机械原理 潘存云课件 第2章 机构的结构分析

第2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机构运动简图及其绘制2－4机构具有确定运动的条件及自由度的计算2－5计算平面机构自由度时应注意的事项2－6机构的组成原理、结构分类及结构分析2－1机构结构分析的内容及目的内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法

2.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类目的:▲机构包含哪几个部分?▲各部分如何相联？▲如何把复杂的机构抽象成简单图形符号？为了便于研究2－1机构结构分析的内容及目的内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法2.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类目的:▲机构是否能动?▲运动是否确定？▲运动确定应满足什么条件？内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法2.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类2－1机构结构分析的内容及目的目的: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能满足运动确定性的要求。对于设计新机构具有重要意义2－1机构结构分析的内容及目的内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法2.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件3.研究机构的组成原理4.研究机构的结构分类目的: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的一般方法。2－2机构的组成名词术语解释:1.构件(Link)━━独立的运动单元零件(part)━━独立的制造单元内燃机中的连杆作者：潘存云教授内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母连杆盖轴瓦2.运动副(Kinematicpair)a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动运动副━━两个构件直接接触组成的仍能产生相对运动的联接。三个条件，缺一不可典型案例：运动副元素━━直接接触的部分（点、线、面）点接触运动副的分类：

1)按引入的约束数分有：

I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。I级副II级副III级副V级副IV级副

2)按相对运动范围分有：平面运动副━━平面运动(Plannar

kinematicpair)

空间运动副━━空间运动(Spatialkinematicpair)平面机构━━全部由平面运动副组成的机构。空间机构━━至少含有一个空间运动副的机构。球铰链螺旋

平面机构

空间机构

例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。

3)按运动副元素分有：①高副━━点、线接触，应力高(highpair)②低副━━面接触，应力低(lowerpair)例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。

4)按运动副元素始终保持接触方式分类有：①几何形状封闭运动副(form-closedpair)②力封闭运动副(force-closedpair)常见运动副符号的表示:国标GB4460－84详见教材：P20表2-1转动副移动副12121212121212121212121212122121常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副两构件之一为固定时的运动副平面运动副12122112122121121212平面高副螺旋副球面副球销副空间运动副121212一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件两副构件一般构件的表示方法构件绘制简图要点:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质！闭式链(Closechain)、开式链(Openchain)3.运动链(Kinematicchain)运动链━━两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。作者：潘存云教授若干1个或几个1个机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件4.机构机构━━具有确定运动的运动链。机架━━作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件━━按给定运动规律运动的构件。从动件━━其余可动构件。§2－3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对运动关系的简单图形。作用：

1.表示机构的结构和运动情况。

2.作为运动分析和动力分析的依据。机动示意图━━不按比例绘制的简图P23表2－2摘录了部分GB4460－84机构示意图。在机架上的电机机构名称3D模型简图外啮合圆柱齿轮机构常用机构运动简图符号圆锥齿轮机构交错轴斜齿轮机构常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图内啮合圆柱齿轮机构齿轮齿条机构常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图常用机构运动简图符号（续表）

凸轮机构机构名称3D模型简图圆柱蜗杆蜗轮传动常用机构运动简图符号（续表）

棘轮机构机构名称3D模型简图槽轮机构常用机构运动简图符号（续表）

链传动机构名称3D模型简图带传动常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图摩擦传动机构运动简图应满足的条件：

1）构件数目与实际相同

2）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成比例。绘制机构运动简图的思路与步骤：思路：机械的功用工艺动作执行构件原动件中间构件机架构件总数运动副类型运动副数量构件长度运动副位置绘制简图检验运动确定性绘图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm绘图平面运动副符号绘图比例尺绘制机构运动简图举例：例题一：绘制单缸内燃机运动简图。潘存云教授研制动画顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。84235167ACBD

E绘制机构运动简图举例：例题二：绘制偏心泵的运动简图。1234偏心泵作者：潘存云教授1234θ114θ123给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。θ42－4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123S3θ1S’3若同时给定θ1和θ4

，则θ3θ2

能唯一确定，该机构需要两个独立参数。自由度━━保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数。（Freedom）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∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。yxθ(x,y)F=3单个自由构件的自由度为3二、平面机构自由度的计算单个自由构件的自由度是多少？两个构件连接之后自由度有何变化？经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：yx运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=312Sxy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）

=3yx12θθS自由构件的自由度数＝自由构件的自由度数－约束数活动构件数

n

计算公式：F=3n－(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度

低副约束数

高副约束数3×n2×PL1

×Ph例题①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副数PH=0123推广到一般：例题②计算五杆铰链机构的自由度。解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副数PH=01

2

3

4

5例题③计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副数PH=11232－5计算平面机构自由度时应注意的事项例题④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH

高副数PH==3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！作者：潘存云教授12345678ABCDEF0结果正确吗？问题出在哪？1）复合铰链——两个以上构件在同一处以转动副相联复合铰链数：m个构件,有m－1转动副。注意：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。圆盘锯机构作者：潘存云教授12345678ABCDEF两个低副例题⑥计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且对于左边的机构，有：F=1123122）局部自由度F=3n－2PL－

PH－FP=3×3－2×3－1－1=1本例：FP=1或计算时去掉滚子和铰链：

F=3×2－2×2－1=1局部自由度——构件局部运动所产生的自由度。计算时应去掉Fp!出现在加装滚子的场合滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。12312解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=

03）虚约束(formalconstraint)虚约束——对机构的运动实际不起作用的约束。∵FE＝AB＝CD

，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。例题⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。作者：潘存云教授1234ABCDEF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4！n=3，PL=4，F=3n－2PL

－PH=3×3－2×4=1PH=

0作者：潘存云教授1234ABCDEF重新计算：

4EF动画特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：AB＝CD＝EF出现虚约束的场合：（1）两构件联接前后，联接点的轨迹重合如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明)（2）两构件构成多个移动副，且导路平行牛头刨床油压机立柱3）两构件构成多个转动副，且同轴机床进刀丝杠内燃机曲轴EF4）运动时，两构件上的两点距离始终不变天平5）对运动不起作用的对称部分多个行星轮6）两构件构成高副，两处接触，且法线重合如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2AA’虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如火车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!分析：活动构件数n=10复合铰链:局部自由度:1个虚约束:2处去掉局部自由度和虚约束后：1处n=8PL=11PH=1HC’23145ILBAEGK678910FJ11CD例题⑧计算图示机构的自由度，已知：AB＝CD＝EFC’H723145ILBAEGK68910FJ11CDF=3n－2PL

－PH

=3×8－2×11

－1=12个低副作者：潘存云教授B2I9C3A1J6H87DE4FG5例题⑨计算图示包装机送纸机构的自由度分析：活动构件数n=9复合铰链:局部自由度2个虚约束:1处去掉局部自由度和虚约束后：I9A1B2C3J6H87DE4FG51处n=6PL=7F=3n－2PL－PH=3×6－2×7－3=1PH=32个低副I9

2-6机构的组成原理、结构分类及结构分析一、机构的组成原理

1）基本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(如油缸、气缸、直线电机等)b)原动件作转动(如电动机)21212）基本杆组基本杆组━━最简单的F＝0的构件组。机构具有确定运动的条件是:F=1F=0设想：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F＝1。剩下的构件组必有F＝0将构件组继续拆分成更简单F＝0的构件组，直到不能再拆为止。原动件数＝自由度713245678举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。重要结论：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，构成了该八杆机构。推论：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。机构的组成原理：机构＝基本机构＋基本杆组3）机构的组成原理设计新机构的原则：

1)结构最简性原则。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越少越好。

2)运动不干涉原则。添加杆组时，必须保证构件组中所有的构件仍能运动。特别注意：杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则，构件将发生运动干涉而成为刚体。二、机构的结构分析

∵PL

为整数，∴n只能取偶数。

n＝24n>4已无实例了!PL

＝

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n=2的杆组称为Ⅱ级组━━应用最广而又最简单的基本杆组。共有5种类型设基本杆组中有n个构件，则由条件F＝0有：

F＝3n－2PL－Ph＝0PL＝3n/2(低副机构中Ph＝0)

n=4（PL＝6）的杆组有以下四种类型:这三种形式称为Ⅲ级组。结构特点：其中一个构件有三个运动副。典型Ⅱ级组：第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构内端副━━杆组内部相联。外端副━━与组外构件相联。机构按所含最高杆组级别命名，如Ⅱ级机构，Ⅲ级机构等。713245678图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。特别注意：机构的级别与原动件的选择有关Ⅲ级机构71324