AB BC CD D 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件LHF=3n-2P -P =3 4-2 6 =0由机构运动简图知，该机由机构运动简图知，该机构共有构共有4 4个活动构件和个活动构件和6 6个个回转副，没有高副，故该回转副，没有高副，故该机构的自由度为：机构的自由度为： 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 （1 1）机构的自由度）机构的自由度F 0F 0。 （2 2）机构的原动件数等于机构的自由度）机构的原动件数等于机构的自由度F F。 机构的自由度和原动件的数目与机构的自由度和原动件的数目与 机构运动的关系

20、机构运动的关系1 1）若机构自由度）若机构自由度，则机构不能动；，则机构不能动；4 4）若）若 ，而原动件数，而原动件数 F F，则构件间不能，则构件间不能运动运动或产生破坏或产生破坏。2 2）若）若 且与原动件数相等，则机构各构且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是件间的相对运动是确定确定的。因此，机构具有的。因此，机构具有确定运动的条件是确定运动的条件是：机构的原动件数等于机：机构的原动件数等于机构的自由度数构的自由度数；3 3）若）若00，而原动件数，而原动件数 0, 原动件数目等于自由度数目原动件数目等于自由度数目 平面运动链自由度计算方法和注意事项平面运动链自由度计算方法和注意

21、事项四、机构的结构分析四、机构的结构分析机构自由度计算举例机构自由度计算举例例例 1 1 图示牛头刨床设计图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：方案草图。设计思路为：动力由曲柄动力由曲柄1 1输入，通过输入，通过滑块滑块2 2使摆动导杆使摆动导杆 3 3 作往作往复摆动，并带动滑枕复摆动，并带动滑枕4 4作作往复移动往复移动 ，已达到刨削，已达到刨削加工目的。加工目的。 试问图示的试问图示的构件组合是否能达到此目构件组合是否能达到此目的？的？ 如果不能，该如何如果不能，该如何修改？修改？1 12 23 34解：首先计算设计方案草图的自由度解：首先计算设计方案草图的自由度0624323HPPnF

22、L改进措施：改进措施：1 1、增加一个低副和一个活动构件；、增加一个低副和一个活动构件；2 2、用一个高副代替低副。、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。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。必须修改，以达到设计目的。改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案例例 2 2 如图所示，已知：如图所示，已知： DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；且相互平行；DH=EIDH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度，且相互平行。计算此机构的自由度 ( (若若存

23、在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。ADECHGFIBK1234567891111283231;11;8HHLPPnFPPnLADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束例例 3 3 计算图所示机构的自由度计算图所示机构的自由度 ( (若存在局部自由度、若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。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 67 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度虚约束虚约束118263231;8;6HHLPPnFPPnL例例 4 4 计算图所示机构的自由度计算图所示机构的自由度 ( (若存在局部自由度、若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。复合铰链、虚约束请标出）。C C处处为复合铰链；为复合铰链；滚子为滚子为局部自局部自由度；由度；滚子与偏心凸轮有两个高滚子与偏心凸轮有两个高副，各只计入一处副，各只计入一处；垂直移动导；垂直移动导杆只计入一处移动副杆只计入一处移动副9;12;2323 92 1221L