机械设计基础教学课件第八章：平面机构的运动简图及自由度.ppt

第八章 平面机构的运动简图及自由度 4.机构自由度的计算 3.机构运动简图的画法 2.机构具有确定相对运动的条件 1.平面机构的组成 平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平面内运动 空间机构：各构件不完全在同一平面或相互平行的平面 内运动 机构： 3.1 平面机构的组成 一、机构的组成与分类 1、 概念 ：由构件通过运动副组成的系统。 构件 ：机构中的每一个独立的（最小）运动单元 2、 机架 ：固定不动的构件 原动件 ：对一构件（或多个构件）给定运动规律对于机架运动 从动件 ：其余构件也均随之做确定的运动 3、 平面机构 ： 若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的 平面内运动。 空间机构 ： 蜗杆传动 曲柄滑块机构 二、自由度 一个作平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。 构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的 自由度 。所 以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。 但当这些构件之间以一 定的方式联接起来成为 构件系统时，各个构件 不再是自由构件。两相 互接触的构件间只能作 一定的相对运动，自由 度减少。这种对构件独 立运动所施加的限制称 为 约束 。 构件受到约束后其自由度减 少，每加上一个约束，便失 去一个自由度，自由度的约 束数之总和应等于 6，每个构 件的约束数最多为 5，至少为 1. 三、运动副及其分类 概念 ： 在机构中每一构件都以一定方式与其他构件相互联接， 这种使两构件直接接触的可动联接 类型： （一） 低副 两构件通过面接触而构成的运动副称为 低副 。 根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为 转动副和移动副。 1.转动副 （或铰链） 具有一个独立相对运动的运动副 限制两个自由度： （两个移动） 保留一个自由度 （转动） 2.移动副 具有沿一个方向独立相对移动的运动副。 限制两个自由度： （一个移动，一个转动） 保留一个自由度 （移动 ） (二） 高副 运动的相对自由度数为 2，约束条件数为 1。 限制一个自由度： （一个移动） 保留两个自由度 （一个移动，一个转动） 3.2 平面机构运动简图 1、机构运动简图： 能准确表达机构运动的简化图形 （按比例，用特定的符号和线条） 和运动有关的 ：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目 和运动无关的 ：构件外形、截面尺寸、组成构件的零件数目、 运动副的具体构造 2、机构示意图： 图形不按精确的比例绘制，仅仅为了表达机械的 结构特征。 2、常用机构和运动副的表示方法： 凸轮副： 3、 绘机构运动简图的步骤 （ 1）分析机构的组成，判断机构的原动件、从动件及原动件 运动方向。 （ 2）分析机构运动，判断机构中各构件的运动尺寸及运动副的类型 （ 3）恰当地选择投影面，以能够简明地把机构的结构及运动情况表 示清楚为原则 （ 4）确定比例尺 ；用简单的线条和各种运动副 的代号将机构运动简图画出来。（从原动件开始画） 例 试绘制内燃机的机构运动简图 3.3 平面机构具有确定运动的条件 一、平面机构的自由度的计算 机构的自由度：机构具有确定运动的独立运动参数（与构件数目，运动副的类型 和数目有关） n个活动构件：自由度为 3n。 PL个低副： 限制 2PL个自由度 PH个高副： 限制 PH 个自由度 因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运 动副减少的自由度数之差，该差值称为机构的自由度，并以 F表示， F=3n-2PL-PH 自由度等于 1的机构在具有一个原动件时运动是确定的。 自由度等于 2的机构在具有两个原动件时才有确定的相对运动 构件组合自由度为 0的为 刚性桁架 。 F=3n- 2PL-PH =3*7-2*8-4 =1 F=3n- 2PL-PH =3*5-2*7-0=1 F=3n- 2PL-PH =3*6-2*8-1=1 二、计算平面机构自由度的注意问题。 为了改善机构的使用机能，机构有时采用一些特殊结构。 在计算平面机构的自由度时，这些特殊结构，必须加以 适当的处理。 复合铰链 ：两个以上个构件在同一处转动副相联接，就构成 了所谓的复合铰链。当有 M个构件（包括固定构件）以复合 铰链相联接时，其转动副的数目应为（ M-1）个。 F=3n- 2PL- PH =3*5-2*6-0 =3（错） F=3n- 2PL-PH =3*5-2*7-0 =1 3、虚约束 对机构的运动不起限制作用的约束称为 虚约束 。计算机构的 自由度时，虚约束应除去不计。 轨迹重合 ： 如果机构上有两构件用转动副相联接，而两构件上的联接点 的轨迹在未联接前是互相重合的，而两构件上联接点的轨迹 相重合，则该联接将带入一个虚约束。 转动副轴线重合 ： 当两构件构成多个转动副且其轴线相互重合时，只 有一个转动副起约束作用，其余转动副都是虚约束。 移动副轨道平行： 两构件构成多个移动副且其倒路互相平行，这时只 有一个移动副起约束作用，其余移动副都是虚约束。 机构存在对运动起重复约束作用的对称部分： 在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束亦是虚 约束。 F=3n- 2PL-PH =3*4-2*6-0 =0 F=3n- 2PL-PH =3*3-2*4-0 =1 虚约束作用 ：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，增 强机构工作的稳定性 （ 1）、两构件构成多个导路平行的移动副， F=3n- 2PL-PH =3*3-2*5-0 =-1（错） F=3n- 2PL-PH =3*3-2*4-0 =1（正确） 机车车轮的联动机构 (2)、两构件组成多个轴线互相重合的转动副 (3)、机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分 为虚约束 F=3n- 2PL-PH =3*3-2*3-2 =1（行星轮系、固定 3） F=3n- 2PL-PH =3*4-2*4-2 =2（差动轮系） F=3n- 2PL-PH =3*3-2*3-1 =2(错） F=3n- 2PL-PH =3*2-2*2-1 =1（正确） 多余的自由度 是滚子 2绕其 中心转动带来 的局部自由度， 它并不影响整 个机构的运动， 在计算机构的 自由度时，应 该除掉。 2、局部自由度 在机构中，某些构件具有不影响其它构件运动的自由度 F=3n- 2PL-PH =3*7-2*9-1 =2 （注意凸轮） F=3n- 2PL-PH =3*3-2*4-0 =1 （其中一个滑块为虚约束） （注意不是复合铰链） 图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。 如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。 三 、 平面机构具有确定相对运动的条件 F0 ，构件间无相对运动，不成为机构。 F0, 原动件数 =F，运动确定 原动件数 F，机构破坏 机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独 立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃 机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为 1时，只需有一 个原动件；当机构的自由度为 2时，则需有两个原动件。故机构具有确定 运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。 试计算图示挖土机的自由度，并说明为什么要配置三个油缸。 F=3n- 2PL-PH =3*3-2*3-0 =3 油泵 F=3n- 2PL-PH =3*3-2*4-0 =1 四 、 计算平面机构自由度的实用意义 1 判定机构的运动设计方案是否合理 2 修改设计方案 （ 1） F=0:增加一构件带进一平面低副 （ 2） F原动件数目：增加一构件带进两平面低副 增加原动件数目 3 判定机构运动简图是否正确