机械设计基础教案-课件

第二章第二章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析第一节第一节 机构的组成机构的组成第二节第二节 平面机构运动简图平面机构运动简图 第三节第三节 常用机械传动机构常用机械传动机构第四节第四节 平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件第五节第五节 传动机构运动方案分析实例传动机构运动方案分析实例第一节第一节 机构的组成机构的组成 一、一、运动副运动副 二、二、运运动动副副类类型型 三、三、运运动链动链 四、四、机构机构 构件运动时，其上任一直线始终与构件运动时，其上任一直线始终与初始位置保持平行。如初始位置保持平行。如活塞的直线平动,料槽的曲线平动一、构件的运动一、构件的运动1 1、构件平动、构件平动料槽的曲线平动料槽的曲线平动构件运动时，始终有而且只有一条构件运动时，始终有而且只有一条直线固定不动。固定不动的直线为直线固定不动。固定不动的直线为轴线或转轴。如轴线或转轴。如齿轮,凸轮,主轴等2 2、构件定轴转动、构件定轴转动3.3.构件平面运动构件平面运动构件运动时，既不是平动也不是转构件运动时，既不是平动也不是转动，是平动和转动合成的复杂的平动，是平动和转动合成的复杂的平面运动，面运动，其特征：其上任一点始终其特征：其上任一点始终在同一平面内运动，该该平面平行在同一平面内运动，该该平面平行与空间某一个固定平面。与空间某一个固定平面。如车轮沿直线轨道滚动如车轮沿直线轨道滚动,内燃机连杆的运动内燃机连杆的运动二、运动副二、运动副 运动副运动副 构件直接接触并能产生一定相对运动的联接构件直接接触并能产生一定相对运动的联接 v 对构件施加对构件施加的约束个数等于的约束个数等于其自由度减少的其自由度减少的个数。个数。v 一个在平面内作自由运动的构件间具一个在平面内作自由运动的构件间具有有3 3个独立的相对运动；在三维空间作自个独立的相对运动；在三维空间作自由运动的两构件间具有由运动的两构件间具有6 6个独立的相对运个独立的相对运动。动。自由度、约束自由度、约束 yxAB自由度自由度 构件所具有的独立运动数目构件所具有的独立运动数目约约 束束n组成运动副后组成运动副后,构件的某些独立运动受到限制构件的某些独立运动受到限制,构件自由构件自由度减少度减少,这种对构件独立运动的限制称为这种对构件独立运动的限制称为约束约束低副低副运运动动副副两构件通过面接触两构件通过面接触高副高副点或线接触的运动副点或线接触的运动副转动副转动副移动副移动副组成运动副的两个构件只能组成运动副的两个构件只能在一个平面内做相对转动在一个平面内做相对转动,也称铰链也称铰链若组成运动副的两个构件若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移动只能沿轴线相对移动转动副、移动副实例转动副、移动副实例运动副类型及其代表符号运动副类型及其代表符号移移动动副副平平面面高高副副球球销销副副球球面面副副圆圆柱柱副副螺螺旋旋副副转转动动副副低副低副 =1 =1 (螺旋副螺旋副 =1)=1)由面接触而构成的运动副由面接触而构成的运动副 高副高副 =2 =2 (球面副球面副 =3)=3)由点、线接触而构成的运动副由点、线接触而构成的运动副 三、运动链三、运动链1.1.运动链运动链:若干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相对若干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相对运动的系统。运动的系统。闭式运动链简称闭式运动链简称闭链闭链：运动链的各构件首尾封闭：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开式运动链简称开链开链：未构成首尾封闭的系统：未构成首尾封闭的系统 (d)(e)(f)(d)(e)(f)(a)(a)、(b)(b)平面闭链平面闭链;(c);(c)平面开链；平面开链；(d)(d)空间闭链；空间闭链；(e)(e)、(f)(f)空间开链空间开链 （a）（b）(c)2.2.机构机构机构机构 在运动链中，若选定某构件为机架，且各构在运动链中，若选定某构件为机架，且各构件具有确定的相对运动，则称该运动链为件具有确定的相对运动，则称该运动链为机构机构。平面机构平面机构 机构中各构件的运动平面互相平行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动，或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至少有一构件能在三维空间中运动 机机架架机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动动原动件：原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件；按给定已知运动规律独立运动的构件；从动件从动件机构中其余活动构件。其运动规律决定于原机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。机构示意图机构示意图不按比例绘制的简图不按比例绘制的简图二、绘制：二、绘制：1、运动副的符号、运动副的符号 第二节第二节 机构运动简图机构运动简图转动副转动副 移动副移动副 高高 副副 定义：用运动副代表符号和简单线条按一定的比例来反映定义：用运动副代表符号和简单线条按一定的比例来反映机构中各构件之间运动关系的简图。机构中各构件之间运动关系的简图。常用运动副的符号常用运动副的符号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1212122 2、构件的表示、构件的表示构件符号：构件符号：表表1-2步骤：步骤：实例实例 分析机构组成和运动原理分析机构组成和运动原理,弄清由主动件至从动弄清由主动件至从动件之间的运动路线件之间的运动路线,以及原动件的运动方向；以及原动件的运动方向；确定运动副的类型以及数目确定运动副的类型以及数目选择一个最能反映机构中各构件之间的运动关系的选择一个最能反映机构中各构件之间的运动关系的平面平面,绘制机构草图绘制机构草图,测量各运动副相对位置实际尺寸测量各运动副相对位置实际尺寸选择合适比例选择合适比例,按照比例绘制各运动副。按照比例绘制各运动副。例例2-1 2-1 卡车翻斗卸料机构示意图卡车翻斗卸料机构示意图4.4.确定实际尺寸和绘制图的比例确定实际尺寸和绘制图的比例U,U,绘制机构简图绘制机构简图.1.1.确定机构组成确定机构组成:车体车体1-1-机架机架;活塞杆活塞杆3-3-原动件原动件;2.2.翻斗翻斗2 2和液压刚体和液压刚体4 4为从动件为从动件2.2.运动副类型运动副类型:3:3和和4 4移动副移动副;3;3和和2,42,4和和1,21,2和和1 1构成构成三个转动副三个转动副3.3.机构草图绘制机构草图绘制,测量各运动副相对位置实际尺寸测量各运动副相对位置实际尺寸.本图中本图中,测量测量Lab,LbcLab,Lbc以及以及BCBC连线与水平线的夹角连线与水平线的夹角.例例2-2 2-2 液压泵机构示意图液压泵机构示意图1.1.组成组成:偏心轴偏心轴1(1(原动件原动件),),圆套圆套2,2,隔板隔板3(3(从动件从动件),),泵泵体体4(4(机架机架).).注意注意:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。动副的性质。2.2.1,4 1,4转动副转动副A,2A,2和和1 1转动副转动副B,2B,2和和3 3转动副转动副C,3C,3和和4 4移移动副动副,移动导路通过转动副移动导路通过转动副C C的中心的中心3.3.选择平面后选择平面后,按照比例绘图并标明原动件按照比例绘图并标明原动件1 1的运的运动方向动方向.原动件原动件 传动部分传动部分 执行部分执行部分 1 -2-3-4-7 -8 1 -6-5-4-7 -8 工工作作原原理理例例2-3压力压力机运机运动简动简图的图的绘制绘制沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目确定运动副的类型和数目 转动副转动副：偏心轮偏心轮1 1和杆件和杆件2 2 杆件杆件2 2和杆件和杆件3 3 杆件杆件3 3和杆和杆件件4 4滑块滑块7 7和压杆和压杆8 8 槽凸轮槽凸轮66齿轮齿轮66和机座和机座9 9杆件杆件4 4和滚子和滚子5 5 机座机座9 9和偏心轮和偏心轮11齿轮齿轮11移动副移动副杆件杆件3 3和机座和机座9 9 杆件杆件4 4和滑块和滑块7 7 压杆压杆8 8和机和机座座9 9高副高副齿轮齿轮11和齿轮和齿轮6 6 滚子滚子5 5和槽凸轮和槽凸轮6 6 第三节第三节常用机械传动机构常用机械传动机构1 1 实现运动形式的变换实现运动形式的变换:一、机械传动机构的基本功能一、机械传动机构的基本功能2、实现运动的变换、实现运动的变换低速倒车档低速倒车档(1)-2(7)-8-6()(1)-2(7)-8-6()高速档高速档:-中速档中速档:(1)-2(3)-4()(1)-2(3)-4()低速档低速档:(1)-2(5)-6()(1)-2(5)-6()实现减速实现减速,增速增速,变速的功变速的功能3、实现运动的合成和分解、实现运动的合成和分解3、获得大的机械效益、获得大的机械效益第四节第四节 平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件移动副移动副:约束了约束了沿沿y轴方向的移动轴方向的移动和和在在xOy平面内的平面内的转动转动,只保留沿只保留沿x轴方向的移动；轴方向的移动；一、平面机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算转动副转动副:约束了约束了x、y两个方向两个方向的移动的移动,只保留一个转动；只保留一个转动；高副高副:只约束了沿接触处只约束了沿接触处公法线公法线n-n方向方向的移动。的移动。单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 3低副引入两个约束！低副引入两个约束！高副引入一个约束！高副引入一个约束！活动构件数活动构件数n计算公式：计算公式：F=3n(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数3n2PL1Ph 式中，式中，为为活动构件个数活动构件个数;为低副个为低副个数数;为高副个数。为高副个数。F=3324=1F=3324=1F=3425=2F=3425=2n=3n=3P Pl l=4=4n=4n=4P Pl l=5=5二、运动链的可动性及运动确定性的条件二、运动链的可动性及运动确定性的条件举例：举例：图图a所示：所示：n=2PL=3PH=0F=3n-2PL-PH=0各构件间已无相对运动，只构成了一个各构件间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构刚性桁架，因而不能成为机构图图b b所示所示 n=3 PL=5 PH=0 n=3 PL=5 PH=0F=3n-2PL-PH=-1F=3n-2PL-PH=-1已成为超静定桁架了，也不能成为机构已成为超静定桁架了，也不能成为机构运动链可动性的必要条件运动链可动性的必要条件:自由度自由度F0F0机构的自由度机构的自由度 机构所具有的独立运动的数目机构所具有的独立运动的数目现从下面两种情况分析现从下面两种情况分析:当运动链自由度大于当运动链自由度大于0 0时时,如如果果原动件数少于自由度数原动件数少于自由度数,那么运动链就会出现运动不那么运动链就会出现运动不确定现象确定现象,不能成为机构不能成为机构,如图如图2-192-19所示；所示；图图2-19原动件数小于原动件数小于F图图2-20原动件数大于原动件数大于F如果如果原动件数大于自原动件数大于自由度数由度数,则运动链中则运动链中最薄弱的构件或运动最薄弱的构件或运动副可能被破坏副可能被破坏,也不也不能成为机构能成为机构,如图如图2-20所示。所示。2）F0 F0 如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数损坏损坏如原动件数小于机构自由度数如原动件数小于机构自由度数运动运动不确定不确定结论结论1 1）F=0 F=0 机构蜕化成刚性桁架，无相对运动。机构蜕化成刚性桁架，无相对运动。平面机构具有确定运动的条件：平面机构具有确定运动的条件：机构自由度数大于零机构自由度数大于零原动件的数目等于机构的自由度数目。原动件的数目等于机构的自由度数目。机构的自由度机构的自由度 机构所具有的独立运动的数目。机构所具有的独立运动的数目。由上可知：由上可知：2 24.4.试计算图示牛头刨床工作机构的自由度试计算图示牛头刨床工作机构的自由度计计算算实实例例解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=7,活动构件数活动构件数n=6,5个转动副、个转动副、3个移动副，个移动副，1个高个高副。副。由此可得机构的自由度数为：由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=36-28-1=1例例2-5 2-5 试机算图示航空照相机快门机构的自由度。试机算图示航空照相机快门机构的自由度。解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=6,活动活动构件数构件数n=5,6个转动副、一个移动个转动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：自由度数为：F=3n-2PL-PH=35-27-0=11.1.局部自由度局部自由度 2.2.复合铰链复合铰链 3.3.虚约束虚约束 二、计算平面机构的自由度应注意的事项二、计算平面机构的自由度应注意的事项1.1.局部自由度局部自由度 在某些机构在某些机构中，不影响其他中，不影响其他构件运动的自由构件运动的自由度称为度称为局部自由局部自由度度。滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动,该该转动的自由度即转动的自由度即局部自由度局部自由度。图图2-23局部自由度局部自由度（a）滚子的作用：滚子的作用：滑动摩擦滑动摩擦滚滚动摩擦。动摩擦。计算时先把滚子看成与从动件连成一体计算时先把滚子看成与从动件连成一体,消除转动副消除转动副后再计算其自由度后再计算其自由度此时机构中，此时机构中，n n=2,=2,P PL L2,2,P PH H 1 1 则则F F3 3n n2 2P PL LP PH H323222221 11 1 1231232.2.复合铰链复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成复合复合铰链铰链。若。若m m个构件在同一处构成复合铰链，该处的实际转个构件在同一处构成复合铰链，该处的实际转动副数目为（动副数目为（m-1）个。）个。例例2-6计算图计算图2-22所示钢板剪所示钢板剪切机的自由度。切机的自由度。图图2-22钢板剪切机钢板剪切机解解 由图可知由图可知,n n=5,=5,P PL=7,L=7,P PH=0(BH=0(B处为复合铰链处为复合铰链,含两个含两个转动副转动副)，则则F F3 3n n2 2P PL LP PH H 353527270 01 1 对机构运动实际上不起限制作用的约束称为对机构运动实际上不起限制作用的约束称为虚约束虚约束。3.3.虚约束虚约束(1)转动副连接两构件运动轨迹重合转动副连接两构件运动轨迹重合AB、CD、EF平行且相平行且相等等(2)两构件组成多个转动副、且各转动副轴线重合两构件组成多个转动副、且各转动副轴线重合(3)两构件组成多个移动副、且各转动副导路平行两构件组成多个移动副、且各转动副导路平行或者重合或者重合(4)两构件组成多个平面高副、且各高副接触点处公法线重合两构件组成多个平面高副、且各高副接触点处公法线重合(5)对机构运动不起作用的对称部分如：行星轮对机构运动不起作用的对称部分如：行星轮图图2-24轨迹重合平行四边形机构轨迹重合平行四边形机构计算机构自由度时计算机构自由度时,应按图应按图2-24(b)2-24(b)处理处理,将构件将构件5 5及其两个转动副及其两个转动副E E、F F去掉。去掉。F=3F=33-23-24=14=1（b）A AB BD DC C（a）A AB BD DC CF FE E5 51 12 23 34 4(1)(1)ABAB、CDCD、EFEF平行且相等平行且相等 。如图连接构件如图连接构件5 5上上E E点的点的轨迹与机构连杆轨迹与机构连杆BCBC上的轨迹重合上的轨迹重合,构件构件5 5引入了虚约束。引入了虚约束。图图2-25导路平行的多个移动副导路平行的多个移动副(2)(2)导路平行或重合的导路平行或重合的移动副移动副：两构件构成多个导路相互两构件构成多个导路相互平行的移动副时平行的移动副时,会出现虚约束。会出现虚约束。如图如图2-25(a)2-25(a)所示的曲所示的曲柄滑块机构中柄滑块机构中,移动副移动副D D和和D D只有一个起约束作用只有一个起约束作用,另一个另一个则为虚约束。则为虚约束。计算时按图计算时按图2-25(b)2-25(b)处理。处理。图图2-26轴线重合的转动副轴线重合的转动副(3)(3)轴线重合的轴线重合的转动副转动副：两构件构成多个轴线相互重合的两构件构成多个轴线相互重合的转动副转动副,会出现虚约束。会出现虚约束。如图如图2-262-26所示的齿轮机构中，所示的齿轮机构中，转动副转动副A A和和AA、B B和和BB只有一个起约束作用只有一个起约束作用,另一个为虚另一个为虚约束。约束。F=31-21=1F=31-21=1F=32-22-1=1F=32-22-1=1（4）、两构件构成高副，两处接触，且法线重合。）、两构件构成高副，两处接触，且法线重合。注意：注意：法线不重合时，变法线不重合时，变成实际约束！成实际约束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AAF=32-22-1=1F=32-22-1=1图图2-27差动轮系差动轮系(5)(5)传动对称：传动对称：机构中传递运动而不起独立作用的机构中传递运动而不起独立作用的对称部分形成虚约束，对称部分形成虚约束，如图如图2-272-27所示的差动轮系。所示的差动轮系。F=3F=34-24-24-2=24-2=2例例2-7图示图示2-28组合机构中的轴线组合机构中的轴线yy/xx；且齿轮；且齿轮2及凸及凸轮轮4固定在同一轴线上，计算其机构的自由度。固定在同一轴线上，计算其机构的自由度。解：解：F=3n-2PL-PH-m=39-212-12=1图图2-28例例2-8求图示求图示2-29机构机构的自由度的自由度图2-29解：解：2 2、3 3、4 4是复合是复合铰链铰链F=3*7-2*10=1F=3*7-2*10=1虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!第五节第五节 传动机构运动方案分析实例传动机构运动方案分析实例本章总结本章总结学习学习重点重点 1.1.搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念 2.2.能熟练绘制常用机构的机构运动简图能熟练绘制常用机构的机构运动简图 3.3.能熟练计算平面机构的自由度能熟练计算平面机构的自由度 学习学习难点难点 复合铰链、局部自由度和虚约束的识别和处理复合铰链、局部自由度和虚约束的识别和处理