机械原理机构的结构分析课件

第二章机构的结构分析

基本内容：(1)机构结构分析的内容及目的。(2)机构的组成。(3)机构运动简图。(4)机构具有确定运动的条件。(5)平面机构自由度的计算。(6)计算平面机构的自由度时应注意的事项。(7)机构的组成原理及平面机构的结构分类。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

教学基本要求：(1)搞清运动副、运动链、约束和自由度等重要概念。(2)掌握平面机构自由度的计算方法及其具有确定运动的条件。(3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。(4)明确机构组成的概念，了解平面机构的组成原理。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

重点：(1)运动副及其分类。(2)平面机构的自由度计算及具有确定运动的条件(3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。难点：机构运动简图绘制、机构中的虚约束的判定问题。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

第一节机构结构分析的内容及目的机构运动的可能性及其具有确定运动的条件研究机构的组成，绘制机构运动简图研究机构的组成原理机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

第二节机构的组成机构分为两大类：平面机构空间机构

机构是由构件和运动副两个要素组成的机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

1.构件

构件是指作为一个整体参与机构运动的刚性单元体。一个构件，可以是不能拆开的单一零件，也可以是由若干个不同零件装配起来的刚性体。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

构件与零件的区别：零件是从制造加工角度提出的最小单元概念，即零件是制造加工的最小单元，是组成机器最基本的、不可再拆分的单元。

构件则是从运动和功能实现的角度提出的最小单元概念，即构件是最小的独立运动单元，从运动角度讲，构件是一个刚体。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

2.运动副

两构件间的直接接触而又能产生一定相对运动的活动连接称为运动副。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

两构件上参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。

构件之间的接触不外乎点、线、面三种形式，运动副元素也不外乎是点、线、面。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

对运动副的理解要把握以下三点：（１）运动副是一种联接（接触）；（２）运动副由两个构件组成；（３）组成运动副的两个构件之间有相对运动。可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

一个构件在三维空间自由运动时，有6个自由度：沿三个坐标轴的移动绕三个坐标轴的转动。两构件间的运动副所起的作用就是限制构件间的某些相对运动，这种相对运动的限制作用称为约束。

若运动副的自由度用f表示，约束用s表示，则自由度和约束的关系为：。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

3.运动副的分类1）根据运动副所引入的约束数分类

引入一个约束称为Ⅰ级副，引入两个约束称为Ⅱ级副，依次类推，还有Ⅲ级副、Ⅳ级副，最末为Ⅴ级副。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

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2）根据组成运动副的两运动副元素的接触情况分类

运动副元素以点或线接触的运动副称为高副，运动副元素以面接触的运动副称为低副。球面高副柱面高副机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

球面低副移动副转动副机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

3）根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动副（回转副、铰链），相对运动为移动的运动副称为移动副，相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副，相对运动为球面运动的运动副为球面副。螺旋副机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

两构件间相对运动的平面平行，则称为平面运动副，否则称为空间运动副。

平面运动副，它只有转动副、移动副（统称为低副）和平面高副三种形式。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

平面高副是两构件以点或线的形式相接触而形成的运动副，这种运动副允许两构件在接触点A绕垂直于平面的Z轴作相对转动和沿切线t-t方向作相对移动，而只约束掉沿着轮廓线接触点A公法线方向的移动自由度。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

运动副必须始终保持接触。若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称为几何封闭运动副。若借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副称为力封闭运动副，如凸轮机构。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

4.运动链

两个以上构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统称为运动链。

闭式运动链开式运动链

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5.机构

如将运动链中的某个构件固定，使之成为机架，而让另一个或几个构件按给定的运动规律相对于固定构件运动，其余构件都随之具有确定的相对运动，则这个运动链即成为机构。机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件，随主动件运动的构件称为从动件。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

第三节机构运动简图机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

在研究机构的运动时，只需按规定符号表示运动副、常用机构、及一般构件，并按一定的比例尺表示机构的运动尺寸和运动副的位置，绘制表示机构各构件间相对运动关系的简化图形，将机构的运动传递情况表示出来，这种图形被称为机构运动简图。

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机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

绘制机构运动简图的步骤：1）确定机构的原动件和执行件，两者之间为传动部份，确定出组成机构的所有构件，确定出构件间运动副的类型。2）恰当地选择投影面，将机构运动简图表示清楚。3）选择适当的比例尺（μ＝实际尺寸/图示尺寸），定出各运动副之间的相对位置，用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例1：图示为一颚式破碎机，当曲柄1绕轴心O连续回转时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎，试绘制此破碎机的机构运动简图。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

4321FO6CBDEA5机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例2：绘制图示牛头刨床机构的运动简图。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

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例3：绘制图示活塞泵的机构运动简图。

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第四节机构具有确定运动的条件ABCDAEBCD机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

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，用F表示。

为了使机构具有确定的运动，则机构的原动件数目应等于机构的自由度的数目，这就是机构具有确定运动的条件。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

讨论：1231）若机构自由度F≤0，则机构不能运动（桁架）。2)若Ｆ>0且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的；这就是机构具有确定运动的条件。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

3)若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的；4）若Ｆ>0，而原动件数>F，则构件间不能运动或产生破坏。机构具有确定运动的条件：机构的自由度数目应等于机构的原动件数目，且自由度大于0。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

第五节机构自由度的计算θ(x,y)F=3yx

在平面机构中，各构件只作平面运动。

一个作平面运动的自由构件（刚体），具有三个自由度：

沿X轴及Y轴的移动和绕与运动平面垂直的轴线转动。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

Syx12xy1212yxθR=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

平面机构共有n个活动构件，3n个自由度。若各构件之间共构成PL个低副和PH个高副，则共引入了（2PL+PH）个约束。机构的自由度F：

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例4：例1中颚式破碎机的自由度。4321FO6CBDEA5机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例5：例2牛头刨床的自由度。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例6：求只有一个原动件的五杆机构的自由度。AEBCD机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例7：例3中活塞泵机构的自由度。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

第六节计算平面机构自由度时应注意的事项机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例8：计算圆盘锯机构的自由度。？机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

1.复合铰链

两个以上构件在同一处以转动副的形式相连接，所组成的转动副称为复合铰链。

若有m个构件在一处构成复合铰链，则其所构成的转动副数应为m-1个。

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在上例的圆盘锯机构中，在A、B、C、D处都是3个构件组成的复合铰链，故在这四处各具有两个转动副。

7个活动构件，10个转动副，根据公式，该机构的自由度为：机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例9：计算图示凸轮机构的自由度。

左图凸轮机构，活动构件数为3，3个低副，1个高副，自由度为：？

右图凸轮机构，滚子与推杆连成一体成为一个构件，这时，活动构件数为2，2个低副，1个高副，自由度为：机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

2.局部自由度不影响整个机构运动的自由度，称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。即有公式：

上例左图中的凸轮机构，由1个局部自由度，此时机构的自由度应为：为局部自由度数目。

为了防止计算差错，在计算自由度时，也可以设想将产生局部运动的构件与其连接的构件视为焊接在一起，以达到消除局部自由度的目的。

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3.虚约束

在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。MN与AB、CD平行且相等？机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

在计算机构自由度时，因从机构的约束数中减去虚约束数，若设虚约束数目为，则这时机构的自由度为：上例的自由度为：

也可以将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再按以前公式计算：机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

机构中的虚约束常发生在以下几种情况：1）移动副导路平行当两构件组成多个移动副，且其导路相互平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都为虚约束。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

2CAB134机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

2)转动副轴线重合当两构件构成多个转动副，且轴线相互重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

3)轨迹重合如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

椭圆仪机构，AB=BC=BD，AD与AC垂直，构件2上的C点与构件3上的C点皆沿X轴运动，轨迹重合，此处的转动副和移动副为虚约束。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

4）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束也可以去掉产生虚约束的构件和运动副，再进行自由度计算：机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

5)如果两构件在多处接触而构成平面高副，且在接触点处的公法线彼此重合,则只能算一个平面高副。

如果两构件在多处相接触所构成的平面高副，在各接触点处的公法线方向彼此不重合，就构成复合高副，它相当于一个低副（转动副或移动副）。机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

机构中的虚约束都是在一定特定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束就会变成实际有效的约束。

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例10：计算大筛机构的自由度。MH机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例11（P17例2-8）：计算包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否具有确定的运动。机械原理机构的结构分析

例12试审查图示简易冲床的设计方案简图是否合理？为什么？如不合理，请绘出正确的机构简图。可将机构简图修改为：F=3n–2Pl–Ph=3×3-2×4-1=0F=3n–2Pl–Ph=3×4-2×5-1=1第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析例13

计算图示机构的自由度，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。解：分析局部自由度1个虚约束复合铰链机械原理机构的结构分析局部自由度1个虚约束复合铰链n=8F=3n-2Pl-Ph=3

8-2

11–1=1Pl=11Ph=1机械原理机构的结构分析第二章机构的结构分析

例14：计算图所示机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。机械原理机构的结构分析F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－8111＝

1例15：如图所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。机械原理机构的结构分析

去掉机架和原动件,余下的是从动件系统，它的F=0。最简单的、不可再分的、自由度为零的构件组称为基本杆组。第二章机构的结构分析

第七节平面机构的组成原理、结构分类及结构分析1.平面机构的组成原理机械原理机构的结构分析机架原动件从动件组第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析从动件组当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下的从动件组为：这个从动件组的自由度为零，即：

这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析分解？？？？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。

通常把这样的从动件组称为：基本杆组

基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析

任何机构都包含有机架、原动件和从动件系统。所以机构可以看成由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统，这就是机构的组成原理。第二章机构的结构分析

根据上述原理，当对现有机构进行运动分析或动力分析时，可将机构分解为机架和原动件以及若干个基本杆组，然后对相同的基本杆组以相同的方法进行分析。机械原理机构的结构分析

当设计一个新机构的机构运动简图时，可先选定一个机架，并将数目等于机构自由度数的F个原动件用运动副连于机架上，然后再将一个个基本杆组依次连于机架和原动件上，从而就构成一个新机构。E4F523BCD61A1A623BCDE4F5机械原理机构的结构分析如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：

由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数，所以

n应是２的倍数，PL应是３的倍数。

这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2,PL=3或n=4,PL=6或n=6,PL=92.平面机构的结构分类第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析

最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为Ⅱ级杆组。Ⅱ级杆组是机构中最常见的一类基本杆组Ⅱ级杆组有以下五种形式：（１）RRR杆组（２）RRP杆组第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析（３）RPR杆组（４）PRP杆组（５）RPP杆组第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析除Ⅱ级杆组外，还有Ⅲ、Ⅳ级等较高级的基本杆组。

由4个构件和6个低副组成的，其中具有三个内运动副组成的闭廓的杆组称为Ⅲ级杆组。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析

具有由四个内运动副组成的闭廓的杆组称为Ⅳ级杆组。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析

（在同一机构中可以同时包含不同级别的基本杆组），把机构中包含的基本杆组的最高级数称为该机构的级数。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析平面机构的结构分析的步骤：

1)计算机构的自由度并确定原动件。（先去除局部自由度和虚约束）

2)拆杆组。从远离原动件处开始→Ⅱ级（不行）→Ⅲ级→直到只剩Ⅰ级（每拆出一个杆组后，剩下的仍能组成机构，且F不变）

3）确定机构的级别。第二章机构的结构分析

3.平面机构的结构分析机械原理机构的结构分析Ⅲ级机构例16：确定如图八杆机构的级别。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析例17：计算图示机构自由度，并确定机构的级别。F＝3n－(2PL＋PH)

＝３×５－２×７＝１Ⅱ级机构.第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析例18：如图所示颚式破碎机，确定该机构的级别。

1、计算机构的自由度F=3×5－2×7=12、拆杆组4杆6副，但非三级杆组，可再拆II级杆组3、确定机构的级别：Ⅱ级机构机械原理机构的结构分析注意：同一机构，原动件不同拆出的杆组不同，机构的级别也不同。+III级杆组III级机构第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析例19：确定图示机构的级别。（１）计算自由度（构件1为原动件）F=3×7－2×10－0=1（2）拆杆组：（3）确定级别：Ⅲ级机构。第二章机构的结构分析

机械原理机构的结构分析将原动件改为构件８第二章机构的结构分析

Ⅱ级机构机械原理机构的结构分析高副低代的条件是：

1）代替前后机构的自由度完全相同。2）代替前后机构的运动状况（位移，速度，加速度）相同。4.平面机构中的高副低代第二章机构的结构分析

为了使平面低副机构的结构分析和运动分析方法能适用于含有高副的平面机构，可根据一定的约束条件将平面机构中的高副虚拟地用低副代替，即为高副低代。机械原理机构的结构分析高副两元素均为圆弧AK2K1Br2r1

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212分析：高副：提供1个约束低