机械原理机构的结构分析

1、本章教学内容本章教学内容 2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的 2-2 机构的组成机构的组成 2-3 机构运动简图机构运动简图 2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算 2-6 计算平面机构自由度时应注意事项计算平面机构自由度时应注意事项 2-7 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析1 1、研究机构的组成及机构运动简图的画法、研究机构的组成及机构运动简图的画法2 2、掌握机构具有确定运动的条件；、掌握机构具有确定运动的条件；3 3、研究平面机构的组成原理及结构分类。、研究平面机构的

2、组成原理及结构分类。2-1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.运动副运动副 运动副：运动副：指两构件直接接触形成的可动联接。指两构件直接接触形成的可动联接。 运动副元素：运动副元素：参与接触而构成运动副的点、线、面。参与接触而构成运动副的点、线、面。按照接触特性把运动副分为按照接触特性把运动副分为低副和高副。低副和高副。1.构件构件：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。运动副元素不外乎运动副元素不外乎为点、线、面为点、线、面。构件的自由度：构件的自由度：指一个构件相对另一个指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动的数目。一个构件可能出现的独立运动的数

3、目。一个自由构件在空间具有自由构件在空间具有6个自由度。作平个自由度。作平面运动的自由构件具有面运动的自由构件具有3个自由度。个自由度。约束：约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。到的限制。运动副引入的约束数运动副引入的约束数=两构件相对自由度减少的数目。两构件相对自由度减少的数目。低副：面接触的运动副。低副：面接触的运动副。转动副：两构件只作相对转动的运动副。转动副：两构件只作相对转动的运动副。移动副：两构件只作相对移动的运动副。移动副：两构件只作相对移动的运动副。转动副转动副移动副移动副按照接触特性把运动副分为低

4、副和高副。按照接触特性把运动副分为低副和高副。1个低副个低副 带来带来2个约束个约束惯性筛机构惯性筛机构齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副高副：点接触或线接触的运动副。高副：点接触或线接触的运动副。1个高副个高副 带来带来1个约束个约束按运动副的封闭分按运动副的封闭分:几何封闭运动副几何封闭运动副: 借助于构件的结构形状所产生的几何借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的运动副。约束来封闭的运动副。力封闭运动副力封闭运动副: 借助于力来封闭的运动副。借助于力来封闭的运动副。按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分:平面运动副：平面运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面指构成运动副的两构件之

5、间的相对运动为平面运动的运动副。运动的运动副。空间运动副：空间运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动的运动副。运动的运动副。只讲平面运动副。只讲平面运动副。常用运动副表示符号表常用运动副表示符号表2-1.球面副球面副常用运动副的符号常用运动副的符号3.运动链运动链运动链运动链:指两个以上的构件通过运动副的连接而构成的可相对运动指两个以上的构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统。的系统。 闭链闭链: 运动链运动链的各构件构成首的各构件构成首尾封闭的系统。尾封闭的系统。 开链开链: 运动运动链的各构件未链的各构件未构成首尾封闭构成首尾封闭

6、的系统。的系统。平面运动链平面运动链平面运动链平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。空间运动链空间运动链4、机构、机构机构机构:在运动链中将一构件加以固定在运动链中将一构件加以固定, 而其余构件都具有确定的运动，则而其余构件都具有确定的运动，则运动链便成为机构。运动链便成为机构。机架机架原动件原动件机构机构运动链运动链? ?机架机架原动件原动件原动件原动件机架机架原动件原动件从动件从动件 平面机构平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。机

7、构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。依据机构的运动是平面运动还是空间运动分为：依据机构的运动是平面运动还是空间运动分为：内燃机内燃机一、一、 机构运动简图的定义及作用机构运动简图的定义及作用机构的示意图：指仅仅以构件和运动副的符号表示机构，机构的示意图：指仅仅以构件和运动副的符号表示机构， 不要求严格地按比例而绘制的简图。不要求严格地按比例而绘制的简图。1、机构运动简图：不考虑那些与运动无关的因素，仅、机构运动简图：不考虑那些与运动无关的因素，仅仅用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并仅用简单的

8、线条和规定的符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示运动副的相对位置。这种能准确表达机按一定比例表示运动副的相对位置。这种能准确表达机构运动传递情况的简化图形称为机构运动简图。构运动传递情况的简化图形称为机构运动简图。作用：利用机构运动简图可以对机构进行结构、运动和作用：利用机构运动简图可以对机构进行结构、运动和动力等的分析。动力等的分析。2.常见机构运动简图符号常见机构运动简图符号 表表2-23.构件的表示方法构件的表示方法凹槽凸轮凹槽凸轮步骤：步骤：1、首先要搞清楚所绘制机械的结构和动作原理。确定机、首先要搞清楚所绘制机械的结构和动作原理。确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分；构

9、中的机架、原动部分、传动部分和执行部分；2、从原动件开始，按照运动传递的顺序给构件编号，并、从原动件开始，按照运动传递的顺序给构件编号，并逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目的类型和数目;3、恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运、恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面；动平面相平行的平面作为投影面；4、选择适当的比例尺、选择适当的比例尺, 定出各运动副之间的相对位置，定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动简将机构运

10、动简图画出来；图画出来；5、标出原动件。、标出原动件。二、机构运动简图的绘制二、机构运动简图的绘制例例1：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个构件和个构件和7个转个转动副。动副。123456颚式破碎机颚式破碎机例例2 ：内燃机内燃机机构运动简图及自由度机构运动简图及自由度2例例1：绘制图示机构的机构运动简图：绘制图示机构的机构运动简图例例2 绘制冲床的机构运动简图绘制冲床的机构运动简图 课本课本P29冲床冲床 1、平面机构的自由度、平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。机构的自由度：机构中各构件

11、相对于机架所具有的独立运动的数目。假设平面机构有假设平面机构有n个活动构件：个活动构件： 3n个自由度个自由度有有PL个低副和个低副和PH个高副：个高副： 引入引入(2 PL+PH)约束约束平面自由构件：平面自由构件：3个自由度个自由度平面低副：引入平面低副：引入2个约束个约束平面高副：引入平面高副：引入1个约束个约束平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式： F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pL - pH例例32-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1四杆机构四杆机构给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：其

12、余构件有确定运动。其余构件有确定运动。 机构中给定独立运机构中给定独立运动参数的构件为原动件。动参数的构件为原动件。五杆机构五杆机构给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必须给定的独立运机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。动参数的数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构有确定运动。F=3n-2 pl ph=34 - 25-0=2 Fa = 32 - 23 = 0 Fb = 33 - 25 = -1F 0 运动链不能运动，不成为机构运动链不能运动，不成为机构

13、机构的自由度机构的自由度F、原动件的数目与机构运动特性之间的关系：、原动件的数目与机构运动特性之间的关系：1）F0时时 刚性桁架，构件间不能产生相对运动。刚性桁架，构件间不能产生相对运动。2）F0时，时，F原动件数，机构运动不确定（能动但是乱动）；原动件数，机构运动不确定（能动但是乱动）； F=原动件数，机构具有确定运动。原动件数，机构具有确定运动。 结论结论机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参数的数目。数的数目。（1）复合铰链）复合铰链: 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成

14、复合铰链。合铰链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。个。复合铰链复合铰链1. 要正确计算运动副的数目要正确计算运动副的数目例例 7解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 210-0=1八杆机构八杆机构准确识别复合铰链举例准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副 123134212341321432312两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副

15、两个转动副例例3参考书参考书参考书（参考书（P499 1-6）只有一个运动副起约束作用只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束其它各处均为虚约束;2）两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。）两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。 两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。轴承支撑轴承支撑3）若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法）若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提

16、供2个约束。个约束。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束等径凸轮等径凸轮解：解：F=3n-2 pl ph=33 - 23-1=2方法：假想构件方法：假想构件2 2和和3 3焊成一体焊成一体F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动构件的运动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。把这种局部运动的自由度称为局部自由度。注意：计算机构自由度时注意：计算机构自由度时, 应将局应将局部自由度除去不计。部自由度除去不计。滚子从动件滚子从动件虚约束虚约束指机构在某些特定几

17、何条件或结构条件下，有些运动副带入的约指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束。际上不起约束作用的约束称为虚约束。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 pl phF=3n-2 pl ph=34 - 26-0=01）当构件上某点的轨迹为直线时，若在该点铰接一个滑块并使）当

18、构件上某点的轨迹为直线时，若在该点铰接一个滑块并使其导路与该直线重合，此时也引入一个虚约束。（机构中两构件其导路与该直线重合，此时也引入一个虚约束。（机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入虚约束。）则该联接引入虚约束。）正确计算：正确计算：不计引起虚约束的附加构件和不计引起虚约束的附加构件和运动副数。运动副数。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：椭圆仪椭圆仪2）机构运动过程中）机构运动过程中, 某两构件上的两点之间的距离始终保持不变某两构件上的两点之间的距离始终保持不变, 将此两点以构件相联将此两点以构件

19、相联, 则将带入则将带入1个虚约束。个虚约束。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0 虚约束虚约束3）某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为）某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。虚约束。目的：目的：为了传递较大功率，保持机构受力平衡。为了传递较大功率，保持机构受力平衡。对称机构对称机构1、2、3小结小结存在于转动副处存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件个构件则有则有(m-1)个转动副个转动副复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦常

20、发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：将滚子和杆焊接为一体，正确处理方法：将滚子和杆焊接为一体，计算自由度时将局部自由度减去。计算自由度时将局部自由度减去。虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。例例8、9、101、机构的组成原理、机构的组成原理基本杆组：从动件系统中若干个不能再拆的、自由度为零的基本杆组：从动件系统中若干个不能再拆的、自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。构件组称为机构的基本

21、杆组。机架机架 机架自由度数机架自由度数=0(静止）静止）原动件原动件 原动件数原动件数=自由度数自由度数从动件从动件 从动件自由度从动件自由度=0机构组成原理指把若干个自由度为零基本杆组依次联接到原动机构组成原理指把若干个自由度为零基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。机构的组成原理机构的组成原理机构组成过程机构组成过程机构创新设计应遵循的原则机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别

22、越低、构要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。件数和运动副数越少越好。见图见图 2-23注意：在杆组并联时，不能将同一杆组的各个外接运动副接注意：在杆组并联时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。2.平面机构的结构分类平面机构的结构分类对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pL个低副个低副Lpn32n和和pl为整数为整数n=2,4,602-3Lpn02-3HLPpn 根据根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）只包含两副构件的杆

23、组称为）只包含两副构件的杆组称为级杆组级杆组 n=2，PL=3 常见常见级杆组的形式为级杆组的形式为（2）包含具有三个运动副的刚性构件的杆组称为）包含具有三个运动副的刚性构件的杆组称为 级杆组级杆组n=4, ，PL=6（3） IV级杆组级杆组结构特点：有两个三副杆，且结构特点：有两个三副杆，且4个构个构件构成四边形结构。件构成四边形结构。常见的三种形式为常见的三种形式为更高级别的杆组更高级别的杆组平面机构的结构分类平面机构的结构分类II级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。级的机构。 III级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组

24、的最高级别为III级的机构。级的机构。级机构级机构 只由机架和原动件组成的机构称为只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。级的机构。 （杠杆机构、斜面机构）（杠杆机构、斜面机构） 机构结构分类的依据：机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。结构分析目的：了解机构的组成，确定机构的级别。结构分析目的：了解机构的组成，确定机构的级别。 3、平面机构的结构分析、平面机构的结构分析机构的结构分析：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。机构的结构分析：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。机构结构分析步骤机构结构分析步骤1、正确计算机构的自由度、正确计算机构

25、的自由度,并确定原动件。并确定原动件。2、从离原动件最远的构件开始试拆，先拆、从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再级组，若不成，再拆拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。3、最后定出机构的级别。、最后定出机构的级别。注意：同一机构原动件注意：同一机构原动件不同，机构的级别不一不同，机构的级别不一定相同。定相同。12345678以以1为原动件时？为原动件时？级机构级机构例例4 以以7为原动件拆分杆组为原动件拆分杆组级机构例例5 由最原始的图形开始由最原始的图形开始4、平面机构的低副代替高副法、平面机构的低副