机械原理 第二章机构的结构

12/18/2022第二章机构的结构分析§2-1机构结构分析的内容及目的§2-2机构的组成§2-3机构运动简图§2-4机构具有确定运动的条件§2-5机构自由度的计算§2-6计算平面机构自由度时应注意的事项§2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析返回§2-1机构结构分析的内容及目的主要内容及目的是：研究机构的组成及机构运动简图的画法；了解机构具有确定运动的条件；研究机构的组成原理及结构分类。是两构件参与接触而构成运动副的表面。是两构件直接接触而构成的可动连接；§2-2机构的组成1.构件零件是机器中的一个独立制造单元体；构件是机器中的一个独立运动单元体。从运动来看，任何机器都是由若干个构件组合而成的。任何机器都是由许多零件组合而成的。气缸体连杆体连杆头曲轴齿轮活塞2.运动副运动副运动副元素例2-1轴与轴承、滑块与导轨、两轮齿啮合。3）按其相对运动形式分转动副（回转副或铰链）移动副螺旋副球面副运动副还可分为平面运动副与空间运动副两类。2）按其接触形式分高副：点、线接触的运动副低副：面接触的运动副（1）运动副的分类1）按其引入的约束数目分：Ⅰ级副、Ⅱ级副、……Ⅴ级副。机构的组成(2/4)3.运动链构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）平面闭式运动链空间闭式运动链平面开式运动链空间开式运动链（2）运动副符号运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。各种常用运动副模型常用运动副的符号表机构的组成(3/4)但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。——按给定已知运动规律独立运动的构件；4.机构具有固定构件的运动链称为机构。机架原动件从动件——机构中的固定构件。——机构中其余活动构件。平面铰链四杆机构机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。空间铰链四杆机构一般机架相对地面固定不动，常以转向箭头表示。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。机架原动件从动件机架从动件原动件机构的组成(4/4)不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的简图。根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，§2-3机构运动简图在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。1.机构运动简图

例2-2

内燃机机构运动简图。机构运动简图

采用运动副及常用机构运动简图符号和构件的表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。机构示意图举例：（2）选定视图平面；（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。机构运动简图(2/2)2.机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：（1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制§2-4机构具有确定运动的条件一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？两个例子例2-3铰链四杆机构例2-4

铰链五杆机构若给定机构一个独立运动，则机构的运动完全确定；若给定机构两个独立运动，则机构的最薄弱环节损坏。若给定机构一个独立运动，则机构的运动不确定；若给定机构两个独立运动，则机构的运动完全确定。

机构的自由度机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用F表示。结论机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目F。如果原动件数<F,如果原动件数>F,则机构的运动将不确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。机构具有确定运动的条件(2/2)结论：

机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目F。§2-5机构自自由度度的计计算1.平平面机机构自自由度度的计计算（1））计算算公式式F＝3n－(2pl＋ph)式中：：n为机构构的活活动构构件数数目；；pl为机构构的低低副数数目；ph为机构构的高高副数数目。(2)举例例1）铰铰链四四杆机机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2××4－0＝12）铰铰链五五杆机机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3××4－2××5－0＝2其约束束数为为i(i=1,2,...5)，，则2.空空间机机构自自由度度的计计算（1））一般般空间间机构构自由由度的的计算算设一空空间机机构共共有n个活动动构件件，pi个i级运动动副，，F＝6n－(5p5＋4p4＋3p3＋2p2＋p1)＝6n－Σipii=15例2-5空间四四杆机机构解F＝6n－5p5－4p4－3p3＝6××3－5××2-3××1-4×1＝13）内内燃机机机构构F＝3n－(2pl＋ph)＝3××6－2××7－3＝1机构自自由度度的计计算(2/4)例2-6楔形滑滑块机机构解因此机机构为为全移移动副副平面面机构构，故故m＝4，，则F＝(6－m)n－(5－m)p5＝(6－4)××2－(5－4)××3＝1（2））含公公共约约束的的空间间机构构自由由度的的计算算公共约约束F＝(6－m)n－Σ(i－m)pii=m+15由上式式可知知，公公共约约束m=0,1,2,3,4。。故相相应的的机构构分别别称为0族、、1族族、2族、、3族族、4族机机构（五类类）。。是指机机构中中所有有构件件均受受到的的共同同的约约束，，以m表示。。机构自自由度度的计计算(3/4)（3））空间间开链链机构构的自自由度度计算算因空间开链机构运动副总数p(=Σpi)等于其活动构件数n，i=15＝6n－Σ(6－fi)pii=15＝Σfipii=15式中，，fi为i级运动动副的的自由由度，，fi＝6－－i。例2-7机械手手开链链机构构解F＝(6－5)p5＋(6－4)p4＝1××7＋＋2××1＝9因机械械手具具有9个自自由度度，故故它运运动的的灵活活性较较大，，可绕绕过障障碍进进入作作业区区。F＝6n－Σipii=15故机构自自由度度的计计算(4/4)如果两两构件件在多多处接触而而构成成运动动副，，且符符合下下列情情况者者，则为同同一运运动副副，即即只能能算一一个运运动副副。§2-6计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项1.要要正正确确计计算算运运动动副副的的数数目目由m个构构件件组组成成的的复复合合铰链链，，共共有有(m-1)个个转转动动副副。。（1））复合合铰铰链链（2））同一一运运动动副副1））移移动动副副，，且且移移动动方方向向彼彼此此平平行行或或重合合；；2））转转动动副副，，且且转转动动轴轴线线重重合合；；3））平平面面高高副副，，且且各各接接触触点点处处的的公公法法线彼彼此此重重合合。。是指指机机构构中中某某些些构构件件所所产产生生的的不不影影响响其其他他构构件件运运动的的局局部部运运动动的的自自由由度度，，如果果两两构构件件在在多多处处接接触触而而构构成成平平面面高高副副，，但但各各接接触触点点处处的的公公法法线线方方向向并并不不彼彼此此重重合合，，则则为为复复合合高高副副，，相相当当于于一一个个低低副副（（移移动动副副或或转转动动副副））。。（3））复合合平平面面高高副副2.要要除除去去局局部部自自由由度度局部部自自由由度度以F′表表示示。。计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项(2/6)滚子子绕绕其其轴轴线线的的转转动动为为一一个个局局部部自自由由度度，，在计计算算机机构构自自由由度度时时，，应应将将F′从从计计算算公公式式中中减减去去，，即即例2-8滚子子推推杆杆凸凸轮轮机机构构解F＝3n－(2pl＋ph)－－F′故凸凸轮轮机机构构的的自自由由度度为为F＝3××3－(2××3＋＋1)－1＝13.要要除除去去虚虚约约束束虚约约束束是指指机机构构中中某某些些运运动动副副带带入入的的对机机构构运运动动起起重重复复约约束束作作用用的的约约束束，，以以p′表表示。。例2-9平行行四四边边形形四四杆杆机机构构F＝3n－(2pl＋ph)－－F′＝3××3－－(2××4＋＋0)－－0＝＝1计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项(3/6)当增增加加一一个个构构件件5和两两个个转转动动副副E、F，且BEAF，则∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－－F′＝3××4－－(2××6＋＋0)－－0＝0原因因：：构件件5和两两个个转转动动副副E、、F引入入的的一一个个约约束束为为虚虚约约束束。。在计计算算机机构构的的自自由由度度时时，，应应从从机机构构的的约约束束数数中中减减去去虚虚约约束束数数目p′，，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－－F′如平平行行四四边边形形五五杆杆机机构构的的自自由由度度为为F＝3××4－－(2××6＋＋0－－1)－－0＝1计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项(4/6)（1））轨轨迹迹重重合合的的情情况况在机机构构中中，，如如果果用用转转动动副副连连接接的的是是两个个构构件件上上运运动动轨轨迹迹相相重重合合的的点点，，该该连连接接将将带带入入1个个虚虚约约束束。。例如如椭椭圆圆仪仪机机构构就就是是这这种种情情况况（（图图中中：：∠∠CAD＝90°°，，BC＝BD）。。显然然，，转转动动副副C所连连接接的的C2、C3两点点的轨轨迹迹重重合合，，将将带带入入一一个个虚虚约约束束。。（2））用用双双副副杆杆连连接接两两构构件件上上距距离离恒恒定定不不变变的的两两点点的的情情况况在机机构构运运动动过过程程中中，，如如果果两两构构件件上上两两点点之之间间的的距距离离始始终终保保持持不变变，，若若用用一一双双副副杆杆将将此此两两点点相相连连，，也也将将带带入入一一个个虚虚约约束束。。计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项(5/6)4．．机机构构中中的的虚虚约约束束常常发发生生的的几几种种情情况况例如如图图示示平平行行四四边边形形机机构构就就属属于于此此种种情情况况。。显然然，，构构件件5和和转转动动副副E、F所联联接的的两两点点间间的的距距离离始始终终保保持持不不变变，，故故带入入一一个个虚虚约约束束。。（3））结结构构重重复复的的情情况况在机机构构中中，，不不影影响响机机构构运运动动传传递递的的重重复复部部分分所所带带入入的的约约束束为为虚约约束束。。例如如图图示示轮轮系系就就属属于于这这种种情情况况。。显然然，，从从机机构构运运动动传传递递来来看看，，仅仅有一一个个齿齿轮轮就就可可以以了了，，而而其其余余两两个个齿齿轮并并不不影影响响机机构构的的运运动动传传递递，，故故带带入入了虚虚约约束束，，且且p′＝2。。计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项(6/6)§2-7虚约约束束对对机机构构工工作作性性能能的的影影响响及机机构构结结构构的的合合理理设设计计1.虚虚约约束束对对机机构构工工作作性性能能的的影影响响（1））虚虚约约束束的的作作用用（2））虚虚约约束束对对机机构构运运动动的的影影响响虚约约束束是是存存在在于于某某些些特特定定几几何何条条件件下下的的，，但但这这些些条条件件不不满满足足时时，，它它就就将将成成为为实实际际有有效效的的约约束束，，从从而而影影响响到到机机构构的的性性能能。。例如如平平行行四四边边形形机机构构，，若误误差差较较小小，，则则机机构构装装配配困困难难，，应力力将将增增大大，，运运动动不不灵灵活活；；若误误差差较较大大，，则则机机构构无无法法装装配配，，若若勉强强装装配配，，则则传传动动效效率率低低，，易易损损坏坏。。为了改善构件的受力情况；增加机构的刚度；保证机械通过某些特殊位置。机构构中中的的虚虚约约束束数数越越多多，，制制造造精精度度要要求求越越高高，，制制造造成成本本也也就就越越高高。。结论论从保保证证机机构构运运动动灵灵活活性性和和便便于于加加工工装装配配方方面面来来说说，，应应尽量量减减少少机机构构的的虚虚约约束束。。因因此此，，虚虚约约束束的的多多少少是是机机构构性性能能的的一一个个重要要指指标标。。2.机机构构结结构构的的合合理理设设计计机构构结结构构的的合合理理设设计计是是指指在在不不影影响响机机构构其其他他性性能能的的前前提提下下，，通过过运运动动副副类类型型的的合合理理选选择择和和装装配配来来尽尽可可能能减减少少虚虚约约束束的的问问题题。。（1)族别别虚虚约约束束将某某些些机机构构视视为为0族族机机构构时时机机构构所所存存在在的的虚虚约约束束的的数数目目，，以以p″表表示示，，则p″＝＝F－F0式中中：：F为机机构构的的实实际际自自由由度度；；F0为机机构构被被视视为为0族族机机构构时时的的自自由由度度数数目目。。虚约约束束对对机机构构工工作作性性能能的的影影响响及及机机构构结结构构的的合合理理设设计计(2/4)例2-10平面面铰铰链链四四杆杆机机构构F＝(6－m)n－(5－m)p5＝(6－3)×3－－(5－3)×4＝1F0＝6n－5p5＝6×3－－5×4＝－2故p″＝F－F0＝1－(－－2)＝3显然，这三三个族别虚虚约束存在在的条件是是：所有铰链的的轴线要彼此平行。。若不满足上上述条件，，则机构将将变成为F0＝－2的结结构了。（2）消除除或减少族族别虚约束束的方法通过合理选选择和配置置运动副的的类型来消消除或减少少机构中族族别虚约束。虚约束对机机构工作性性能的影响响及机构结结构的合理理设计(3/4)例2-11铰链四杆机机构将转动副B、C改为球面副副和球销副副，则机构构变为0族族机构，即无族别虚虚约束。F＝6n－5p5－4p4－3p3＝6×3－－5×2－－4×1－－3×1＝1例2-12曲柄滑块机机构将转动副C变为球面副副，则此机机构可减少2个族别别虚约束。。例2-13正切机构将其低副用用高副替代代，即变为为含点接触触的高副机机构，则此此机构中无无虚约束。。虚约束对机机构工作性性能的影响响及机构结结构的合理理设计(4/4)任何机构都都可看作是由若干个个基本杆组组依次连接接于原动件件和机架而构成成的。不能再拆的的最简单的的自由度为零的的构件组，，称阿苏尔或杆组。§2-7平面机构的的组成原理理、结构分类及结构构分析1.平面机机构的组成成原理例2-14颚式碎矿机机1）基本杆组：2）机构组成原原理：例2-15颚式碎矿机机注意在杆组并接接时，不能能将同一杆杆组的各个外外接运动副副接于同一一构件上，，否则将起不到到增加杆组组的作用。。（1）基本本杆组的条条件3n－2pl－ph＝0式中n、pl及ph分别为基本本杆组中的的构件数、、低副数和和高副数。。全为低副杆杆组的条件件3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）杆组组的基本类类型1）Ⅱ级杆组由2个构件件和3个低低副构成的的杆组。2）Ⅲ级杆组由4个构件件和6个低低副构成的的杆组。平面机构的的组成原理理、结构分分类及结构构分析(2/4)3.平面机机构的结构构分析