西北工大版机械原理第2章机构的结构分析

1、.第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析1 了解了解机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的2 机构的组成机构的组成3 掌握掌握机构运动简图机构运动简图4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件5 掌握掌握平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算6 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题 7 机构的组成原理及其结构分类机构的组成原理及其结构分类.21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的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目的是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

2、结构不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力建立运动分析和动力分析的一般方法分析的一般方法。3.绘制机构运动简图绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。目的是为运动分析和动力分析作准备。弄清机构包含哪几个部分弄清机构包含哪几个部分各部分如何相联？各部分如何相联？ 以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？ 这对于设计新的机构显得尤其重要。.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确目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定

3、性的要求。定性的要求。机构有简有繁，构件有多有少，而运动确定是它们的共同特征。.名词术语解释名词术语解释:1.构件构件(Link) 每一个每一个独立的运动单元独立的运动单元 内燃机内燃机中的连杆22 机构的组成机构的组成内燃机内燃机连杆连杆套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖零件零件(part) 独立的制造单元独立的制造单元.作者：潘存云教授2.运动副运动副a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动运动副元素运动副元素直接接触的部分（点、线、面）直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：凸轮凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套

4、等。等。定义：定义：运动副运动副两个构件直接接触组成的仍能产两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。生某些相对运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可作者：潘存云教授.I级副级副II级副级副运动副的分类：运动副的分类： 1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： III级副级副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。. 2)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)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。IV级副级副例如：

5、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。空间运动副空间运动副空间运动空间运动(Spatial kinematic pair )V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联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。. 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有： 高副高副(high pair) 点、线接触，应力高。点、线接触，应力高。低副低副(lower pair) 面接触，应力低。面接触，应力低。例如：例如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副 。.常见运动副

6、符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084详见教材详见教材 P7 页。页。. .常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084详见教材详见教材 P7页。页。.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动副副12121212121212121212121212两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122121平平面面运运动动副副.平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212.

7、构件的表示方法构件的表示方法:.一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件.三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 .运动链运动链两个以上的构件通过运动两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。副的联接而构成的系统。注意事项注意事项:作者：潘存云教授画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质性质。闭式链闭式链(Close chain) 3. 运动链运动链 (Kinematic chain) 作者：潘存云教授开式链开式链(Open chain).若干若干1个或

8、几个个或几个1个个4. 机构机构定义定义：具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构 。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、如机床床身、车辆底盘、飞机机身。飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机构机架原动件从动件机架原动件从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便

9、成为机构。 原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。.23 平面机构运动简图平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图按一定的比例尺（按一定的比例尺（l =实际尺寸实际尺寸 m / 图上长图上长度度mm）用以说明机构中各构件之间的相对运动情况的）用以说明机构中各构件之间的相对运动情况的简化图形。简化图形。作用：作用： 1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。机构示意图不按比例绘制的简图机构示意图不按比例绘制的简图现摘录了部分现摘录了部分GB446084机构运动简图如下表机构运动简图如下表。2.作为运动分析和

10、动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。机构各部分运动由什么决定？机构各部分运动由什么决定？原动件、运动副、运动尺原动件、运动副、运动尺寸寸.常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动.链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动.机构运动简图应满足的条件机构运动简图应满足的条件： 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运运动副之间的相对位

11、置以及构件尺寸与实际机构运动尺寸成比例。动尺寸成比例。棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动.绘制机构运动简图绘制机构运动简图方法：方法： 先两头，后中间，先两头，后中间， 从头至尾走一遍，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，数数构件是多少， 再看它们怎相联。再看它们怎相联。步骤：步骤：1.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；4.画出原动件的运动方向。画出原动件的运动方向。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运

12、动简图。 简图比例尺：简图比例尺： l = =实际尺寸实际尺寸 / / 图上长度（图上长度（m/mm)m/mm)思路：思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路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，确定构件数目及运动副末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。的类型，并用符号表示出来。5.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。.颚式破碎机颚式破碎机举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机机构运动简图。机构运动简图。.绘制绘制内燃机内燃机机构运动简图机构运动简图.绘制小型压力机机构运动简图绘制小型压力机机构运动简图.

13、24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数一个独立参数1 11 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数。 若仅给定若仅给定1 11 1（t t）, ,则则2 2 3 3 4 4 均不能唯一确定。若同均不能唯一确定。若同时给定时给定1 1和和4 4 ，则，则3 3 2 2 能能唯一确定，该机构需要两个独立唯一确定，该机构需要两个独立参数参数 。4 4S3123S31 112341 11、四杆机构、四杆机构2、滑块机构、滑块机构3、五杆机构、五杆机构.定义：定义：保证机构具有确定运动时所必

14、须给定的保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度独立运动参数称为机构的自由度。 ( (Freedom)Freedom)原动件原动件能独立运动的构件。能独立运动的构件。 .三、机构具有确定运动的条件三、机构具有确定运动的条件 由前述可知，从动件是不能独立运动的，只有原动件由前述可知，从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动。通常原动件是与机架用才能独立运动。通常原动件是与机架用低副低副相联的，所以相联的，所以每个原动件只能给定一个独立运动每个原动件只能给定一个独立运动（如（如电动电动机具有一个独机具有一个独立的转动，立的转动，内燃机活塞内燃机活塞具有一个独立的移动）

15、。具有一个独立的移动）。 机构具有确定相对运动的条件为： 机构的自由度数目应等于机构的原动件数。即 F=给定的原动件数给定的原动件数，且且 F0。讨论：1）如F原动件数2）如F42 4 n4 已无实例了已无实例了! ! PL 3 6 n=2 的杆组称为的杆组称为级组级组应用最广而又最简单应用最广而又最简单的基本杆组。共有的基本杆组。共有 5 5 种类型种类型二、结构分类二、结构分类得得 PL3n/2(低副机构中低副机构中Ph0 ). n=4 （PL6 6）的杆组有以下三种类型的杆组有以下三种类型: :以上三种形式称为以上三种形式称为级组级组。结构特点：其中一个构件。结构特点：其中一个构件有三个

16、运动副。有三个运动副。典型典型级组：级组：.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（最高为级机构（最高为级级杆组）杆组），级机构级机构（最高为（最高为级杆组）级杆组）等。只含原动件等。只含原动件和机架的叫和机架的叫I I级机构级机构。.必须强调指出：必须强调指出： 1.杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，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。如：否则将成为刚体。如： 2.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。.举例：举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。将图示八杆机构拆分成基本机构和基本

17、杆组。71324568.或或级机构级机构级机构级机构71324568.平面机构中的高副低代：平面机构中的高副低代： 将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。代替。进行高副低代的条件：进行高副低代的条件：1、代替前后机构的自由度完全相同。、代替前后机构的自由度完全相同。2、代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同、代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同.方法：方法：1、用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲、用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可。率中心处以转动副相联即可。K1K2K1K2.方法：方法

18、：1、用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲、用一个虚拟构件分别于两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可。率中心处以转动副相联即可。2、如高副元素之一为直线，因其曲率中心在无穷远，、如高副元素之一为直线，因其曲率中心在无穷远，低代时这一端转动副转化为移动副。低代时这一端转动副转化为移动副。.本章重点：本章重点： 机构运动简图的测绘方法。机构运动简图的测绘方法。 自由度的计算。自由度的计算。 机构的组成原理。机构的组成原理。. 一、填空：一、填空： 1组成机构的要素是组成机构的要素是 和和 ；构件是机构中的；构件是机构中的 单元体。单元体。 2机器是由机器是由_、_、_和和 所组

19、成的。所组成的。 3机器和机构的主要区别在于机器和机构的主要区别在于 。 4从机构结构观点来看，任何机构是由从机构结构观点来看，任何机构是由 三部分组成。三部分组成。 5运动副元素是指运动副元素是指 。 6构件的自由度是指构件的自由度是指 ; 机构的自由度指机构的自由度指 。 7两构件之间以线接触所组成的平面运动副，称为两构件之间以线接触所组成的平面运动副，称为副，它副，它产生产生个约束，而保留了个约束，而保留了个自由度。个自由度。 8机构具有确定的相对运动条件是原动件数机构具有确定的相对运动条件是原动件数机构的机构的自由度。自由度。 9平面运动副的最大约束数为平面运动副的最大约束数为 ，最小

20、约束数为最小约束数为。 10在平面机构中，具有两个约束的运动副是在平面机构中，具有两个约束的运动副是 副，具有一副，具有一个约束的是个约束的是 副。副。 . 1机器中独立运动的单元体，称为零件。机器中独立运动的单元体，称为零件。( ) 2具有局部自由度和虚约束的机构，在计算机构的自由度时，应具有局部自由度和虚约束的机构，在计算机构的自由度时，应当首先除去局部自由度和虚约束。当首先除去局部自由度和虚约束。( ) 3机构中虚约束，如制造、安装精度不够时，会成为真约束。机构中虚约束，如制造、安装精度不够时，会成为真约束。( ) 4任何具有确定运动的机构中，除机架、原动件及其相连的运动任何具有确定运动的机构中，除机架、原动件及其相连的运动副以外的从动件系统的自由度都等于零。副以外的从动件系统的自由度都等于零。( ) 5六个构件组成同一回转轴线转动副，则该处共有三个转动副。六个构件组成同一回转轴线转动副，则该处共有三个转动副。 6当机构的自由度当机构的自由度 0，且等于原动件数，则该机构即具有确定的，且等