第2章机构的组成和结构分析

第2章机构的组成和结构分析主要内容构件、运动副、运动链、机构的概念；机构运动简图；机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件，计算自由度时的几个本卷须知；平面机构的组成原理与结构分析。根本要求了解机构的组成，搞清运动副、运动链、约束和自由度等根本概念；能绘制常用机构的机构运动简图；能计算平面机构的自由度；

理解平面机构的组成原理，能对平面机构进行结构分析。1.

2.1.1构件机械的独立运动单元，传递运动和力的载体。实例：内燃机中的缸体、活塞、连杆、曲轴等。内燃机连杆2.1机构的组成2.

一个构件大多由几个零件刚性连接组成。实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性连接组成。连杆体连杆盖螺栓垫圈螺母连杆衬套轴瓦零件是机械的制造单元。3.2.1.2运动副两个构件以一定几何形状和尺寸的外表相互接触所形成的可动连接。运动副元素—两个构件上相互接触而构成运动副的外表。约束—运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。(avi)运动副元素4.机构是由运动副逐一连接各个构件组成的。(avi)(avi)5.特点具有较多的自由度，易于构件的自动调整，保持静定特性。接触应力大，易变形、易磨损、承载能力低。制造比较困难。适用场合结构简单，运动精度要求较高，受力较小。构件的不同接触形式点接触

点接触，f

5,s

1线接触，f

4,s

2线接触6.面接触

特点相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。运动副的自由度一般较低，其接触状况对尺寸、形状及相对位置误差十分敏感，实际接触及受力状况难以准确确定，需要较高的制造精度。保证运动副可靠工作的措施●提高外表硬度●正确选用材料●添加润滑剂●参加中间体,将滑动摩擦改为滚动摩擦7.运动副的分类●按运动副引入的约束数分类I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。●按运动副的接触形式分类面与面接触的运动副—低副点、线接触的运动副—高副●按两构件相对运动的形式分类平面运动副空间运动副●按接触局部的几何形状分类圆柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圆柱副、圆柱–平面副等等。8.柱面高副(avi)

★运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。球面高副(avi)9.移动副(avi)球面低副(avi)回转副(avi)★运动副元素以面接触的运动副称为低副。10.螺旋副(avi)圆柱套筒副(avi)★空间运动副球销副(avi)11.

★平面运动副——应用最广泛。平面运动副的约束数为1

s

2A.低副移动副(avi)转动副(avi)齿轮副(avi)凸轮副(avi)B.高副12.运动副的封闭

保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。●

几何封闭

●

力封闭弹簧力封闭重力封闭几何封闭13.常用运动副的符号运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副121212121212212121平面运动副两构件之一为固定时的运动副121222112211222112运动副名称14.平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副1212空间运动副122112平面运动副2115.

2.1.3运动链

构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统。开式运动链(avi)闭式运动链(avi)开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。16.2.1.4机构

运动链中的某一构件加以固定成为机架，称此运动链为机构。其余构件运动是否确定？机构满足条件在另一个（或几个）构件上加上已知运动21341432运动链

4132固定一个构件机构(avi)17.曲柄滑块机构曲柄摇块机构转动导杆机构

运动链的生成是创造、获取新机构的重要手段。运动链的设计只关注构件数和连接这些构件的运动副的数量和类型，所以又称为机构的型数综合。

同一运动链可以生成的不同机构431CAB21423ABC1432ABCAB124318.至少1个1个

构件的类型原动件—机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件。从动件—其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件或执行构件。机架—固定不动的构件。机构机架

原动件

从动件系统19.

根据机构中各构件的相对运动是否在同一平面或平行平面内，可将机构分为平面机构和空间机构。空间RSRC机构球面4R机构空间RSSP机构平面机构是我们的主要研究对象。20.

2.2.1.机构运动简图的定义

机构运动简图是从运动学角度出发，将实际机械中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到的反映实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。机构运动简图应满足的条件：

⑴构件数目与实际机构相同；⑵运动副的性质、数目与实际机构相符；⑶运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。

机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结构特征。2.2机构运动简图21.构件的表示方法

杆、轴构件固定构件同一构件22.三副构件

两副构件

构件的表示方法23.

画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。24.常用机构运动简图符号〔摘自GB/T4460-1984〕在机架上的电机齿轮齿条传动圆锥齿轮传动带传动25.链传动圆柱杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动常用机构运动简图符号〔续〕26.常用机构运动简图符号〔续〕内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构27.2.2.2绘制机构运动简图的步骤1.分析机构的运动路线在绘制机构运动简图时，首先确定机构的原动件和执行件，两者之间为传动部份，由此确定出组成机构的所有构件；构件之间的是连接，即运动副，从而确定构件间运动副的类型。2.选择适宜的投影面一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，必要时也可以就机械的不同局部选择两个或两个以上的投影面，然后展开到同一平面上。3.保证运动副之间的相对位置——准确性选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后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——机构的运动简图。28.绘制破碎机机构的运动简图选取比例尺μl

(avi)29.试绘制该机构运动简图(avi)30.1.机构的自由度计算机构的自由度—机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数〔广义坐标〕的数目。

2.3机构自由度的计算空间运动31.

平面机构，其自由度计算公式为：空间机构自由度：构件总自由度6nI级副约束数p1II级副约束数2p2III级副约束数3p3IV级副约束数4p4V级副约束数5p5考察由N个构件组成的机构，活动构件数

n=N-1。32.机构自由度计算举例例1缝纫机脚踏板机构自由度计算例2

曲柄滑块机构自由度计算分析：n

3，p5

2，p4

1，p3

1计算：F

6

3

(3

1

4

1

5

2)

1只要给定1个独立位置参数，各构件间的相对位置关系就确定了。

分析：n

3，pL

4，pH

0计算：F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1只要给定1个独立位置参数，各构件间的相对位置关系就确定了。

曲柄滑块机构1432ABC124C3ADB缝纫机脚踏板机构33.

2.

机构具有确定运动的条件机构能否具有确定的运动，是提出新的设计方案时，自行评价方案可行性的关键步骤。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

5

1约束过多，成为超静定桁架，不能运动。

F

3n

2pL

pH

3

2

2

3

0为一刚性桁架，不能运动。

机构具有确定运动的首要条件：机构自由度必须大于零。AB12C3平面三构件机构1243ADBCE平面四构件机构34.

在F

0的条件下，进一步判断机构是否具有确定的运动。

平面五杆机构

F

3n

2pL

pH

3

4

2

5

2原动件数

F,机构内部的运动关系不确定。机构没有确定运动。

原动件数

F,机构内部各构件运动关系确定。

机构有确定运动。35.

平面四杆机构

F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1原动件数

F，机构内部的运动关系将发生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。机构没有确定运动。

原动件数

F，机构内部各构件运动关系确定。

机构有确定运动。36.

机构具有确定运动的条件是：机构的原动件的数目等于机构的自由度的数目。

当机构不满足这个条件时：〔1〕如果机构的原动件数小于机构的自由度数，机构的运动不确定；〔2〕如果原动件数大于机构的自由度数，将导致机构最薄弱环节损坏。

结论37.

3.计算机构自由度时应注意的问题

举例直线机构自由度计算

解

n

7，pL

6，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

6

9错误的结果！12345678ABCDEF(avi)38.

计算错误的原因：12345678ABCDEF两个转动副(avi)(avi)39.

●复合铰链

定义：两个以上的构件在同一处以转动副连接所构成的运动副。k个构件组成的复合铰链，有(k-1)个转动副。

12345678ABCDEF

正确计算

B、C、D、E处为复合铰链，转动副数均为2。

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

140.

准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副1231342123441321432312两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副41.

未考虑局部自由度时的机构自由度计算。F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2●局部自由度

定义：机构中某些构件所具有的仅与其自身的局部运动有关、并不影响其他构件运动的自由度。

考虑局部自由度时的机构自由度计算。

设想将滚子与从动件焊成一体F

3

2

2

2

1

1计算时减去局部自由度FP

F

3

3

2

3

1

1(局部自由度)

1(avi)42.●虚约束定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。(avi)(avi)43.F=3n-2pL=3x4-2x6=0???CB311DMN245AF=3n-2pL=3x3-2x4=131DC24BA(avi)(avi)计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链局部除去。44.常见的虚约束有以下几种情况:1)当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，那么只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。带虚约束的凸轮机构EE'(avi)45.带虚约束的曲轴2)当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，那么只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。(avi)46.3)如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时假设用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，那么将会引入一个虚约束。F=3n-2p-p=3*4-2*6=0???带虚约束的杆机构(avi)47.4)机构中对运动起重复限制作用的对称局部也往往会引入虚约束。带虚约束的行星轮系2'2"231(avi)48.

虚约束的作用⑴改善构件的受力情况，分担载荷或平衡惯性力，如多个行星轮。⑵增加结构刚度，如曲轴与轴承、机床导轨。⑶提高运动可靠性和工作的稳定性，如机车车轮联动机构。注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，那么虚约束将变成实际有效的约束，从而使机构不能运动。49.B2I9C3A1J6H87DE4FG5例3计算包装机送纸机构的自由度

分析活动构件数A1B2C3J6G5H89IFn

9复合铰链虚约束运动副D1处

去掉局部自由度和虚约束局部自由度n

6，pL

7，pH

3滚子3、8绕自身轴线的转动7ED42个转动副杆9和运动副F、I引入一个虚约束F

3n

2pL

pH

3

6

2

7

1

3

150.2.4平面机构的组成原理与结构分析2.4.1.平面机构的组成原理——根本杆组法根本思路驱动杆组根本杆组

机构由原动件和机架组成，自由度等于机构自由度不可再分的自由度为零的构件组合核心问题：如何获得各种F0的根本杆组？51.机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。机架原动件从动件组52.从动件组当把该机构的机架和原动件拆去后，那么余下的从动件组为：这个从动件组的自由度为零，即：n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=0这个从动件组还可以分解成假设干个更简单的、自由度等于零的从动件组。53.分解？？还能进一步分解吗？？？还能进一步分解吗？n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=054.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：根本杆组根本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论根底。机构的组成原理：任何机构都可以看作是由假设干个根本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的。55.如果根本杆组的运动副全为低副，那么根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。也就是说，在一个根本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2,Pl=3n=4,Pl=6n=6,Pl=9F=3n-2Pl=0n=2Pl/3

2.4.2平面机构的结构分类

56.

⑴n

2，pL

3的双杆组(II级组)内接运动副外接运动副R-R-R组R-R-P组R-P-R组P-R-P组R-P-P组57.⑵n

4，pL

6的多杆组①III级组

结构特点有一个三副构件，而每个内副所连接的分支构件是两副构件。58.②IV级组

不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。常用II级组和III级组结构特点具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四边形。59.例：牛头刨床主机构的组成原理牛头刨床主机构3C245BADE163C245BADE16a)3C2BA1645DEb)(avi)60.2.4.3平面机构的结构分析在对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和力分析时，通常需要对机构进行结构分析。问题核心正确划分出机构组成的根本杆组

步骤⑴计算机构的自由度，确定原动件。⑵从传动关系上离原动件最远的输出构件开始，依次进行试拆。试拆时，先按II级组试拆，假设无法撤除，再试拆高一级别的杆组。⑶按所有根本杆组中的最高级别杆组确定该机构的类别，作为对机构进行运动分析和受力分析时，选择相应方法的依据。61.

机构结构分析举例EF45GIH67J

BC2D3A1871245683GEFJIHABCD

机构级别III级机构III级组II级组62.5IH7G

BC2A1

机构级别II级机构注意机构的级别与原动件的选择有关。7124