机械原理潘存云机构的结构分析

1、作者潘存云第第2章章 机构的结构分析机构的结构分析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 机构运动简图及其绘制机构运动简图及其绘制24 机构具有确定运动的条件及自由度的计算机构具有确定运动的条件及自由度的计算25 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 26 机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的组成原理、结构分类及结构分析作者潘存云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 内容：内容：1.研究机构的组成要素研究机构的组成要素及机构的符号表示方法及机构的符号表示方法 2.研究机构的可动性以研究机构的可动性

2、以及具有确定运动的条件及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类研究机构的结构分类目的目的:机构包含哪几个部分机构包含哪几个部分?各部分如何相联？各部分如何相联？如何把复杂的机构抽象如何把复杂的机构抽象成简单图形符号？成简单图形符号？为了便于研究作者潘存云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 内容：内容：1.研究机构的组成要素研究机构的组成要素及机构的符号表示方法及机构的符号表示方法 2.研究机构的可动性以研究机构的可动性以及具有确定运动的条件及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类研究机构的结

3、构分类目的目的:机构是否能动机构是否能动?运动是否确定？运动是否确定？运动确定应满足什么条运动确定应满足什么条件？件？作者潘存云内容：内容：1.研究机构的组成要素研究机构的组成要素及机构的符号表示方法及机构的符号表示方法 2.研究机构的可动性以研究机构的可动性以及具有确定运动的条件及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类研究机构的结构分类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 目的目的: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。研究的是搞清楚按何种规律组成的机构按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。能满足运动确定性的

4、要求。对于设计新机构具有重要意义作者潘存云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 内容：内容：1.研究机构的组成要素研究机构的组成要素及机构的符号表示方法及机构的符号表示方法 2.研究机构的可动性以研究机构的可动性以及具有确定运动的条件及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类研究机构的结构分类目的目的:不同的机构都有各自的特点，将机构按结构加以分类目的建立运动分析和机构综合建立运动分析和机构综合的一般方法。的一般方法。作者潘存云22 机构的组成机构的组成名词术语解释名词术语解释:1.构件构件 (Link) 独立的运动单元独立的运动单元

5、零件零件(part) 独立的制造单元独立的制造单元内燃机内燃机中的连杆作者：潘存云教授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连杆盖连杆盖轴瓦轴瓦作者潘存云2.运动副运动副 (Kinematic pair)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 运动副运动副两个构件直接接触组成的仍能产生相对两个构件直接接触组成的仍能产生相对运动的联接。运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可 典型案例：典型案例：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） 点接触点接触作者潘存云运动副的分类：运动副的分类：

6、1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： 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。I级副级副II级副级副III级副级副V级副级副IV级副级副作者潘存云 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) 空间运动副空间运动副空间运动空间运动(Spatial 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。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。球铰链球铰链 螺旋螺旋 平面机构平面机构

7、 空间机构空间机构 例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。作者潘存云 3)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 (high pair)低副低副面接触，应力低面接触，应力低 (lower pair)例如：例如：滚动副、凸轮副、齿轮副滚动副、凸轮副、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 。作者潘存云 4)按运动副元素始终保持接触方式分类有：按运动副元素始终保持接触方式分类有： 几何形状封闭运动副几何形状封闭运动副(form-closed pair)力封闭运动副力封闭运动副(f

8、orce-closed pair) 作者潘存云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： P20 表表2-1作者潘存云转转动动副副移移动动副副12121212121212121212121212122121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 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 平平面面运运动动副副作者潘存云12122112122121121212平平面面高高副副螺螺旋旋副副球球面面副副球球销销副副空空间间运运动动副副121212作者潘存云一般

9、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 作者潘存云三副构件三副构件 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 作者潘存云构件绘制简图要点构件绘制简图要点:画构件时应撇开构件的实际外画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质形，而只考虑运动副的性质！闭式链闭式链(Close chain)、开式链开式链(Open chain)3. 运动链运动链 (Kinematic chain)运动链运动链两个以上的构件通过运动副的两个以上的构件通过运动副的 联接而构成的系统。联接而构成的系统。作者：潘存云教授作者潘存云若干若干1个或几个个

10、或几个1个个机构的组成：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4. 机构机构机构机构具有确定运动的运动链具有确定运动的运动链 。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、如机床床身、 车辆底盘、飞机机身。车辆底盘、飞机机身。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。作者潘存云23 机构运动简图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运动关系的简单图形。对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

11、况。 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。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P23表表22摘录了部分摘录了部分GB446084机构示意图机构示意图。作者潘存云在机架在机架上的电上的电机机机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 外啮合圆柱外啮合圆柱齿轮机构齿轮机构 常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 作者潘存云圆锥齿圆锥齿轮机构轮机构 交错轴斜交错轴斜齿轮机构齿轮机构常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 作者潘存云内啮合内啮合圆柱齿圆柱齿轮机构轮机构 齿轮齿齿轮齿条机构条机构

12、常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 作者潘存云常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 凸轮机构凸轮机构 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 圆柱蜗圆柱蜗杆蜗轮杆蜗轮传动传动作者潘存云常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 棘轮机构棘轮机构 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 槽轮机构槽轮机构 作者潘存云常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 链传动链传动 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 带传动带传动作者潘存云常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）

13、（续表） 机构名称机构名称 3D模型模型 简图简图 摩擦传动摩擦传动 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）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。作者潘存云绘制机构运动简图的思路与步骤：绘制机构运动简图的思路与步骤：思路：思路：机械的机械的 功用功用 工艺工艺动作动作执行构件执行构件原动件原动件中间构件中间构件 机架机架构件总数构件总数 运动副类型运动副类型运动副数量运动副数量构件长度构件长度运动副位置运

14、动副位置 绘制简图绘制简图 检验运动确定性检验运动确定性 绘图比例尺绘图比例尺：l=实际尺寸实际尺寸 m / 图上长度图上长度mm 绘图平面绘图平面运动副符号运动副符号绘图比例尺绘图比例尺作者潘存云绘制机构运动简图举例：绘制机构运动简图举例：例题一：绘制单缸内燃机运动简图。例题一：绘制单缸内燃机运动简图。潘存云教授研制动动 画画顺口溜：顺口溜：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。84 235167ACBD E作者潘存云绘制机构运动简图举例：绘制机构运动简图举例：例题二：绘制偏心泵的运动简图。例题二

15、：绘制偏心泵的运动简图。1234偏心泵偏心泵作者：潘存云教授作者潘存云12341 1141 123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。均不能唯一确定。4 424 机构具有确定运动的条件及自由度的计算机构具有确定运动的条件及自由度的计算 一、机构具有确定运动的条件一、机构具有确定运动的条件 123S31 1S3若同时给定若同时给定1 1和和4 4 ，则，则3 3 2 2 能唯一确

16、定，该机构需要两能唯一确定，该机构需要两个独立参数个独立参数 。作者潘存云自由度自由度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。（独立运动参数。（ FreedomFreedom）原动件能独立运动的构件。原动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者潘存云 作作平面运动平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参的刚体在空间的位置需要三个独立的参数数（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

17、度为单个自由构件的自由度为 3 3二、平面机构自由度的计算二、平面机构自由度的计算 单个自由构件的单个自由构件的自由度是多少自由度是多少？两个构件连接之后两个构件连接之后自由度有何变化自由度有何变化？经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：作者潘存云yx 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） = 31 2 Sxy12R=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） = 3yx12S S自由构自由构件的自件的自由度数由

18、度数自由构件的自由度数约束数自由构件的自由度数约束数作者潘存云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例题例题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=0123推广到一般：推广到一般： 作者潘存云例题例题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

19、：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH=01 2 3 4 5 作者潘存云例题例题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作者潘存云25 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 例题例题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=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算

20、结果肯定不对！作者：潘存云教授12345678ABCDEF0 结果正确吗结果正确吗？问题出在哪问题出在哪？作者潘存云1）复合铰链）复合铰链两个以上构件在同一处以转动副相联两个以上构件在同一处以转动副相联复合铰链数：复合铰链数：m个构件个构件, 有有m1转动副。转动副。注意：注意：在在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。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。圆盘锯机构圆盘锯机构作者：潘存云教授12345678ABCDEF两个低副两个低副作者潘

21、存云例题例题计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。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，且对于左边的机构，有：对于左边的机构，有：F=1 12312作者潘存云2）局部自由度）局部自由度F = 3n 2PL PHFP =33 23 1 1 =1本例：本例： 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局部自由度局部自由度构件局部运动所产生的自由度。构

22、件局部运动所产生的自由度。计算时应去掉计算时应去掉Fp! 出现在加装滚子的场合滚子的作用：滚子的作用：滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。12312作者潘存云解：解：n= 4， PL= 6，F = 3n 2PL PH =34 26 =0PH= 0 3）虚约束）虚约束(formal constraint) 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。 FEAB CD ，故增加构件，故增加构件4前后前后E点的轨迹点的轨迹都是圆弧。都是圆弧。例题例题已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形机，计算图示平行四边形机构的自由度。构的自由度。 作者：潘存云教授1234A

23、BCDEF计算自由度时应去掉虚约束！计算自由度时应去掉虚约束！ 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！作者潘存云n= 3， PL= 4，F = 3n 2PL PH =33 24 =1PH= 0 作者：潘存云教授1234ABCDEF重新计算：重新计算： 4EF动动 画画 特别注意：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：此例存在虚约束的几何条件是：AB CD EF 作者潘存云出现虚约束的场合：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。(需要证明需要证明)作者潘

24、存云（2）两构件构成多个移动副，且导路平行）两构件构成多个移动副，且导路平行牛头刨床牛头刨床 油压机立柱油压机立柱 作者潘存云3）两构件构成多个转动副，且同轴）两构件构成多个转动副，且同轴机床进刀丝杠机床进刀丝杠内燃机曲轴内燃机曲轴 作者潘存云EF4）运动时，两构件上的两点距离始终不变）运动时，两构件上的两点距离始终不变天平天平 5）对运动不起作用的对称部分）对运动不起作用的对称部分多个行星轮多个行星轮作者潘存云6）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！AAn1n1n2

25、n2n1n1n2n2AA作者潘存云虚约束的作用：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，如火车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如火车轮。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 !作者潘存云分析：活动构件数分析：活动构件数 n =10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: 2处处 去掉局部自由度和虚约束后：去掉局部自由度和虚约束后：1处处 n = 8PL = 11 PH =1HC

26、23145ILBAEGK678910FJ11CD例题例题计算图示机构的自由度，已知：计算图示机构的自由度，已知： ABCDEFCH723145ILBAEGK68910FJ11CDF = 3n 2PL PH =38211 1 =12个个低副低副作者潘存云作者：潘存云教授B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例题例题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：活动构件数分析：活动构件数 n = 9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处处去掉局部自由度和虚约束后：去掉局部自由度和虚约束后：I9A1B2C 3J6H87DE4FG51处处n = 6PL

27、= 7F = 3n 2PL PH =36 27 3 =1PH =32个个低副低副I9 作者潘存云2-6 机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的组成原理、结构分类及结构分析一、机构的组成原理一、机构的组成原理 1 1）基本机构）基本机构 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。 a)原动件作移动原动件作移动 (如如油缸、气缸、直线电机油缸、气缸、直线电机等等)b)原动件作转动原动件作转动 (如如电动机电动机)2121作者潘存云2 2）基本杆组）基本杆组基本杆组基本杆组最简单的最简单的F0的构件组。的构件组。机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是:F

28、=1F=0设想：设想：将机构中原动件和机架断开，则原动件与机将机构中原动件和机架断开，则原动件与机架构成基本机构，其架构成基本机构，其F1。剩下的构件组必有。剩下的构件组必有F0将构件组继续拆分成更简单将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不的构件组，直到不能再拆为止。能再拆为止。原动件数自由度原动件数自由度作者潘存云713245678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杆组。重要结论：重要结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成换句话说，将两个基本杆组

29、添加到基本机构上，构成了该八杆机构。了该八杆机构。作者潘存云推论：推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。基础上，依次添加若干个杆组所形成的。机构的组成原理：机构的组成原理： 机构机构基本机构基本机构基本杆组基本杆组3 3）机构的组成原理）机构的组成原理 设计新机构的原则设计新机构的原则 ： 1)结构最简性原则结构最简性原则。即在满足机构运动要求的前提。即在满足机构运动要求的前提下，所设计的机构结构越简单、构件数和运动副数量下，所设计的机构结构越简单、构件数和运动副数量越少越好。越少越好。 2)运动不干涉原则运动

30、不干涉原则。添加杆组时，必须保证构件组。添加杆组时，必须保证构件组中所有的构件仍能运动中所有的构件仍能运动 。作者潘存云特别注意：特别注意： 杆组的各个杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件外端副不可以同时加在同一个构件上上，否则，构件将发生运动干涉而成为刚体。，否则，构件将发生运动干涉而成为刚体。作者潘存云二、机构的结构分析二、机构的结构分析 PL 为整数，为整数， n n只能取偶数。只能取偶数。 n n 2 4 n4 2 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

31、类型种类型设基本杆组中有设基本杆组中有n个构件，则由条件个构件，则由条件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副机构中低副机构中Ph0 )作者潘存云 n=4 （PL6 6）的杆组有以下四种类型）的杆组有以下四种类型: : 这三种形式称为这三种形式称为级组级组。结构特点：其中一个构。结构特点：其中一个构件有三个运动副。件有三个运动副。典型典型级组：级组：作者潘存云第四种形式称为第四种形式称为IVIV级组级组。结构特点：结构特点：有两个三副杆，且有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构个构件构成四边形结构内端副内端副杆组内部相联。杆组内部相联。外端副外端副与组外构件相联。与组外构件相联。 机构按所含最高杆组级别命名，如机构按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构，级机构等。级机构等。作者潘存云713245678图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。 特别注意：特别注意：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级机构级机构 作者潘存云713245678或或级机构级机构级机构级机构作者潘存云三、用低副代替机构中高副的方法三、用低副代替机构中高副的方法目的目的便于工程上对含高副的机构也能像低副机便于工程上对含高副的机构也能像低副机构那样方便地进行结构分析构那样方便地进行结