机械工程导论第三讲

1、机器机器是执行机械运动的装置，用来转换或传递是执行机械运动的装置，用来转换或传递能量能量、物料物料或或信息信息。 机构机构是实现运动的传递与转换的系统。是实现运动的传递与转换的系统。 一台机器一台机器可能是由可能是由一种机构一种机构组成，也可能是由组成，也可能是由若干种机构若干种机构组成，它们按组成，它们按一定的规律相互协调配合，通过有序的运动和动力的传递与转换来完成预期一定的规律相互协调配合，通过有序的运动和动力的传递与转换来完成预期的功能。的功能。 机构是由单一或多个机构是由单一或多个零件零件组成。组成。 机械设计机械设计是机械产品的是机械产品的总体方案设计总体方案设计（重点机构设计）（重

2、点机构设计）和和零件设计零件设计的总的总和，分别在主干课和，分别在主干课“机械原理机械原理”和和“机械设计机械设计”中学习。中学习。 方案设计主要包括三方面内容：方案设计主要包括三方面内容： 机械系统功能原理方案设计机械系统功能原理方案设计 机械系统运动方案设计机械系统运动方案设计 方案的评价与优选方案的评价与优选3.1 3.1 机械产品的总体方案设计机械产品的总体方案设计 机械系统运动方案设计即机械系统运动简图设计，内容为：机械系统运动方案设计即机械系统运动简图设计，内容为： 机构及机械系统的选型与综合机构及机械系统的选型与综合动动作作要要求求输出输出运动运动形式形式数量数量运动运动传递传递

3、转换转换类型类型数量数量输入输入运动运动形式形式数量数量选择选择创新创新满足满足要求要求的机的机构类构类型和型和结构结构型式型式机械系统机械系统机构协调配合机构协调配合3.2 3.2 机械系统运动方案设计的主要内容机械系统运动方案设计的主要内容 机械系统运动学及动力学综合及分析机械系统运动学及动力学综合及分析机械系统运动方案设计是进行创造性构思和创新设计的重要过程。机械系统运动方案设计是进行创造性构思和创新设计的重要过程。运动运动传递传递转换转换的具的具体参体参数及数及规律规律运动运动学尺学尺度设度设计计运动运动及动及动力性力性能分能分析析动力动力学初学初步设步设计计若干设计方案若干设计方案最

4、佳设计方案最佳设计方案方案评价优选方案评价优选 机构的概念及功能机构的概念及功能 机构机构: :两个以上的构件通过可动联接形成的构件系统，各构件之间具有两个以上的构件通过可动联接形成的构件系统，各构件之间具有确定的相对运动。确定的相对运动。 可按预期的规律实现运动和力的传递与转换。可按预期的规律实现运动和力的传递与转换。 能将一个或几个构件的给定运动，转变成其他构件所需的确定运动。能将一个或几个构件的给定运动，转变成其他构件所需的确定运动。 机构的特征机构的特征 人为的实物组合体。人为的实物组合体。 各实体之间具有确定的相对运动。各实体之间具有确定的相对运动。3.3 3.3 机构的基本概念机构

5、的基本概念 一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性联接组成。套等相互刚性联接组成。连杆体连杆体连杆盖连杆盖螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母连杆衬套连杆衬套轴瓦轴瓦内燃机连杆内燃机连杆3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念运动副运动副 两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。运动副元素运动副元素 两个构件上相互接触的表面。两个构件上相互接触的表面。约束约束

6、 运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。 3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念运动副的分类运动副的分类空间运动副空间运动副空间运动空间运动按相对运动范围分：按相对运动范围分：平面运动副平面运动副平面运动平面运动空间运动副空间运动副球面副球面副螺旋副螺旋副3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念 平面运动副类型平面运动副类型l 转动副（回转副、铰链）转动副（回转副、铰链）l 移动副移动副面接触面接触 ，平面低副平面低副应力低应力低产生约束数：产生约束数：2 2自由度：自由度：1 13.3 3

7、.3 机构的基本概念机构的基本概念l 滚滑副滚滑副点、线接触，点、线接触，应力高应力高平面高副平面高副t tt tn nn nn nn nt tt t产生约束数：产生约束数：1 1自由度：自由度：2 2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1 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 2两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1 12 22 21 12 21 1平平面面运运动动副副3.3 3.3 机构的基本

8、概念机构的基本概念平平面面高高副副螺螺旋旋副副2 21 11 12 21 12 21 12 21 12 2球球面面副副球球销销副副1 12 21 12 21 12 2空空间间运运动动副副1 12 21 12 21 12 22 21 1n nn nt tt t2 21 1n nn nt tt t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3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念三副构件三副构件 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 四副构件四副构件 3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念平面闭式运动链平面闭式运动链单封闭回路

9、闭链单封闭回路闭链 p p N N （p p为运动副数，为运动副数，N N为构件数）为构件数）3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念开式运动链开式运动链(Open kinematic chain)(Open kinematic chain) 开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。N p 13.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念 运动链的自由度运动链的自由度：确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置：确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需的独立参变量的数目。所需的独立参变量的数目。 3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念o ox

10、xy y约束约束 对独立运动所加的限制。对独立运动所加的限制。A A 一个作平面运动的构件有三个自由度一个作平面运动的构件有三个自由度B BA A ( (x xA A, ,y yA A) )o ox xy y活动构件数：活动构件数：通过运动副联接后，低副产生的约束数通过运动副联接后，低副产生的约束数 ： 高副产生的约束数：高副产生的约束数： 设一平面机构有设一平面机构有K K个构件，通过个构件，通过P Pl l个低副，个低副，P Ph h个高副联接，则：个高副联接，则：运动副联接前运动副联接前自由度自由度：计算公式：1 Knn3lP2hP1hlPPnF23 自由度的计算自由度的计算3.3 3.

11、3 机构的基本概念机构的基本概念例例1 1、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=3n=3低副数低副数P Pl l =3=3高副数高副数P Ph h =0=0hlPPnF230423311 12 23 34 43.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念例例2 2、计算铰链五杆机构的自由度、计算铰链五杆机构的自由度 活动构件数活动构件数n=4n=4低副数低副数P Pl l =4=4高副数高副数P Ph h =0=02524323hlPPnF123453.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念 运动链为一刚性桁架，不能成为机构。运动链为一刚性桁架

12、，不能成为机构。 AB12C3平面三构件运动链平面三构件运动链3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念 活动构件数活动构件数n=2n=2低副数低副数P Pl l =3=3高副数高副数P Ph h =0=00322323hlPPnF例例3 3、计算三角架的自由度、计算三角架的自由度1 12 23 34 45 56 67 78 8A AB BC CD DE EF F解：活动构件数解：活动构件数n=7n=7低副数低副数 P Pl l =10=10高副数高副数 P Ph h =0=0B B、C C、D D、E E四处四处各含有两个转动副各含有两个转动副例例4 4：计算图示圆盘锯机构的自由度。：计算

13、图示圆盘锯机构的自由度。3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念11027323hlPPnF内燃机的运动简图内燃机的运动简图215691078343.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念自由度计算习题自由度计算习题 活动构件数活动构件数n=5n=5低副数低副数P Pl l =6=6高副数高副数P Ph h =2=2121625323hlPPnF习题解习题解若干个若干个1 1个个1 1个或几个个或几个 在运动链中，固定某一构件为机架，并给定一个或数个构件的运动，使其在运动链中，固定某一构件为机架，并给定一个或数个构件的运动，使其余构件的运动随之确定，运动链余构件的运动随之确定，运动链机架

14、机架：相对固定不动的构件，如机床：相对固定不动的构件，如机床床身、车辆底盘。床身、车辆底盘。原动件（主动件）原动件（主动件）：运动已知的构：运动已知的构件，运动输入的构件。件，运动输入的构件。原动件原动件从动件从动件：其余活动构件。：其余活动构件。从动件从动件机构的组成：机构的组成：机构构件机构构件+ +运动副运动副机架机架 原动件原动件 从动件从动件机架机架机构机构3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念运动链成为机构的首要条件：运动链自由度必须大于零。在运动链成为机构的首要条件：运动链自由度必须大于零。在F F 0 0的条件下，进一步判断运动

15、链是否具有确定的运动。的条件下，进一步判断运动链是否具有确定的运动。 于自由度。条件：原动件的数目等运动链具有确定运动的3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念F F 3 3n n 2 2p pL L p pH H 3 3 4 4 2 2 5 5 2 2 原动件数原动件数 F F, ,运动链内部的运动关系不确定。运动链内部的运动关系不确定。运动链不能成为机构。运动链不能成为机构。原动件数原动件数 F F, ,运动链内部各构件运动关系确定。运动链内部各构件运动关系确定。运动链成为机构。运动链成为机构。3.3 3.3 机构的基本概念机构的基本概念F F 3 3n n 2 2p pL L p pH H 3 3 3 3 2 2 4 4 1 1原动件数原动件数 F F，运动链内部的运动关系将发，运动链内部的运动关系将发生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。运动链不能成为机构。运动链不能成为机构。原动件数原动件数 F F，运动链内部各构件运动关系确定。，运动链内部各构件运动关系确定。运动链成为机构。运动链成为机构。曲柄滑块机构曲柄滑块机构滑块滑块( (连架杆连架杆) )固定导杆固定导杆( (导轨导轨) )摆动导杆机构摆动导杆机构滑块滑块( (连杆连杆) )摆动导杆摆动导杆( (连架杆连架杆) )3.3