第3章平面机构的结构

1、 平面机构的结构分析平面机构的结构分析第第 3 章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 3.1 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 3.2 平面机构的自由度平面机构的自由度 u所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。构。工程中常见的机构大多数属于平面机构，因此，本工程中常见的机构大多数属于平面机构，因此，本章只讨论平面机构。章只讨论平面机构。学习目的学习目的: : 掌握如何用机构运动简图表示机器（或机构掌握如何用机构运动简图表示机器（或机构) )中各构件的相对运中各构件的相对运动关系；会计算机构的自由度动关系；会计算机构的自由度

2、。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.1 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 3.1.1 3.1.1 运动副及其分类运动副及其分类 运动副：运动副：使两构件直接接触而保留一定相对运动的连接称使两构件直接接触而保留一定相对运动的连接称 为运动副为运动副。运动副分类运动副分类: :低副低副面接触面接触（转动副、移动副）（转动副、移动副）高副高副点、线接触（凸轮副、齿轮副点、线接触（凸轮副、齿轮副) )平面运动副平面运动副 平面机构的结构分析平面机构的结构分析只允许两构件作相对转动，又称作只允许两构件作相对转动，又称作铰链铰链。 移动副：移动副：只允许两构件作相对移动。只允许两构件作相对移动

3、。 高副高副两构件以点或线接触而构成的运动副。两构件以点或线接触而构成的运动副。 “机构中两构件互作一定相对运动的连接称为运动副机构中两构件互作一定相对运动的连接称为运动副”这种说法对不对？为什么？这种说法对不对？为什么？ 【思考题思考题3.13.1】 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.1.2 3.1.2 构件构件 u机架机架( (固定构件固定构件) )：u主动件主动件( (原动件原动件) )：u从动件：从动件：是用来支承活动构件的构件。是用来支承活动构件的构件。 又称为输入构件，是运动规律已知的活又称为输入构件，是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的。动构件。它的运动是由外界

4、输入的。是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。相对于机架有确定的相对运动。件。相对于机架有确定的相对运动。动画动画动画动画 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.1.3 3.1.3 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 常用一些简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，常用一些简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这种说明机构各构件间相对运并按比例定出各运动副的位置。这种说明机构各构件间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图。动关系的简单图形，称为机构运动简图。 u 机构运动简图机构运动简图 构件均用直线或小

5、方块等来表示，画有斜线的表示机架。构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。 构件和运动副的表示方法构件和运动副的表示方法（国标（国标GB4460GB44608484）1.1.构件构件 2.2.转动副转动副 一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线。其内画上斜线。表示转动副的圆圈，圆心须与回转轴线重合。表示转动副的圆圈，圆心须与回转轴线重合。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习

6、惯划出其全部轮廓；对于处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。齿轮，常用点划线划出其节圆。两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。 3. 3.移动副移动副 4.4.高副高副 平面机构的结构分析平面机构的结构分析一般构件的表示方法一般构件的表示方法 固定构件固定构件 同一构件同一构件 两副构件两副构件 三副构件三副构件 平面机构的结构分析平面机构的结构分析运动副符号运动副符号转转动动副副移移动动副副12121212121212121 212 2121低低副副2121高高副副 平面机构的结构分析平面机

7、构的结构分析 绘机构运动简图的步骤绘机构运动简图的步骤 (1)(1)分析机器的功能和组成，判定所用机构的类型，认清机分析机器的功能和组成，判定所用机构的类型，认清机架、主动件和从动件，按运动传递顺序，确定构件的数目（架、主动件和从动件，按运动传递顺序，确定构件的数目（如如l l、2 2、3 3）及运动副的类型和数目（如）及运动副的类型和数目（如A A、B B、C C）；）；(2)(2)选择视图平面，并确定机器的一个瞬时的工作位置；选择视图平面，并确定机器的一个瞬时的工作位置；(3)(3)选择合适的比例尺，测量出各运动副之间的相对位置和选择合适的比例尺，测量出各运动副之间的相对位置和尺寸，按选定

8、的比例尺和规定的符号绘制机构运动简图。尺寸，按选定的比例尺和规定的符号绘制机构运动简图。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析例例3.1 3.1 绘制单缸内燃机的机构运动简图绘制单缸内燃机的机构运动简图 1 1）分析运动，确定构件的）分析运动，确定构件的类型和数量类型和数量 2 2）确定运动副的类型和数目）确定运动副的类型和数目 3 3）选择视图平面）选择视图平面 4 4）选取比例尺，根据机构运）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对动尺寸，定出各运动副间的相对位置位置 5 5）画出各运动副和机构符）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件号，并表示出各构件 解：解： 平面机构的结构

9、分析平面机构的结构分析例例3.2 3.2 绘制颚式破碎机的机构运动简图绘制颚式破碎机的机构运动简图ABCD 颚式破碎机的机构运动简图中杆颚式破碎机的机构运动简图中杆ABAB为什么实际应用中要用偏为什么实际应用中要用偏心轴心轴2 2替代？替代？【思考题思考题3.23.2】 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.2 3.2 平面机构的自由度平面机构的自由度 3.2.1 3.2.1 构件的自由度和约束构件的自由度和约束 构件所具有的独立运动构件所具有的独立运动的数目。的数目。 一个作平面运动的自由构件一个作平面运动的自由构件有三个自由度有三个自由度（x x，y, y, ）。自由度：自由度： 对构件

10、的独立运动所加的对构件的独立运动所加的限制称为约束。限制称为约束。约束：约束：运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。 yx(x , y)动画动画 平面机构的结构分析平面机构的结构分析沿轴向和垂直于轴向的移动均受到沿轴向和垂直于轴向的移动均受到约束，它只能绕其轴线作转动。所约束，它只能绕其轴线作转动。所以，平面运动的一个转动副引入两以，平面运动的一个转动副引入两个约束，保留一个自由度。个约束，保留一个自由度。转动副：转动副： 限制了构件一个移动和绕平面的限制了构件一个移动和绕平面的轴转动，保留了沿移动副方向的轴转动，保留了沿移动副方向

11、的相对移动，所以平面运动的一个相对移动，所以平面运动的一个移动副也引入两个约束，保留一移动副也引入两个约束，保留一个自由度。个自由度。移动副：移动副： 动画动画动画动画 平面机构的结构分析平面机构的结构分析一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。高副：高副： 动画动画动画动画 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.2.2 3.2.2 平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式 指机构所具有的独立运动的个数。指机构所具有的独立运动的个数。 机构的自由度机构的自由度: : F = 3n - 2PL - PHn n ：机构中活动构件数，：机构中活动构件

12、数，n=N-1; n=N-1; P PH H ：机构中高副数；机构中高副数；P PL L ：机构中低副数；：机构中低副数；F F ：机构的自由度数；：机构的自由度数； 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.2.3 3.2.3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 F F = =3 34-24-25=5=2 2 1 1 个原动件个原动件F F 0 0，但原动件数目，但原动件数目小于自由度数目，运小于自由度数目，运动链运动不确定，不动链运动不确定，不能成为机构。能成为机构。 F F = =3 33-23-24=4=1 1 2 2 个原动件个原动件F F 0 0，但原动件数，但原动件数目大

13、于自由度数目，目大于自由度数目，运动链被破坏，不能运动链被破坏，不能成为机构。成为机构。F=F=3 34-24-26=0 6=0 F F = 0, = 0, 运动链不运动链不能运动，不成为能运动，不成为机构机构 平面机构的结构分析平面机构的结构分析1 1）机构自由度数）机构自由度数 F1;F1;平面机构具有确定运动的条件：平面机构具有确定运动的条件：2 2）原动件数目等于机构自由度数）原动件数目等于机构自由度数F F。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析先看例子：按照之前的算法下图机构的自由度为先看例子：按照之前的算法下图机构的自由度为为什么？为什么？3.2.4 3.2.4 计算机构自由度时

14、应注意的几种情况计算机构自由度时应注意的几种情况F =3n2PLPH =3102132 =2 平面机构的结构分析平面机构的结构分析1.1.复合铰链复合铰链 两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。复合铰链。 解决方案解决方案: :k k 个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了( (k k-1)-1)个转个转动副。动副。注意：复合铰链只存在于转动副中注意：复合铰链只存在于转动副中 。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析LH323 52 701FnPP 惯性筛机构惯性筛机构例例3.3 3.3

15、计算图示惯性筛机构计算图示惯性筛机构的自由度。的自由度。解：此机构解：此机构 C C 处由三个构处由三个构件组成复合铰链，则件组成复合铰链，则n n =5=5，P PL L =7=7，P PH H =0=0。由机构自由度。由机构自由度公式得公式得单击上图动画演示单击上图动画演示 平面机构的结构分析平面机构的结构分析处理办法：处理办法：在计算自由度时，在计算自由度时，拿掉这个局部自由度拿掉这个局部自由度，即可将滚，即可将滚子与装滚子的构件固接在一起。子与装滚子的构件固接在一起。ABC321ABC321F=3x3-2x3-1x1=2F=2x3-2x2-1x1=1n=3PL=3PH=1n=2PL=2

16、 PH=12.2.局部自由度局部自由度 机构中个别构件不影响其它构件运动，即对整个机构运动机构中个别构件不影响其它构件运动，即对整个机构运动无关的自由度。无关的自由度。 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 两构件间形成多个轴线重合两构件间形成多个轴线重合的转动副，则只能算一个转动副；的转动副，则只能算一个转动副；两构件形成多个导路平行的移动两构件形成多个导路平行的移动副，则只能算一个移动副。副，则只能算一个移动副。虚约束之一：虚约束之一： 3.3.虚约束虚约束 在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是

17、一致的。这种不起约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。独立限制作用的重复约束称为虚约束。虚约束虚约束虚约束虚约束 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 虚约束之二：虚约束之二： 高副接触点公法线重合高副接触点公法线重合两构两构件在多处接触而构成平面高副且各件在多处接触而构成平面高副且各接触点处的公法线彼此重合时，只接触点处的公法线彼此重合时，只有一个高副起约束作用。有一个高副起约束作用。AB虚约束虚约束虚约束虚约束 两构件上某两点之间的距两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变。离在运动中保持不变。 虚约束之三：虚约束之三： 平面机构的结构分析平

18、面机构的结构分析虚约束之四：虚约束之四： 机构中存在对传递运动不机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分。起独立作用的对称部分。 虚约束对机构的影响：虚约束对机构的影响： 机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，同时也提高了对制造和装配精度的要求。同时也提高了对制造和装配精度的要求。虚约束虚约束 既然虚约束对机构的运动不起直接的限制作用，为什么在既然虚约束对机构的运动不起直接的限制作用，为什么在实际机器中还要设计出虚约束？实际机器中还要设计出虚约束？【思考题思考题3.33.3】 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 例例3.4 计算冲压机构的自由度。计算冲压机构的自由度。F =3n2PLPH=392122=1解：解： 虚约束虚约束局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链 平面机构的结构分析平面机构的结构分析3.2.5 3.2