机构运动简图学习教案

1、会计学1机构运动简图机构运动简图第一页，编辑于星期二：六点 六分。1-11-1 机械设计概述机械设计概述第一章章 机构设计基础机构设计基础一、研究对象一、研究对象：机械（机械（ mechanism ）。）。机械是机器与机构的总称。机械是机器与机构的总称。第1页/共61页第二页，编辑于星期二：六点 六分。普通车床普通车床加工机械，机器加工机械，机器第2页/共61页第三页，编辑于星期二：六点 六分。轿车轿车运输机械，机器运输机械，机器第3页/共61页第四页，编辑于星期二：六点 六分。内燃机内燃机(avi)第4页/共61页第五页，编辑于星期二：六点 六分。内燃机示意图内燃机示意图如图如图1-1所示，

2、所示，它包含：它包含：汽缸汽缸11活塞活塞10连杆连杆3曲柄曲柄4齿轮齿轮(gear)机构机构：凸轮轴凸轮轴7阀门推杆阀门推杆8阀门推杆阀门推杆9第5页/共61页第六页，编辑于星期二：六点 六分。机器的特征机器的特征：1 它们都是由零件人为装配组合而成它们都是由零件人为装配组合而成 的实物体；的实物体；3 能完成有用的机械功或转换机械能。能完成有用的机械功或转换机械能。 2 各构件之间具有确定的相对运动；各构件之间具有确定的相对运动； 第6页/共61页第七页，编辑于星期二：六点 六分。 现代机器通常由四个部分组成：现代机器通常由四个部分组成：原动机原动机、传传动机构动机构、执行机构执行机构和控

3、制系统和控制系统。 机器是一种人为实物组合的具有确定机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置，它用来完成有用功、转机械运动的装置，它用来完成有用功、转换能量或处理信息，以代替或减轻人类的换能量或处理信息，以代替或减轻人类的劳动。劳动。第7页/共61页第八页，编辑于星期二：六点 六分。是完成有用的机械功或者是搬运物品。是完成有用的机械功或者是搬运物品。例金属切削机床、轧钢机、织布机、包例金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、飞机、起重机输送机等。装机、汽车、飞机、起重机输送机等。是用来获得和变换信息。例如，复印机、是用来获得和变换信息。例如，复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。

4、打印机、绘图机、传真机、照相机等。是能量变换的装置，即可将某种形式是能量变换的装置，即可将某种形式的能量变换成机械能，或者把机械能的能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。例如，内燃变换成其他形式的能量。例如，内燃机、涡轮机、电动机、发电机等。机、涡轮机、电动机、发电机等。第8页/共61页第九页，编辑于星期二：六点 六分。机器与其它装置的主要区别是：机器与其它装置的主要区别是：零件零件 (part) ：制造单元体。制造单元体。 机器（机器（machine）：一定要作机械运动，并一定要作机械运动，并通过运动来实通过运动来实 现能量、物料和信息的变换。现能量、物料和信息的变换。 机构机

5、构(mechanism)：是用来传递运动和力或是用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置改变运动形式的机械装置构件构件(link )：机器中每一个独立的运动单元体；机器中每一个独立的运动单元体；机器机器零件零件构件构件机构机构第9页/共61页第十页，编辑于星期二：六点 六分。连杆机构连杆机构常用的机构常用的机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构间歇运动机构间歇运动机构带传动和链传动机构带传动和链传动机构螺旋机构螺旋机构组合机构组合机构第10页/共61页第十一页，编辑于星期二：六点 六分。连杆机构连杆机构常用的机构常用的机构齿轮机构齿轮机构第11页/共61页第十二页，编辑于星期二：六点 六分。凸轮

6、机构凸轮机构常用的机构常用的机构第12页/共61页第十三页，编辑于星期二：六点 六分。凸轮机构凸轮机构槽轮机构槽轮机构常用的机构常用的机构第13页/共61页第十四页，编辑于星期二：六点 六分。常用的机构常用的机构螺旋机构螺旋机构组合机构组合机构第14页/共61页第十五页，编辑于星期二：六点 六分。1机构结构分析的基本知识机构结构分析的基本知识二、本课程研究的内容二、本课程研究的内容2机构的运动分析机构的运动分析 3机器动力学机器动力学 4常用机构的分析与设计常用机构的分析与设计 5机构的选型及机械传动系统的设计机构的选型及机械传动系统的设计第15页/共61页第十六页，编辑于星期二：六点 六分。

7、 本课程所学的内容乃是研究现本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。所以它成为机械机械的知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基类各专业必修的一门重要的技术基础课程。并为专业课程打下基础。础课程。并为专业课程打下基础。 三、三、 学习本课程的目的学习本课程的目的第16页/共61页第十七页，编辑于星期二：六点 六分。 在学习本课程的过程中，在学习本课程的过程中，要着重注意搞清楚基本概念，要着重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。和综合的基本方法。 第17页/共61页第

8、十八页，编辑于星期二：六点 六分。一、机构的组成要素一、机构的组成要素 1. 构件构件(Component，Link) 定义：定义：机器中每个独立的运动单元体。机器中每个独立的运动单元体。 特点：特点：一个构件，可以是一个零件，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。一个构件，可以是一个零件，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。 从运动角度看：从运动角度看：任何机器都是由若干个构件组合而成。任何机器都是由若干个构件组合而成。2 22 2 平面机构的组成原理及其平面机构的组成原理及其 具有确定运动的条件具有确定运动的条件第18页/共61页第十九页，编辑于星期二：六点 六分。例连杆、曲轴例

9、连杆、曲轴第19页/共61页第二十页，编辑于星期二：六点 六分。内内燃燃机机中中连连杆杆第20页/共61页第二十一页，编辑于星期二：六点 六分。曲曲 轴轴第21页/共61页第二十二页，编辑于星期二：六点 六分。2运动副运动副(kinetic pair) 两个构件组成的可动的联接称为运动副。两个构件组成的可动的联接称为运动副。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为面称为运动副元素。运动副元素。特点：特点： () 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

10、动副的两个构件之间有相对运动。第22页/共61页第二十三页，编辑于星期二：六点 六分。运动副元素：圆柱面、圆孔面运动副元素：圆柱面、圆孔面第23页/共61页第二十四页，编辑于星期二：六点 六分。运动副元素：棱柱面、棱孔面运动副元素：棱柱面、棱孔面第24页/共61页第二十五页，编辑于星期二：六点 六分。运动副元素：两齿廓曲面运动副元素：两齿廓曲面第25页/共61页第二十六页，编辑于星期二：六点 六分。（1）按引入约束的数目分。）按引入约束的数目分。 I级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副。级副。运动副分类运动副分类：球面副（球面副（ 级副）级副）球销副（球销副（副副） 转动副（副

11、转动副（副） 21第26页/共61页第二十七页，编辑于星期二：六点 六分。（2）按两构件的接触情况进行分。）按两构件的接触情况进行分。 高副：点或线接触而构成的运动副；高副：点或线接触而构成的运动副； 低副：面接触而构成的运动副。低副：面接触而构成的运动副。运动副分类：运动副分类：球面高副球面高副齿轮副齿轮副转动副转动副第27页/共61页第二十八页，编辑于星期二：六点 六分。（3）按两构件之间的相对运动的不同分。）按两构件之间的相对运动的不同分。转动副或回转副、移动副、螺旋副、球面副、转动副或回转副、移动副、螺旋副、球面副、平面运动副、空间运动副。平面运动副、空间运动副。运动副分类：运动副分类

12、：球销副球销副螺旋副螺旋副移动副移动副转动副转动副第28页/共61页第二十九页，编辑于星期二：六点 六分。3、运动链、运动链 把两个以上的构件通过运动副的联接而构成把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统称为运动链的相对可动的系统称为运动链。开式运动链开式运动链闭式运动链闭式运动链单闭环运动链单闭环运动链多闭环运动链多闭环运动链平面运动链平面运动链空间运动链空间运动链闭式运动链闭式运动链简单运动链简单运动链开式运动链开式运动链复杂运动链复杂运动链空间运动链空间运动链第29页/共61页第三十页，编辑于星期二：六点 六分。4、机构、机构1234ABCD第30页/共61页第三十一页，编

13、辑于星期二：六点 六分。二、二、 机构运动简图机构运动简图 用简单的线条和规定的符号用简单的线条和规定的符号表示组成机构的构件和运动副，表示组成机构的构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的并按一定的比例尺表示运动副的相对位置的简单图形称为机构运相对位置的简单图形称为机构运动简图动简图(Kinematical Diagrams) 。第31页/共61页第三十二页，编辑于星期二：六点 六分。二、二、 机构运动简图机构运动简图 （1）分析机构的运动情况，定出其原动部）分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。分、工作部分，搞清楚传动部分。（3）选择适当的比例尺。）选择适当的比例

14、尺。步骤：步骤： （2）合理选择投影面及原动件适当的投影瞬）合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。时位置。 （4）用简单的线条和规定的符号绘图。）用简单的线条和规定的符号绘图。（5）检验。）检验。第32页/共61页第三十三页，编辑于星期二：六点 六分。二、二、 机构运动简图机构运动简图例题：插齿机第33页/共61页第三十四页，编辑于星期二：六点 六分。二、二、 机构运动简图机构运动简图例题：破碎机机构第34页/共61页第三十五页，编辑于星期二：六点 六分。1-3 1-3 机构自由度的计算机构自由度的计算作空间运动的自由构件有作空间运动的自由构件有6个独立运动（自由度），个独立运动（自由度）

15、，作平面运动的自由构件有作平面运动的自由构件有3个独立运动（自由度）个独立运动（自由度） 。若平面机构中有若平面机构中有n个活动构件，各构件之间共构成了个活动构件，各构件之间共构成了Pl个低副和个低副和Ph个高副，则它们共引入个高副，则它们共引入(2Pl+Ph)个约束。个约束。机构的自由度机构的自由度F为为：F=3n(2Pl+Ph)=3n2PlPh一一 平面机构自由度的一般公式平面机构自由度的一般公式第35页/共61页第三十六页，编辑于星期二：六点 六分。二二 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件n=2,P5=3,F=0231Bn=3,P5=5,F= 12C4ADE13结论：结论：机构

16、具有确定机构具有确定运动的条件是：运动的条件是：机构自由度数机构自由度数F F 1 1且且等于主动件数。等于主动件数。C2B54ADE13n=4,P5=5,F=2n=3,P5=4,F=1 14123ABCD第36页/共61页第三十七页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项1. 1. 复合铰链复合铰链 由两个以上构件在由两个以上构件在同一处构成的重合转动同一处构成的重合转动副称为复合铰链。副称为复合铰链。 由由m个个构件在一处组构件在一处组成轴线重合的转动副。实成轴线重合的转动副。实际上有际上有(m-1)个转动副。个转动副。312321F

17、= 3*7 - 2*10 = 1如图所示如图所示F、B、D、C处是复合铰链处是复合铰链第37页/共61页第三十八页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项2. 2. 局部自由度局部自由度局部自由度局部自由度机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度。机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。21ACB4321ACB3F = 3*3 - 2*3 1 = 2？F = 3*2 - 2*2 1 = 1第3

18、8页/共61页第三十九页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项3. 3. 虚约束虚约束虚约束虚约束机构中那些对构件间的相对运动不起独机构中那些对构件间的相对运动不起独 立限制作用的重复约束。或称消极约束。立限制作用的重复约束。或称消极约束。常见的虚约束：常见的虚约束：（1）机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合。）机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合。CAD=BD=DC2AB14D3F = 3*4 - 2*6 = 0？F = 3*3 - 2*4= 1第39页/共61页第四十页，编辑于星期二：六点 六分。（2）当两构件组成多个移动副，且其导路

19、互相平行或重合）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。时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项常见的虚约束：常见的虚约束：F=3 2 -2 2 1=1F=3 3-2 4 =1第40页/共61页第四十一页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项常见的虚约束：常见的虚约束：（3）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则 只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。只

20、有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。第41页/共61页第四十二页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项常见的虚约束：常见的虚约束：（4）机构运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始）机构运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始 终不变，则将两点以构件联接，则将会引入一个虚约束。终不变，则将两点以构件联接，则将会引入一个虚约束。 AE=DF。4CAB1325DEFBC=EF，AB=CD，BE=CF，F=3n-2p-p=3*4-2*6=0 ?F=3n-2p-p=3*3-2*4=1 第42页/共61页第四十三页，编辑于星期二：六点 六

21、分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项常见的虚约束：常见的虚约束：(5) 机构中对运动起重复限制作用的对称部分引入机构中对运动起重复限制作用的对称部分引入 虚约束。虚约束。21322OF=3 3 - 2 3 2 = 1第43页/共61页第四十四页，编辑于星期二：六点 六分。三、三、 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项常见的虚约束：常见的虚约束：第44页/共61页第四十五页，编辑于星期二：六点 六分。 虚约束对机构工作性能的影响虚约束对机构工作性能的影响 有虚约束的机构，其相关尺寸的制造精度要求高，有虚约束的机构，其相关尺寸的制造精度要求高，

22、增大增大 了制造成本。了制造成本。 机构中的虚约束数越多，要求精度高的尺寸参数就机构中的虚约束数越多，要求精度高的尺寸参数就越多，越多， 制造难度也就越大。制造难度也就越大。u 虚约束的多少也是机构性能的一个重要指标。虚约束的多少也是机构性能的一个重要指标。 改善构件的受力情况；改善构件的受力情况； 保证机械顺利通过某些特殊位置保证机械顺利通过某些特殊位置 等。等。第45页/共61页第四十六页，编辑于星期二：六点 六分。机构中为什么要使用虚约束机构中为什么要使用虚约束? a. 使受力状态更合理使受力状态更合理 b. 使机构平衡使机构平衡 c. 考虑机构在特殊位置的运动考虑机构在特殊位置的运动使

23、用虚约束时要注意什么问题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设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。第46页/共61页第四十七页，编辑于星期二：六点 六分。例例1 如图所示如图所示, 已知已知HG=IJ,且相互平行；且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机，且相互平行。计算此机构的自由度构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。 C C2 21 1A AB B6 67 78 89 91 10 01 11 1G GH HI I

24、J JK KL LE ED DF F3 34 45 5局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束第47页/共61页第四十八页，编辑于星期二：六点 六分。例例 2 如图所示，已知：如图所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EG，且相互平行，且相互平行；DH=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 (若存在局部自由度、复合铰若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。链、虚约束请标出）。局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束第48页/共61页第四十九页，编辑于星期二：六点 六分。例例 3 计算图所示机构的自由度计算图所示机构的

25、自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。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 6局部自局部自由度由度虚约束虚约束118263231;8;6HHLPPnFPPnL第49页/共61页第五十页，编辑于星期二：六点 六分。1 15 5 机构中的摩擦、效率和自锁机构中的摩擦、效率和自锁一一 运动副中的摩擦运动副中的摩擦1 .移动副移动副(1) 摩擦力摩擦力式中式中 f 为摩擦系数，而为摩擦系数，而 fv 称为当量摩擦系数。称为当量摩擦系数。 GfFfFvNf21第50页/共61页第五十一页，编辑

26、于星期二：六点 六分。平面接触时，其平面接触时，其当量摩擦系数为：当量摩擦系数为： fv f ；槽面接触时，其槽面接触时，其当量摩擦系数为：当量摩擦系数为： fv f G/sin；半圆柱面接触时半圆柱面接触时, 其其当量摩擦系数为：当量摩擦系数为： fvk f 。(1) 摩擦力摩擦力 由此可见，由此可见，在计算运动副中的摩擦力时，在计算运动副中的摩擦力时，不论不论移动副的两运动副元素的几何形状如何，均可将两移动副的两运动副元素的几何形状如何，均可将两构件不同几何形状的接触当量成沿单一平面的接触构件不同几何形状的接触当量成沿单一平面的接触的移动副，的移动副，只需引入相应的当量摩擦系数，均可按只需

27、引入相应的当量摩擦系数，均可按上上式式公式计算。公式计算。第51页/共61页第五十二页，编辑于星期二：六点 六分。（2 2）总反力）总反力 我们把运动副中的法向反力和摩擦力的合力，称为运动副中的总反力我们把运动副中的法向反力和摩擦力的合力，称为运动副中的总反力(如图如图)，以，以FR21表示表示。总反力与法向反力之间的夹角总反力与法向反力之间的夹角为摩擦角为摩擦角 = arctanf 总反力方向的确定：总反力方向的确定： 总反力总反力FR21的方向总是逆着相对运动的方向总是逆着相对运动V12， 且与相对运动方向成且与相对运动方向成钝角钝角（90+ ）。）。一一 运动副中的摩擦运动副中的摩擦1

28、.移动副移动副第52页/共61页第五十三页，编辑于星期二：六点 六分。2 .2 .转动副转动副 径向力径向力P和总反力和总反力R21 形成阻力形成阻力偶矩，且偶矩，且Mf =Md 。 而而摩擦力矩摩擦力矩:由平衡条件得：由平衡条件得：P=R21 故：故：S= fv r 以轴颈中心以轴颈中心O为圆心，以为圆心，以S为半径所为半径所作的圆称其为作的圆称其为摩擦圆摩擦圆，S为摩擦圆半径为摩擦圆半径。因此，只要轴颈相对于轴承滑动，。因此，只要轴颈相对于轴承滑动，轴承对轴颈的总反力轴承对轴颈的总反力R21将始终切于摩将始终切于摩擦圆。擦圆。（1）总反力）总反力Mf = R21 S=P S ； Mf =

29、F21r = fv R21 r = fv P r；PR21F21N21s摩擦圆摩擦圆Md21r轴颈轴颈O第53页/共61页第五十四页，编辑于星期二：六点 六分。l 根据力的平衡条件得，根据力的平衡条件得， P=R21；l 总反力应与摩擦圆相切；总反力应与摩擦圆相切；l 总反力总反力RR21对轴颈中心之矩的方向必对轴颈中心之矩的方向必 与轴颈与轴颈1相对于轴承相对于轴承2的相对角速度的相对角速度12 的方向相反。的方向相反。总反力方位确定：总反力方位确定：2 .2 .转动副转动副第54页/共61页第五十五页，编辑于星期二：六点 六分。二、自锁二、自锁 如图所示：当如图所示：当 时，若时，若滑块滑块A原来静止，则无论外力原来静止，则无论外力P增止多大，均不能使滑块增止多大，均不能使滑块A运动，