绪论、平面机构的结构分析

1、第一章第一章 绪绪 论论11 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容12 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位13 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程顾名思义，本课程研究对象为：顾名思义，本课程研究对象为：机械机械斜面斜面任何机械都经历了：任何机械都经历了：简单简单复杂的发展过程。复杂的发展过程。机械机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物 的组合体。的组合体。 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。杠杆杠杆 起重轱辘起重轱辘 滑轮组滑轮

2、组 手动手动(电动)葫芦葫芦现代起重机现代起重机起重机的发展历程：起重机的发展历程：11 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容一、本课程研究对象一、本课程研究对象 二、基本术语二、基本术语 1. 1. 零件零件 零件是机器加工零件是机器加工( (制造制造) )的最小单元体。若将一部机的最小单元体。若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。2.构件构件 构件是机构运动的最小单元体，是组成机构的基本构件是机构运动的最小单元体，是组成机构的基本要素。构件可能是一个零件，也可能是由若干零要素。构件可能是一个零件，也可能是由若干零件固联在一

3、起的一个独立运动的整体件固联在一起的一个独立运动的整体 。如。如图图所示所示内燃机中的连杆。内燃机中的连杆。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4.机器机器 机器是由若干机构组成的，用来变换或传递能量、机器是由若干机构组成的，用来变换或传递能量、物料和信息的装置。物料和信息的装置。如如: : 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机机器、起重机等。等。 机构与机器的区别：机构与机器的区别：机构只有一个构件系统，而机机构只有一个构件系统，而机器除构件系统之外还包含电气、液压等其它装置；器除构件系统

4、之外还包含电气、液压等其它装置；机构只用于传递运动机构只用于传递运动(或改变运动形式或改变运动形式)和力，而机器和力，而机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。料、信息的功能。任意复杂的机器都是由若干组机构按一任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。定规律组合而成的。3.机构机构 机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。如如：连杆机构：连杆机构、凸轮机构凸轮机构、 齿轮机构

5、齿轮机构等。等。典型机器的分析：典型机器的分析：1.内燃机内燃机内燃机内燃机组成：组成：65438712910汽缸体汽缸体1、活塞活塞2、进气阀进气阀3、排气阀排气阀4、连杆连杆5、曲轴曲轴6、凸轮凸轮7、顶杆顶杆8、齿轮齿轮9、10工作原理：工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸；进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点在顶部点 火燃烧；火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。活塞上行，排气阀开启，废

6、气体被排出汽缸。设计：潘存云进气进气压缩压缩爆炸爆炸排气排气内燃机的工作过程：内燃机的工作过程：活塞的往复运动通过连杆转变为曲活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：作，称为：齿轮机构齿轮机构各部分各部分协调动作协调动作的结果：的结果： 化学能化学能 机械能机械能机器的共有特征：机器的共有特

7、征： 人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有各部分有确定的相对运动确定的相对运动；代替或减轻人类劳动代替或减轻人类劳动完成有用功完成有用功或或实现能量实现能量 的转换的转换机器的分类：机器的分类： 原动机原动机实现能量转换实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机（如内燃机、蒸汽机、电动机）工作机工作机完成有用功（如机床等）完成有用功（如机床等）一般机器的组成：一般机器的组成：动力部分动力部分是工作机动力的来源，最常见的是电动是工作机动力的来源，最常见的是电动 机和内燃机。机和内燃机。 工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分传动部分

8、联接原动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。机械机械机器机器机构机构原动机原动机 传动传动 工作工作 控制控制 原动机原动机工作机工作机5.机械机械 机器和机构的总称。机器和机构的总称。控制器控制器(控制控制)电动机电动机(原动原动)带带(传动传动)减速器减速器(传动传动)波轮波轮(工作工作)分析自动洗衣机的组成：分析自动洗衣机的组成：三、本课程研究的内容三、本课程研究的内容研究内容：机械中的常用机构的工作原理、结研究内容：机械中的常用机构的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法

9、。构特点、基本的设计理论和计算方法。研究内容分为三大部分：研究内容分为三大部分：机械结构学、运动学、动力机械结构学、运动学、动力学学课程性质：课程性质： 技术基础课技术基础课 作用作用： 承前启后承前启后 本课程的特点：是本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识等理论知识和实践技能的综合运用。和实践技能的综合运用。同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如纺织同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如纺织机械原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学机械原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺

10、学等专业课程打下基础，等专业课程打下基础， 12 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位机械设计机械设计规划和设计实现预期功能的新机械或改规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。进原有机械的性能。基本要求：基本要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。造型美观。机械设计的内容：机械设计的内容：1.1.确定确定机械的工作原理，选择合宜的机构；机械的工作原理，选择合宜的机构；2. 拟定设计方案；拟定设计方案；3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载

11、荷；进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。13 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程 3）仔细观察实物和模型，认真做实验。）仔细观察实物和模型，认真做实验。 课程安排：课程安排：共共68学时，其中讲授学时，其中讲授66学时，实验学时，实验2学时。学时。要求：要求： 1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业 成绩未及格不能参加考试。成绩未及格不能参加考试。 2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课）上课认真听讲，及时消化，

12、不主张占用较多的课 外时间。外时间。 希望：希望： 克服畏难情绪，树立自信心。克服畏难情绪，树立自信心。 第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析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22 机构的组成机构的组成23 机构运动简图机构运动简图24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件25 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算26 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题 27 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

13、件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 3.绘制机构运动简图绘制机构运动简图 4.研究机构的组成原理研究机构的组成原理 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连接。生某些相对运动的连接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可22 机构的组成机构的组成 1)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有：

14、平面运动副平面运动副平面运动平面运动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。例如：球铰链、螺旋。例如：球铰链、螺旋。球面副球面副空间运动副空间运动副空间运动空间运动转动副转动副移动副移动副螺旋副螺旋副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。运动副的分类：运动副的分类： 2)按运动副元素分有：按运动副元素分有： 高副高副点、线接触，应力高。点、线接触，应力高。低副低副面接触，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 。23 平面

15、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用以说明机构中各构件之间的相用以说明机构中各构件之间的相对对 运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。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。机动示意图机动示意图不按比例绘制的简图不按比例绘制的简图现摘录了部分现摘录了部分GB446084机构示意图如下表机构示意图如下表。2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。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121212121212121212121

16、21212两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 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注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质副的性质。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

17、.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动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。DCBA1432绘制图绘制图示示鳄式破碎机鳄式破碎机的运动简图。的运动简图。1234绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的运动简图的运动简图偏心泵偏心泵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

18、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 1定义：定义：保证机构具有确定运动时所必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。原动件原动件能独立运动的构件。能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为：自由度原动件数自由度原动件数作平面运动的刚体在空间的位作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的

19、参数置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。才能唯一确定。yx(x , y)F = 3单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 325 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算自由构自由构件的自件的自由度数由度数运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2结论：结论：构件自由度构件自由度3约束数约束数移动副移动副 1（x） + 2（y，）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3经运动副相联后，构件自由度会有变化：经运动副相联后，构件自由度会有变化：

20、自由构件的自由度数约束数自由构件的自由度数约束数活动构件数活动构件数 n 计算公式：计算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：要求：记住上述公式，并能熟练应用。记住上述公式，并能熟练应用。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计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。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=0S3123推广到一般：推广到一般： 计算五杆铰链机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F

21、=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH=012341 1计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=1123 26 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题 12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 7低副数低副数PL=6F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！1.复合铰链复合铰链两个以上的构件在同一处以转动两个

22、以上的构件在同一处以转动 副相联。副相联。计算：计算：m个构件个构件, 有有m1转动副。转动副。两个低副两个低副上例：在上例：在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF圆盘锯机构圆盘锯机构计算图示两种凸轮机构的自由度。计算图示两种凸轮机构的自由度。解：解：n=3， PL=3，F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1对于右

23、边的机构，有：对于右边的机构，有： F=32 22 1=1事实上，两个机构的运动相同，且事实上，两个机构的运动相同，且F=11231232.局部自由度局部自由度F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 FP=1或计算时去掉滚子和铰链：或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1定义：定义：构件局部运动所产生的自由度。构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，出现在加装滚子的场合，计算时应去掉计算时应去掉Fp。滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。123123解：解：n=4， PL=6，F=3n 2PL PH =

24、34 26 =0PH=03.虚约束虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件，故增加构件4前后前后E点的轨迹都是圆弧，。点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件增加的约束不起作用，应去掉构件4。已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形 机构的自由度。机构的自由度。 1234ABCDEF重新计算：重新计算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：

25、1234ABCDEF4F已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形 机构的自由度。机构的自由度。 ABCDEF虚约束虚约束出现虚约束的场合：出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.两构件构成多个移动副，且两构件构成多个移动副，且导路平行。导路平行。 如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪等。等。(需要证明)4.运动时，两构件上的运动时，两构件上的两点距离始终不变。两点距离始终不变。3.两构件构成多个转动副，两构件构成多个转动副，且同轴。且同轴。5.对运动不起作用的对对运动不起作用的对称部分。称部分

26、。如多个行星轮如多个行星轮。EF6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如如等宽凸轮等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，法线不重合时，变成实际约束！变成实际约束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的各种出现虚约束的场合都是有条件的 !CDABGFoEE计算图示

27、大筛机构的自由度。计算图示大筛机构的自由度。位置位置C ，2个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度 1个个虚约束虚约束En= 7PL = 9PH =1F=3n 2PL PH =37 29 1 =2CDABGFoEB2I9C 3A1J6H87DE4FG5计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：分析：活动构件数活动构件数n：A1B2I9C 3J6H87DE4FG592个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度 2个个虚约束虚约束: 1处处I8去掉局部自由度去掉局部自由度和虚约束后：和虚约束后： n =6PL = 7F=3n 2PL PH =36 27 3 =1PH =3定义：定义：最简单的最简单的F0的