第2章机构运动分析

1、机械原理机械原理A 教师：赵春花教师：赵春花 机械设计教研室机械设计教研室 办公室电话：办公室电话：67791180(行政楼行政楼1215室室)0 绪论绪论n0.1 机械原理的研究对象机械原理的研究对象n0.2 本课程的研究内容本课程的研究内容n0.3 如何学习本课程如何学习本课程n0.4 其他其他0.1 机械原理的研究对象机械原理的研究对象n1. 机器机器n定义：执行定义：执行机械运动机械运动的装置，用来的装置，用来变换或传递能量、变换或传递能量、物料和信息物料和信息。原动机：将其他形式的能量变换为机械能的机器。原动机：将其他形式的能量变换为机械能的机器。 内燃机内燃机 电动机电动机 工作机

2、：利用机械能去变换或传递能量、物料信息工作机：利用机械能去变换或传递能量、物料信息的机器。的机器。 发电机发电机 起重机起重机 金属切削机床金属切削机床 录音机录音机n电动机电动机(马达马达)n一般应用在电力比较紧张的地区，或者高峰用电负一般应用在电力比较紧张的地区，或者高峰用电负荷比较大的地方，这些地方经常会停电，从而影响生荷比较大的地方，这些地方经常会停电，从而影响生产营业，是一些工厂、企业、商店的必备品。产营业，是一些工厂、企业、商店的必备品。n三峡大坝、小浪底水库等。三峡大坝、小浪底水库等。 n发电机发电机n起重机起重机0.1 机械原理的研究对象机械原理的研究对象n2. 机构机构n定义

3、：用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、定义：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。连杆机构连杆机构 齿轮机构齿轮机构 凸轮机构凸轮机构n3. 机器与机构的关系机器与机构的关系n机器的主体部分是由机构组成的。机器的主体部分是由机构组成的。n机器除了有机构以外还包括电气、液压等其他装置；机器除了有机构以外还包括电气、液压等其他装置；除了能传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、除了能传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。物料、信息的功能。0.2 本课程的内容本课程的内容n第一章第一

4、章 平面机构的结构分析（实验平面机构的结构分析（实验1：机构运动简图测：机构运动简图测绘）绘）n第二章第二章 机构的运动分析机构的运动分析n第三章第三章 平面连杆机构平面连杆机构n第四章第四章 凸轮机构凸轮机构n第五章第五章 齿轮机构（实验齿轮机构（实验2：渐开线齿廓范成）：渐开线齿廓范成）n第六章第六章 轮系轮系n第七章第七章 机械运转速度波动调节机械运转速度波动调节n第八章第八章 机械的平衡机械的平衡0.3 学习本课程的要求学习本课程的要求n成绩考评：成绩考评：n考试考试70%，平时成绩，平时成绩30%n平时成绩包括：平时成绩包括：n出勤出勤n作业作业n上课表现，被我点到名上课表现，被我点

5、到名n实验报告不交平时分没有实验报告不交平时分没有0.4 其他其他n先修课程：先修课程：n工程制图、工程力学工程制图、工程力学n教材：教材：n陆宁主编陆宁主编机械原理机械原理，清华大学出版社，清华大学出版社n主要参考书主要参考书n孙恒主编孙恒主编机械原理机械原理，高等教育出版社，高等教育出版社n郑文伟、吴克坚主编郑文伟、吴克坚主编机械原理机械原理第七版，高等教第七版，高等教育出版社育出版社n课件、板书课件、板书n1.1 机构的组成机构的组成n1.2 机构运动简图机构运动简图n1.3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件n1.4 速度瞬心及其在机构速度分析上的应用速度瞬心及其在机构速度分

6、析上的应用第一章第一章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n1.零件零件n定义：制造的单元定义：制造的单元连杆体连杆体连杆盖连杆盖螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母通用零件：通用零件： 螺栓、垫圈、螺母螺栓、垫圈、螺母 专用零件：专用零件： 连杆体、连杆盖连杆体、连杆盖1.1 机构的组成机构的组成连连杆杆体体连杆盖连杆盖螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母内燃机连杆内燃机连杆1.1 机构的组成机构的组成n2.构件构件n定义：运动的单元，是相互固结在一起的零件定义：运动的单元，是相互固结在一起的零件 的组合体。的组合体。3. 运动副运动副n定义：两构件直接接触而组成的可动连接定义：两构件直接接触而组成的可动连接n直

7、接接触直接接触n可动连接可动连接n运动副的约束运动副的约束n对构件独立运动的限制对构件独立运动的限制1.1 机构的组成机构的组成n运动副的分类运动副的分类n低副：两构件通过面接触组成的运动副低副：两构件通过面接触组成的运动副n转动副转动副：组成运动副的两构件只能在平面内相对转动：组成运动副的两构件只能在平面内相对转动1.1 机构的组成机构的组成n移动副移动副：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动对移动运动轨迹为直线运动轨迹为直线1.1 机构的组成机构的组成凸轮高副（点接触）凸轮高副（点接触）齿轮高副（线接触）齿轮高副（线接触）1.1 机构的组成机构的组成

8、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副高副：两构件通过点或线接触组成的运动副齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构4. 运动链运动链n定义：两个以上的构件通过运动副连接而成的相对定义：两个以上的构件通过运动副连接而成的相对可动的系统。可动的系统。图（图（a）图（图（b）图（图（c）图（图（d）1.1 机构的组成机构的组成5. 机构机构n用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用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构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统n有一个构件为机架的运动链。有一个构件为机架的运动链。1.1 机构的组成机构的组成零件零件固定装配固

9、定装配构件构件可动连接可动连接机构机构机器机器传递和变换运传递和变换运动动对外做功对外做功制制造造机械机械1.2 机构运动简图机构运动简图1. 定义定义n仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例确定各运动副的相对位置，能表示机按一定比例确定各运动副的相对位置，能表示机构中各构件间相对运动关系的构中各构件间相对运动关系的简单图形简单图形。n为简明地表达机构的运动特性和工作原理，要为简明地表达机构的运动特性和工作原理，要去掉与运动无关的尺寸去掉与运动无关的尺寸、外外形形等因素等因素。n用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构用国标规定的简单符号

10、和线条代表运动副和构件。件。n确定确定构件和运动副的相对位置和性质构件和运动副的相对位置和性质，并按一，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。构的简明图形。n机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。212121222122. 常用运动副的符号常用运动副的符号两构两构件为件为活动活动构件构件有一有一个构个构件固件固定定转转动动副副11112两构两构件为件为活动活动构件构件有一有一个构个构件固件固定定1212121212121212移移动动副副齿轮齿轮的轮的轮齿与齿与轮齿轮齿接触接触凸轮凸轮与

11、从与从动件动件的接的接触触高高副副1212122121213. 一般构件的表示方法一般构件的表示方法固定固定构件构件同一同一构件构件4. 绘制机构运动简图的步骤绘制机构运动简图的步骤1）根据机构的实际结构和运动情况，）根据机构的实际结构和运动情况，找出机构的机架、找出机构的机架、原动件、工作构件原动件、工作构件；2）确定机构的传动部分，）确定机构的传动部分，即确定构件数以及运动副数、即确定构件数以及运动副数、类型类型；3）确定转动副的相对位置，即在转动副的位置绘制出确定转动副的相对位置，即在转动副的位置绘制出转动副符号转动副符号；4）用规定的构件和运动副符号，依次绘出机架、构件、用规定的构件和

12、运动副符号，依次绘出机架、构件、移动副，移动副，从而完成机构运动简图的绘制。从而完成机构运动简图的绘制。1234abc41(原动件原动件)2(工作构件工作构件)3(工作构件工作构件)4(机架机架)动画动画例例1abc141223344-1-2-3-41234abcabc4-1-2-3-4动画按钮动画按钮例例2动画按钮动画按钮14a2344-1-2-3-4cb动画按钮动画按钮ABC1234ABC例例3ABCABC例例4例例5ABCABC1234例例6例例71234ABC例例81.3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件1. 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件21A5B14E4D

13、CCD3机构的自由度机构的自由度F F：机构中各构件相对于机架所能有：机构中各构件相对于机架所能有 的独立运动的数目。的独立运动的数目。 12341机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件是：机构原动件个数等于是：机构原动件个数等于机构自由度的数目。机构自由度的数目。F0，构件间无相对运动，不成为机构。，构件间无相对运动，不成为机构。 原动件数原动件数=F，运动确定，运动确定F0, 原动件数原动件数F，机构破坏，机构破坏 2.平面机构自由度计算平面机构自由度计算n一个自由构件一个自由构件-3个自由度个自由度n一个转动副一个转动副-2个约束个约束n一个移动副一个移动副-2个约束个约束n一个高

14、副一个高副-1个约束个约束 设现有一个平面机构，设现有一个平面机构，K个构件，个构件，1个固定构件，个固定构件，n=K-1个活动构件，个活动构件，PL个低副，个低副，pH个高副。个高副。 平面机构的自由度数平面机构的自由度数=活动构件未用运动副连接活动构件未用运动副连接之前的自由度总数之前的自由度总数-运动副引入的约束总数运动副引入的约束总数 F=3n-（2PL+PH）=3n-2PL-PH2151443CDDCEAB12134F=1 F=2 3.计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项 1）复合铰链）复合铰链 定义：定义：两个以上构件同时在一处用转动副相连接两个以上构件同时在一

15、处用转动副相连接 处理办法：处理办法：m m个构件在同一处构成转动副，实际转动副数目个构件在同一处构成转动副，实际转动副数目 为（为（m-1m-1）个。）个。几种典型复合铰链)2(3hlppnF3DmFE56C4m7281AE11) 0102(73（1）有一个复合铰链，不存 在局部自由度和虚约束。复合铰链（2）n=7, PL=10, PH=0(3) F=3n2PLPH =37220-0 =1 解：2）局部自由度）局部自由度 21323323F hppnl11222323F hppnl定义定义在某些机构中，在某些机构中，不影响其他构件运动的自不影响其他构件运动的自由度称为由度称为局部自由度局部自

16、由度。处理办法处理办法把滚子固化把滚子固化在支承滚子的构件上。在支承滚子的构件上。3）虚约束）虚约束 定义：定义：对机构运动实际上不起限制作用的重复约束。对机构运动实际上不起限制作用的重复约束。 O31N143OA2MB10-42-33FBMAON1O300-62-43F其中AO1BO3MN（1 1）不同构件上两点间的距离保持恒定）不同构件上两点间的距离保持恒定 处理办法处理办法：将机构中构成虚约束的构件连同其所：将机构中构成虚约束的构件连同其所 附带的运动副去掉不计。附带的运动副去掉不计。 （2 2）如果两构件在多处接触而构成移动副，且移动方）如果两构件在多处接触而构成移动副，且移动方 向彼

17、此平行或重合，则只能算一个移动副。向彼此平行或重合，则只能算一个移动副。自由度为何不同自由度为何不同?平行移动副平行移动副（3 3）如果两构件在多处相配合而构成转动副，且转）如果两构件在多处相配合而构成转动副，且转动轴线重合，则只能算一个转动副。动轴线重合，则只能算一个转动副。同轴转动副同轴转动副（4）如果两构件在多处相接触而构成平面高副，且）如果两构件在多处相接触而构成平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合，则只能算一个各接触点处的公法线彼此重合，则只能算一个平面高副。平面高副。（5 5）在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链）在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链来传递运动来传递运

18、动 虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率 或者其它特殊需求；或者其它特殊需求； 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用； 虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果 这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动； 虚约束问题小结：虚约束问题小结： 机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装 配精度，以确保满足虚约束存在的条件。配

19、精度，以确保满足虚约束存在的条件。求图示机构的自由度求图示机构的自由度求图示机构的自由度求图示机构的自由度复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1234567219273F计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度复合铰链复合铰链各有两个移动副各有两个移动副转动副转动副 6移动副移动副 4构件构件 7自由度自由度1n 8，pL 11，pH 1，F 3n 2pL pH 3 8 2 11 1 1 1。216DKO3457CBA109HGFEIJ8216DKO3457CBA109HGFEIJ8111128323hl PPnF1.4 速度瞬心及其在机构速度分析上的应用速度瞬心及其在机构速度分析上的应用n1

20、.速度瞬心速度瞬心n2.速度瞬心法在机构速度分析上的应用速度瞬心法在机构速度分析上的应用A1(A2)B1(B2)12A2A1VB2B1VP121. 瞬心瞬心n定义：两个作平面相对运动的构件，在任一瞬时，定义：两个作平面相对运动的构件，在任一瞬时，其相对运动可看作是绕某一重合点的转动。其相对运动可看作是绕某一重合点的转动。n特性：相对速度为零特性：相对速度为零，绝对速度相等，绝对速度相等n类型：类型：n绝对速度瞬心绝对速度瞬心n相对速度瞬心相对速度瞬心n符号表示符号表示: Pijn1. 速度瞬心速度瞬心2. 2. 瞬心数目瞬心数目 2) 1(2kkCNkn在机构中的瞬心数目遵循组合规律，任意两在

21、机构中的瞬心数目遵循组合规律，任意两构件之间具有一个瞬心。构件之间具有一个瞬心。n公式公式3.3.瞬心位置的确定瞬心位置的确定 a a）两个构件之间用运动副连接的瞬心位置）两个构件之间用运动副连接的瞬心位置12P12（1）两个构件用）两个构件用转动转动副副连接时的瞬心位置连接时的瞬心位置（2）两个构件用）两个构件用移动移动副副连接时的瞬心位置连接时的瞬心位置（3 3）两个构件用）两个构件用平面高副平面高副连接时的瞬心位置连接时的瞬心位置 当两构件组成纯滚动的高副时，瞬心位于接触点当两构件组成纯滚动的高副时，瞬心位于接触点 当两构件组成滑动兼滚动的高副时，瞬心位于过接当两构件组成滑动兼滚动的高副

22、时，瞬心位于过接触点的公法线触点的公法线n-nn-n上上纯滚动纯滚动连滚带滑连滚带滑b) b) 两个构件之间没有用运动副连接的瞬心位置两个构件之间没有用运动副连接的瞬心位置三心定理：三心定理：作平面运动的三个构件有三个瞬心，且作平面运动的三个构件有三个瞬心，且位于同一直线上位于同一直线上。P13P13VP131234 1P13例例1 找出图示机构的瞬心找出图示机构的瞬心1-2-3 (P12P23) P13？解：瞬心数目解：瞬心数目N=？1-4-3 (P34P14) P13N=6个个1234P12P23P14P13P24P14P34P12P23P12P23P14P341234P12P23P14P13P241234P12P23P14P13P241234P12P23P14P13P241234P34P12P23P14P13P241234P34P12P23P14P13P241234ABC1q1234D3P12P24P14P34P23P13例例2确定瞬心数目 N=？N=6 (P12P23) P13(P34P14) P13(P12P14) P24(P23P34) P241P34P12P23P14P13P241234解：解：瞬心数为瞬心数为6个个(=N(N-1)/2=4(4-1)/2)直接观察能求出直接观察能求出 4个：个：P12