机械原理2机构的结构分析工程课件

第第2章章 机构的结构分析机构的结构分析21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的 研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件,然后判断机构能否运动。然后判断机构能否运动。研究机构运动简图的绘制方法，即研究如何用简研究机构运动简图的绘制方法，即研究如何用简单的图形表示机构的结构和运动状态。单的图形表示机构的结构和运动状态。研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类，以便于对其进行运动分析和动力分析。行分类，以便于对其进行运动分析和动力分析。22 机构的组成机构的组成构件和运动副是组成机构的两个基本要素，而机构构件和运动副是组成机构的两个基本要素，而机构则是具有固定构件的运动链。要知道机构是怎样则是具有固定构件的运动链。要知道机构是怎样组成的组成的,首先要搞清构件、运动副和运动链的概念。首先要搞清构件、运动副和运动链的概念。1、构件构件 2、运动副运动副3、运动链、运动链 4、机构、机构 1.构件：构件：组成机构的各个独立运动单元组成机构的各个独立运动单元内燃机内燃机零件：零件：加工制造的单元加工制造的单元在各种机器或机构中常用的零件，称为通用零件 只在特定的机器中才用到的零件，称为专用零件。通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。法应在有关专业课中学习。内燃机中的连杆内燃机中的连杆套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖构件可以由一个或几个零件（刚性联结）组成构件可以由一个或几个零件（刚性联结）组成机器、机构、构件与零件机器、机构、构件与零件一部机器可以只包含一个机构（如电动机），也一部机器可以只包含一个机构（如电动机），也可包含多个机构可包含多个机构在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之间并无区别间并无区别机械机械构件：组成机构的各个独立运动单元构件：组成机构的各个独立运动单元构件可以由一个或几个零件（元件刚性）组成。构件可以由一个或几个零件（元件刚性）组成。a)两个构件、两个构件、b)直接接触、直接接触、c)有相对运动有相对运动运动副元素：两构件上能够参与接触而构成运动副运动副元素：两构件上能够参与接触而构成运动副的部分（点、线、面）的部分（点、线、面）常用运动副类型及动画演示常用运动副类型及动画演示2.运动副：运动副：使两个构件直接接触并能产生一定相对使两个构件直接接触并能产生一定相对运动的联接。运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可一个自由构件作平面运动时有三个独立运动的可能性。如在Oxy坐标系中，构件S可随其上任一点A沿x轴、y轴方向移动和绕O点转动。要描述构件S的状态需要三个变量：x、y、xyASO一个自由构件作平面运动、空间运动的自由度？构件的自由度：构件的自由度：构件含有独立运动的数目构件含有独立运动的数目答案：答案：36构件构件xzyO约束约束：对独立运动的限制：对独立运动的限制组成运动副两构件的相对自由度组成运动副两构件的相对自由度 f 及约束及约束s 的关系为：的关系为：sf6运动副的分类：运动副的分类：1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有：I级副级副II级副级副III级副级副I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。2)按按运动副的运动性质分有：按按运动副的运动性质分有：平面运动副平面运动副平面运动平面运动平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。IV级副级副例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。空间运动副空间运动副空间运动空间运动V级副级副1V级副级副2空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动副的机构。4)按运动副元素分有：按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高，易磨损。高副点、线接触，应力高，易磨损。低副面接触，应力低低副面接触，应力低例如：例如：滚动副滚动副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。转动副转动副：两个构件之间只能绕同一轴线做相对转动两个构件之间只能绕同一轴线做相对转动移动副移动副：两个构件之间只能沿某一轴线相对移动两个构件之间只能沿某一轴线相对移动 3)按相对运动的形式分有：按相对运动的形式分有：转动副转动副（或回转副、铰链），（或回转副、铰链），移动副移动副，螺旋副螺旋副和和球面副球面副等。等。例如：例如：转动副转动副、移动副移动副等。等。运动副的符号表示运动副的符号表示:转动副转动副移动副移动副高副高副高副高副高副高副常用运动副的符号常用运动副的符号:国标国标GB446084运动副运动副名称名称运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副122121平平面面运运动动副副平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副1212123.运动链运动链 4.机构机构四、机构四、机构平面机构：机构中各构件的运动平面互相平行平面机构：机构中各构件的运动平面互相平行空间机构：空间机构：机构中至少有一构件不在相互平行的平面上运机构中至少有一构件不在相互平行的平面上运 动，或至少有一构件能在三维空间中运动动，或至少有一构件能在三维空间中运动 低副机构：低副机构：完全由低副连接而成的机构完全由低副连接而成的机构 高副机构：高副机构：只要含有一个高副的机构只要含有一个高副的机构 23 机构运动简图机构运动简图在对现有机械进行分在对现有机械进行分析或设计新机械时析或设计新机械时,都都需要绘制出其机构运需要绘制出其机构运动简图。动简图。机构运动简图机构运动简图根据机构的运动尺寸根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定出各运动副的按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副及位置，就可以用运动副及常用机构运动简图的代表符常用机构运动简图的代表符号号和和构件的表示方法构件的表示方法，将机构的运动传递情况表示出，将机构的运动传递情况表示出来。用以表示机构运动传递情况的简化图形称为来。用以表示机构运动传递情况的简化图形称为机构机构运动简图运动简图。忽略构件和运动副具体的结构和形状，用忽略构件和运动副具体的结构和形状，用简单的线条简单的线条和和符号符号来表示构件和运动副，并来表示构件和运动副，并按比例按比例定出各定出各运动副运动副的的位置位置。作用：作用：1.1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。2.2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。根据机构运动简图对机械进行运动及动力分析就变得根据机构运动简图对机械进行运动及动力分析就变得十分简明和方便了。十分简明和方便了。而只是为了表明机械的结构情况，也可以不要求严格而只是为了表明机械的结构情况，也可以不要求严格的按比例来绘制出的简图称为的按比例来绘制出的简图称为机构示意图机构示意图。注意事项注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质的性质。常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件条件：1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、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运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动4.绘制机构运动简图步骤第二章 机构的机构分析（1）分析机构：判断机架、原动件、执行部件；沿运动传递路线，分析原动件的运动如何传至执行部件；数清从动件、构件数目、运动副类型和数目；（2）选择大多数构件所在平面为投影面选择大多数构件所在平面为投影面（3）选择适当的比例尺（实长/图长）；（4）按顺序用规定符号绘图，并标出原动件运动方向例例 题题 2 21 1 第二章 机构的机构分析例：图为鄂式破碎机。当曲轴1绕轴心O连续回转时，动鄂板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。2-4 机构具有确定运动的条件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？先来看两个例子：例1 铰链四杆机构例2 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 结论 机构具有确定运动的条件是：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。机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。25 机构自由度的计算机构自由度的计算运动副对构件自由度的影响运动副对构件自由度的影响低副：低副：2个约束，1个自由度1个约束，2个自由度（1 1）一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。）一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。高副：高副：（2 2）引入一个转动副约束了构件两个自由度，引入一个）引入一个转动副约束了构件两个自由度，引入一个移动副也约束了构件的两个自由度。移动副也约束了构件的两个自由度。（3 3）引入一个高副约束了构件的一个自由度。）引入一个高副约束了构件的一个自由度。1.1.平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 机构的自由度：机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目独立运动的数目平面机构自由度计算公式设平面机构共有设平面机构共有K个构件，除去自由度等于零的固个构件，除去自由度等于零的固定构件，则机构中的定构件，则机构中的活动构件数活动构件数n=K-1，若机构中有，若机构中有PL个低副，个低副，PH个高副，该机构的自由度为：个高副，该机构的自由度为：要求：要求：记住上述公式，并能熟练应用。记住上述公式，并能熟练应用。24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动件按给定的运动规律运动时，该机构中的其余构件的运动也都件按给定的运动规律运动时，该机构中的其余构件的运动也都应是完全确定的。应是完全确定的。机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：机构的原动件数目机构的原动件数目等于机构自由度的数目等于机构自由度的数目F 机构的自由度数机构的自由度数F原动件数原动件数0机构的自由度就是机构具有确定运动时所必须给定机构的自由度就是机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目的独立运动参数的数目。只有当给机构的独立运动。只有当给机构的独立运动数等于机构的自由度数时机构才能具有确定运动，数等于机构的自由度数时机构才能具有确定运动，一般只有原动件具有独立运动，而且通常每个原动一般只有原动件具有独立运动，而且通常每个原动件只有一个独立运动。件只有一个独立运动。当机构不满足这一条件时，如果原动件数目小于机构的当机构不满足这一条件时，如果原动件数目小于机构的自由度，则机构的运动不确定；若原动件数目大于机构自由度，则机构的运动不确定；若原动件数目大于机构的自由度，则导致机构的最薄弱环节破坏。的自由度，则导致机构的最薄弱环节破坏。计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=3低副数低副数PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH=0S3123机构自由度计算举例机构自由度计算举例计算五杆铰链机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数解：活动构件数n=4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH=012341 1计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=11232、4计算平面机构自由度的注意事项第二章 机构的机构分析 1、复合铰链CB321A5E6D 增加构件5、6 后，n=5，pl=6，ph=0 F=3n-2pl-ph=35-26=3 显然是错误的 如图：n=3，pl=4，ph=0 F=3n-2pl-ph=33-24=1由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链312 推广：m个构件铰接在一起，有(m-1)个转动副 上例：F=35-27=1第二章 机构的机构分析 由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链，如：123213第二章 机构的机构分析 例：活动构件：n=7 运动副：不考虑复合铰链，pl=6，ph=0，F=3n-2pl-ph =9（）考虑复合铰链，pl=10，ph=0，F=3n-2pl-ph =1（）第二章 机构的机构分析 2、局部自由度不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。例如：图示滚子推杆盘形凸轮机构F=3n-2pl-ph=2（）焊接法：仍采用原公式，但活动构件、运动副数目均变化。F=3n-2PL-PH=1变换公式：在原公式中减去局部自由度。F=3n-(2pl+ph)-F =1局部自由度常出现场合：活动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子，轴承中的滚珠等。第二章 机构的机构分析 3、虚约束不起独立限制作用的约束。虚约束处理方法：计算自由度时，将虚约束去除。此时，自由度计算公式为：F=3n-(2pl+ph-p)-F其中：n活动构件数目 pl、ph分别为低副数和高副数 p虚约束个数 F局部自由度约束此为平面机构自由度计算的完整公式第二章 机构的机构分析 虚约束常出现场合:1、两构件之间形成多个运动副。2、用转动副联接两构件上轨迹重合的点。AB=CD=EF，BC=AD BE=AF F=34 (26+0-0)-0=0 错误E点轨迹重合 EF为虚约束（或AB、CD)F=34-(26+0-1)-0=1 下一个第二章 机构的机构分析 两个构件之间形成多个运动副 多个转动副轴线重合F=31-22=-1（）F=31-21=1 多个移动副导路平行 F=32-22-1=1多个高副在特定几何条件下（法线重合）F=32-22-1=1返回第二章 机构的机构分析3、用双转动副构件联接两构件上距离不变的两点。如图：DC间 距离不变如图：AB间 距离不变F=34-(26+0-1)-0=14、不影响机构运动的对称部分，且p=2pl+ph-3n其中：n、pl、ph为重复部分构件、低副和高副数。如：第二章 机构的机构分析其中：p=2pl+ph-3n =2所以，机构自由度为：F=3n-(2pl+ph-p)-F =15-（10+6-2）-0 =1计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF圆盘锯机构圆盘锯机构CDABGFoEE计算图示大筛机构的自由度。计算图示大筛机构的自由度。位置位置C，2个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度 1个个虚约束虚约束EF=3n (2PL+PH P)F =38(211+1 2)1 =2第二章 机构的机构分析 例1：计算图示机构自由度，并判断机构是否具有确定运动。注：C 处为复合铰链；E处为虚约束；F 处为局部自由度F=36-(28+1-0)-0=1F=38-(210+1-0)-1=2例2：如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，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）。局部自由度复合铰链虚约束例3：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）。局部自由度虚约束第二章 机构的机构分析2、7平面机构组成原理平面机构的组成原理2基本杆组的概念3 1平面机构的机构分析3 3第二章第二章 机构的机构分析机构的机构分析机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。原动件从动件组机架 一、基本杆组的概念一、基本杆组的概念第二章第二章 机构的机构分析机构的机构分析基本杆组基本杆组 对具有确定相对运动的对具有确定相对运动的低副机构低副机构（原动件数（原动件数=自由度数），将原动件和自由度数），将原动件和机架拆下，剩余的从动件系统就是一个自由度为零的运动链。若将其进一步机架拆下，剩余的从动件系统就是一个自由度为零的运动链。若将其进一步拆为不可再拆的自由度为零的运动链，即得到基本杆组。简称拆为不可再拆的自由度为零的运动链，即得到基本杆组。简称“杆组杆组”DCAB+EFAODCBEF F=32-23=0O+第二章 机构的机构分析结论：34121）用杆组搭接机构不代入多余的约束不代入多余的自由度机构的自由度不变。2）对杆组概念的理解：F=0，不能理解为不能动。而是，杆组参与搭接机构时不会引入多余的约束和自由度。56第二章 机构的机构分析1 1、基本机构、基本机构 （原动件原动件+机架）机架）2 2、机构的组成、机构的组成（基本机构（基本机构+杆组）杆组）3 3、平面机构的级别、平面机构的级别机构的级别按其中所含杆组的最高机构的级别按其中所含杆组的最高级别确定级别确定。第二章 机构的机构分析基本杆组的类型基本杆组的类型F=3 n 2 Pl=0由杆组的定义：3 n=2 Pl级组级组级组名称构件数、低副数杆组的基本型 n=2；Pl=3 n=4；Pl=6 n=4；Pl=6杆组的级别按其中所含最大封闭形边数确定。概念：杆组的外接副、内接副。外接副内接副常见2级杆组第二章 机构的机构分析级组的基本型 n=4；Pl=6ACB1234DEF杆组的演化途径转动副变移动副杆长的变化杆组的演化第二章 机构的机构分析三、平面机构的结构分析 机构的结构分析是机构组成的逆过程，也可称为机构的拆杆组。步骤及注意事项1。除去机构中的虚约束和局部自由度。计算自由度，明确原动件。2。拆杆组。一般是从远离原动件处开始拆，应首先试拆级组，若不成再试拆高一级杆组。重复进行直至原动件。123456789567834 F=38-211=2第二章 机构的机构分析 机构的结构分析是机构组成的逆过程，也可称为机构的拆杆组。步骤及注意事项1。除去机构中的虚约束和局部自由度。计算自由度，明确原动件。2。拆杆组。一般是从远离原动件处开始拆，应首先试拆级组，若不成再试拆高一级杆组。重复进行直至原动件。123456789567834 F=38-211=23。注意：（1）拆解杆组前后。自由度不应发生变化。剩余部分还应是机构。（2）复合铰链应按复合的次数拆多次。（3）原动件的不同会直接影响机构拆解次序和结果。级机构三、平面机构的结构分析第二章 机构的机构分析例题：分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。123456F=3 5-2 7 =1若以构件2为原动件345612 级机构例题：分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。123456F=3 5-2 7 =1若以构件6为原动件234516 级机构第二章 机构的机构分析2-9 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代高副低代高副低代 机构中的高副以低副来代替的方法机构中的高副以低副来代替的方法。（1）高副低代应满足的条件高副低代应满足的条件：1）代替前后机构的自由度完全相同代替前后机构的自由度完全相同；2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。（2）高副低代的方法：高副低代的方法：圆弧高副机构圆弧高副机构非圆弧高副机构非圆弧高副机构结论：在对平面机构进行高副低代时，为了满足高副低代的条件，只要用一个虚拟的构件分别与两高副构件在接触点的曲率中心处以转动副相联即可。若高副两元素之一为直线，若高副两元素之一为一个点，结论：在对高副机构进行分析时，可根据高副低代的方法，先将高副机构转化为低副机构，然后在进行机构的结构、运动及力分析。平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代(2/2)则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。结构分析