机械设计原理 第二章课件

1/8/2024第第2 2章章 机构的结构分析机构的结构分析2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的2-2 机构的组成机构的组成2-3 机构运动简图机构运动简图2-4 机构机构具有确定运动的条件具有确定运动的条件2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项2-7 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析返回返回2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的主要内容及目的是主要内容及目的是：研究机构的组成及机构运动简图的画法；了解机构具有确定运动的条件；研究机构的组成原理及结构分类。2-2 机构的组成机构的组成1.构件零件是机器中的一个独立制造单元体；构件是机器中的一个独立运动单元体。从运动来看，任何机器都是由若干个构件组合而成的。任何机器都是由许多零件组合而成的。气缸体连杆体连杆头曲轴齿轮活塞 构件往往是由若干零件刚性地联接在一起的独立运动的整体真实连杆连杆体连杆头螺栓螺母垫圈 为两构件参与接触而构成运动副的表面。是两构件直接接触而构成的可动联接。2-2 机构的组成机构的组成2.运动副运动副运动副元素例轴与轴承、圆柱面与圆孔面棱柱面与棱孔面两轮轮齿曲面 空间两构件构成的运动副，其自由度 f 和约束数 s 满足 f +s =6滑块与导轨、两轮齿啮合。3）按其相对运动形式分转动副（回转副或铰链）移动副螺旋副球面副还可分为平面运动副与空间运动副两类。2）按其接触形式分高副：点、线接触的运动副低副：面接触的运动副（1）运动副的分类1）按其引入的约束数目分：级副、级副、级副。机构的组成机构的组成(2/4)3.运动链构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）平面闭式运动链空间闭式运动链平面开式运动链空间开式运动链（2）运动副符号运动副常用规定的简单符号来表达（GB446084）。各种常用运动副模型常用运动副的符号表机构的组成机构的组成(3/4)但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。按给定已知运动规律独立运动的构件；4.机构具有固定构件的运动链称为机构。机 架原动件从动件机构中的固定构件；机构中其余活动构件。平面铰链四杆机构 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。空间铰链四杆机构 一般机架相对地面固定不动，常以转向箭头表示。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。机架原动件从动件机架从动件原动件机构的组成机构的组成(4/4)不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的简图。根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，2-3 机构运动简图机构运动简图 在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。1.何谓机构运动简图？例 内燃机机构运动简图。机构运动简图 采用运动副及常用机构运动简图符号和构件的表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。机构示意图内燃机及其机构运动简图内燃机及其机构运动简图举例：（2）选定视图平面；（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。机构运动简图机构运动简图(2/2)2.机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：（1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制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。如果原动件数F,则机构的运动将不完全确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件(2/2)结论：机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目。2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算1.平面机构自由度的计算（1）计算公式F3n式中：n为机构的活动构件数目；pl 为机构的低副数目；ph为机构的高副数目。(2)举例1）铰链四杆机构F3n(2plph)33 24 012）铰链五杆机构F3n(2plph)34 25 02(2plph)3）内燃机机构F3n(2plph)36 27 31机构自由度的计算机构自由度的计算(2/4)问题问题1：复合铰链复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。联接所构成的运动副。解决方案解决方案k 个构件在同一处构成复合铰链，个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了实际上构成了(k-1)个转动副。个转动副。F=35-27=12-6 计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题B、C、D、E处都是处都是由三个构件组成的复由三个构件组成的复合铰链，各有合铰链，各有2个转个转动副动副场合一：两个构件之间形成多个运动副场合一：两个构件之间形成多个运动副 F=31-22=-1 解决方案解决方案计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为两个构件之间只形成一个运动副两个构件之间只形成一个运动副 F=31-21=1两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副2)两构件构成多个运动副两构件构成多个运动副两构件构成多个转动两构件构成多个转动副，其轴线互相重合副，其轴线互相重合时，只有一个转动副时，只有一个转动副起约束作用。起约束作用。两构件构成多个移动副，其导路两构件构成多个移动副，其导路互相平行时，只有一个移动副起互相平行时，只有一个移动副起约束作用。约束作用。两构建在多处相接触构成平面两构建在多处相接触构成平面高副，且各接触点的公法线彼高副，且各接触点的公法线彼此重合，只能算一个平面高副。此重合，只能算一个平面高副。两构件在多处相接触构成平面高副，在各两构件在多处相接触构成平面高副，在各接触点的公法线彼此不重合，算接触点的公法线彼此不重合，算2个平面高个平面高副，或者是一个复合高副，分别相当于一副，或者是一个复合高副，分别相当于一个转动副和一个移动副。个转动副和一个移动副。解决方案解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度或在计算结果中去除局部自由度 问题问题2：局部自由度局部自由度 某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。2、要除去局部自由度、要除去局部自由度去掉局部自由度算法去掉局部自由度算法保留局部自由度算法保留局部自由度算法 滚子绕其轴线的转动为一个局部自由度，在计算机构自由度时，应将 F从计算公式中减去，即例2 滚子推杆凸轮机构解F3n(2plph)F故凸轮机构的自由度为F33(231)113.要除去虚约束 虚约束是指机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约束作用的约束，以 p表示。例3 平行四边形四杆机构F3n(2plph)F33(240)01计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(3/6)当增加一个构件5和两个转动副E、F，且BE AF，则F3n(2plph)F34(260)00原因：构件5 和两个转动副E、F 引入的一个约束为虚约束。在计算机构的自由度时，应从机构的约束数中减去虚约束数目p，故F3n(2plph p)F如平行四边形五杆机构的自由度为F34(2600)01计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(4/6)（1）轨迹重合的情况 在机构中，如果用转动副联接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，该联接将带入1个虚约束。例如椭圆仪机构（图中：CAD90，BCBD）。显然，转动副C所联接的C2、C3两点的轨迹重合，将带入一个虚约束。（2）用双副杆联接两构件上距离恒定不变的两点的情况 在机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(5/6)4机构中的虚约束常发生的几种情况例如图示平行四边形机构就属于此种情况。显然，构件 5和转动副E、F所联接的两点间的距离始终保持不变，故带入一个虚约束。（3）结构重复的情况 在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。例如图示轮系就属于这种情况。显然，从机构运动传递来看，仅有一个齿轮就可以了，而其余两个齿轮并不影响机构的运动传递，故带入了虚约束，且p2。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项(6/6)例例2-8 试计算图试计算图2-22所示某包装机所示某包装机送纸机构的自由度送纸机构的自由度，并判断该并判断该机构是否具有确定的相对机构是否具有确定的相对运动。运动。=构件构件+运动副运动副 运动链运动链 机构机构机架机架原动件原动件从动件组合从动件组合F=0基本杆组：最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，基本杆组：最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，简称为杆组。简称为杆组。2-7 平面机构的组成原理、结构平面机构的组成原理、结构 分类及结构分析分类及结构分析 任何机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的。不能再拆的最简单的自由度为零的构件组，也称阿苏尔或杆组。2-7 平面机构的组成原理、结构平面机构的组成原理、结构 分类及结构分析分类及结构分析1.平面机构的组成原理例 颚式碎矿机1）基本杆组：2）组成原理：注意：在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。（1）杆组的条件式中n、pl 及 ph 分别为杆组中的构件数、低副数和高副数。（2）杆组的类型1）级杆组：由2个构件和3个低副构成的杆组。2）级杆组：由4个构件和6个低副构成的杆组。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(2/4)3n2plph0全低副杆组的条件：3n2pl0或 n/2pl/3 2.平面机构的结构分类3.平面机构的结构分析（1）目的：了解机构的组成，确定机构的级别。（2）方法：1）先计算机构的自由度，并确定原动件；2）从远离原动件的构件先试拆级组，若不成；再拆级组，直至只剩下原动件和机架为止；3）最后确定机构的级别。（3）举例：破碎机机构的结构分析。1）若取构件1为原动件时，此机构为级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(3/4)2）若取构件5为原动件时，显然，这种拆法不成。再试拆级组。故此机构为 级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(4/4)先试拆级杆组，机架和原动件机架和原动件级杆组级杆组 级杆组级杆组四杆机构四杆机构八八杆杆机机构构机构的组成：机构的组成：在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的 自由度，每次增加都可以获得一个新机构；自由度，每次增加都可以获得一个新机构；设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结 构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。F=3n-2P5 P41.4.2 机构的结构分析机构的结构分析 机构的结构分析机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件和是指把机构分解为基本杆组、原动件和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。机构的结构分析原则：机构的结构分析原则：首先，从远离原动件的部分开始拆分；首先，从远离原动件的部分开始拆分；试拆时，先试拆低级别杆组；试拆时，先试拆低级别杆组；每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构。每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构。I 级机构级机构II 级机构级机构III 级机构级机构机构的命名：机构的命名：以机构中所包含的基本杆组的最高级别以机构中所包含的基本杆组的最高级别原动件不同，机构原动件不同，机构的级别也有可能不同的级别也有可能不同12345678 exercise均为复合铰链）、DC(8 Bpl=