第1章机构组成和运动简图课件

2024/7/12112七月20241第第1 1篇篇 机构的组成和机械设计概论机构的组成和机械设计概论第第1 1章章 机构的组成和运动简图机构的组成和运动简图1.1 课程概论课程概论1.2 平面平面机构的组成和运动简图机构的组成和运动简图2024/7/12212七月202421.1 课程概论课程概论1.1.1课程的研究对象本课程的研究对象是机械。1.机械的概念1)机器与机构机械是人们用以代替或减轻体力(脑力)劳动、改善劳动条件、提高劳动生产效率的工具。常把具体的机械叫做机器。如汽车、飞机、摩托车、起重机、挖掘机、电风扇、缝纫机、洗衣机等。2024/7/12312七月20243内燃机、破碎机都是执行机械运动的装置,用来变换或传递能量,以代替人的劳动。尽管它们的形态、性能、结构各异,但都称为机器，具有以下共同特征:(1)是一种人为实体的组合；(2)各实体之间具有确定的相对运动；(3)能进行能量、物料或信息的变换与传递,并完成有用的机械功或实现能量转换。机械是机器和机构的总称。机器是由各种机构组成的机械系统。如果只有确定的相对运动，而不能代替人做有用的机械功的构件组合，则称为机构。例如摩托车是机器，而自行车是机构。2024/7/12412七月202442)构件与零件、部件机构中的运动单元称为构构件件。构件在机构中具有独立的运动特性，在机械中形成一个运动整体。从运动的角度看,机构由具有确定的相对运动的构件组成。构件可以是一个独立的零件,也可以是由几个零件刚性地连接组成的。从制造的角度看,机器是由若干零件组成的,零件零件是最小的制造单元。较复杂的机器是先由零件组装成部件,再由零件和部件组装成机器。2024/7/12512七月20245内燃机中由活塞、连杆、曲轴和汽缸等构件构成的一个典型的曲柄滑块机构。连杆构件是由单独加工的连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等零件组成的。2024/7/12612七月202462.机械的分类(1)动力机：又称原动机,是一种将其他形式的能量转换为机械能的机械。如电动机是把电能转换为机械能的机械，汽油机、蒸汽机等是将燃油、煤等燃烧时产生的热能转换成机械能的机械。(2)工作机：是利用机械能来完成有用功的机械。大部分机械都是工作机，如起重机通过搬运物料而做机械功；金属切削机床通过对物料的传递和转移而做机械功。(3)信息机：是通过各种复杂信息的传递来控制机械运动的机械。它是一种特殊的工作机，如打印机是通过计算机的指令来传递信息并实现打印工作的。绘图机、复印机、传真机等都是信息机。2024/7/12712七月202473.机械的组成辅助系统，例如：润滑、显示、照明等原动机部分传动部分控制系统执行部分从整体上看,机械是由原动部分、执行部分、传动部分、控制部分组成的。2024/7/12812七月20248是驱动整个机器以完成预定功能的动力源。它把其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。原动机经历了如下发展过程：人力、畜力水力机、风力机蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机(1)原动机原动机2024/7/12912七月20249是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。(2)执行部分执行部分例：压路机的压辊桥式起重机的卷筒、钓钩部分执行上下吊放重物的功能牛头刨床的刨刀2024/7/121012七月202410用来连接原动机部分和执行部分，它将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。(3)传动装置传动装置例：旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。2024/7/121112七月202411(4)控制部分：是控制机械各组成部分运动的装置,它使操作者能随时实现或终止机械的各种预定功能。2024/7/121212七月202412机械零件可以分为两大类通用零件通用零件：各种机械中经常用到的一般参数的零件。例如：螺钉、齿轮、链轮、轴等。专用零件专用零件：在特定类型的机器中才能用到的零件。例如：飞机螺旋桨、内燃机曲轴等。2024/7/121312七月2024131.2 平面平面机构的组成和运动简图机构的组成和运动简图目的任务：理解平面机构、运动副、自由度等基本概念重点：运动副、自由度等基本概念难点：运动副2024/7/121412七月2024141.2.1 机构的组成机构的组成构件：运动单元体零件：制造单元体机架：机构中相对不动的构件原动件：驱动力（或力矩）所作用的构件。输入构件从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。输出构件1.构件和零件机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构。2024/7/121512七月2024152.运动副运动副运动副运动副两构件直接接触（具有一定的约束）而又能产生一定形式的相对运动的联接。构件间的可动联接。根据构件间接触形式的不同，平面运动副可分为低副低副和高副高副。两构件通过面接触组成的运动副称为低副低副。2024/7/121612七月202416常见的平面低副有转动副转动副和移动副移动副两种转动副转动副两构件间只能产生相对转动的运动副。又称回转副回转副或铰链铰链。移动副移动副两构件间只能产生相对移动的运动副。2024/7/121712七月202417两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副高副。凸轮1与顶杆2齿轮1与齿轮2两构件间的相对运动为接触处切线t-t方向的相对移动和在平面内的相对转动。2024/7/121812七月2024181.2.2 平面机构运动简图平面机构运动简图一、定义：二、绘制：1、运动副的符号转动副：移动副：用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。2024/7/121912七月202419齿轮副凸轮副2.构件（杆）：构件（杆）：2024/7/122012七月202420机构运动简图常用符号（摘自GB4460-85）2024/7/122112七月202421机构运动简图常用符号（摘自GB4460-85）2024/7/122212七月2024223.机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；2）确定所有运动副的类型和数目；3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；4）确定比例尺；5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）2024/7/122312七月202423例1-1绘制图示内燃机的机构运动简图。解(1)分析、确定构件类型内燃机机构,其运动平面平行,故可视为一个平面机构。活塞2为原动件,缸体1为机架,连杆3、曲轴4、齿轮5、齿轮6、凸轮轴7、进气门顶杆8均为从动件(其中顶杆8为执行件,连杆3、曲轴4、齿轮5、齿轮6、凸轮轴7为传动件)。(2)确定运动副类型。曲柄滑块机构中活塞2与缸体1组成移动副,活塞2与连杆3、连杆3与曲轴4、曲轴4与缸体1分别组成转动副。齿轮机构中齿轮5与缸体1、齿轮6与缸体1分别组成转动副,齿轮5与齿轮6组成高副。凸轮机构中凸轮轴7与缸体1组成转动副,顶杆8与缸体1组成移动副,凸轮轴7与顶杆8组成高副。2024/7/122412七月202424(3)定视图方向连杆运动平面为视图方向。(4)选择比例尺,绘制简图。先画出滑块导路中心线及曲轴中心位置,然后根据构件尺寸和运动副之间的尺寸,按选定的比例尺和规定符号绘出，如图所示。或2024/7/122512七月2024251.2.3 平面机构的自由度1构件的自由度一个做平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。这三个独立的运动称为该构件的自由度自由度。如图所示,在xOy坐标系中,构件M可随其上任一点沿x轴、y轴方向移动，也可在xOy平面(绕垂直于xOy平面的轴线z)转动。2024/7/122612七月2024262构件的约束运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束约束。低副：低副：2个约束，个约束，1个自由度个自由度转动副约束了x、y两个方向的移动,只保留一个转动；移动副约束了沿y轴方向的移动和在xOy平面内的转动,只保留沿x轴方向的移动。高副高副:1个约束，个约束，2个自由度个自由度高副只约束了沿接触处公法线n-n方向的移动。2024/7/122712七月202427设一个平面运动机构由k个构件组成,其中一个构件为机架,则有n=k-1个活动构件。未构成运动副之前,这些活动构件应有3n个自由度。假设构成PL个低副和PH个高副,而一个低副引入两个约束,一个高副引入一个约束,每引入一个约束构件就失去一个自由度,故整个运动链相对机架的自由度应为活动件自由度的总数与运动副引入约束总数之差。以F表示机构的自由度数,则有F3n2PLPH2024/7/122812七月202428例1-2计算图示内燃机构件系统的自由度。解：图中,曲轴4和齿轮5、齿轮6和凸轮轴7皆固连在一起,故可视为一个构件。因此n=5PL=6(两个移动副,四个转动副)PH=2F3n2PLPH3526212024/7/122912七月2024293计算平面机构自由度时的注意事项（1）复合铰链两个以上构件在同一处以转动副相连接构成的运动副称为复合铰链。如图所示是三个构件汇交成的复合铰链,图中构件1分别与构件2、构件3构成两个转动副。依此类推，m个构件在一处以转动副相连,应具有m-1个转动副。2024/7/123012七月202430解：由图可知,n=5。B处为复合铰链,含两个转动副，PL=7。PH=0例如计算图示钢板剪切机的自由度。F3n2PLPH3527012024/7/123112七月202431（2）局部自由度机构中出现的与输出、输入运动无关的自由度称局部自由度。如图(a)所示的凸轮机构中,为了减少高副接触处的磨损,在从动件上安装一个滚子,使其与凸轮轮廓线滚动接触。显然,滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动,该转动的自由度即局部自由度。计算时先把滚子看成与从动件连成一体,消除转动副后再计算其自由度,如图(b)所示。此时机构中 n2，PL2,PH1则F3n2PLPH3222112024/7/123212七月202432（3）虚约束 在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。平面机构中的虚约束,常出现在以下情况中:(1)导路平行或重合的移动副：两构件构成多个导路相互平行的移动副时,会出现虚约束。如图18(a)所示的曲柄滑块机构中,移动副D和D只有一个起约束作用,另一个则为虚约束。计算时按图(b)处理。2024/7/123312七月202433(2)轴线重合的转动副：两构件构成多个轴线相互重合的转动副,会出现虚约束。如图(a)所示的齿轮机构中，转动副A和A、B和B只有一个起约束作用,另一个为虚约束。2024/7/123412七月202434(3)传动对称：机构中传递运动而不起独立作用的对称部分形成虚约束，如图所示的差动轮系。三个行星轮2，2，2对称布置，且作用相同，故计算时只取其一，其余为虚约束。2024/7/123512七月202435(4)轨迹重合：连接构件上的轨迹和机构上连接点的轨迹重合时,引入虚约束。如图(a)所示的平行四边形机构中,连接构件5上E点的轨迹与机构连杆BC上E点的轨迹重合,构件5引入了虚约束。计算机构自由度时,应按图(b)处理,将构件5及两个转动副E、F去掉。或2024/7/123612七月2024364.平面机构具有确定运动的条件 平面机构自由度的计算公式F3n2PLPH，表明机构的自由度数、活动构件数和运动副数之间的关系。显然，只有在自由度大于零时机构才可能动，而自由度等于零时，机构是不可能产生任何相对运动的。因此，机构能具有相对运动的条件是F0。F0的条件只表明机构能够动，并不能说明机构是否有确定运动。因此，尚需进一步讨论在什么条件下机构才有确定运动。从动件是不能独立运动的,只有原动件才能独立运动。通常每个原动件只有一个独立运动。因此,要使各构件之间具有确定的相对运动，必须使原动件数等于构件系统的自由度数。2024/7/123712七月202437现从下面两种情况分析:左图为一五杆机构，其自由度为F3n2PLPH3425021.当自由度大于0时,如果原动件数少于自由度数,那么运动链就会出现运动不确定现象,不能成为机构。自由度为2,如果原动件数为1（杆4）,那么就会出现运动不确定现象,不能成为机构,如左图所示。2024/7/123812七月202438 2.如果原动件数大于自由度数,则运动链中最薄弱的构件或运动副可能被破坏,也不能成为机构。图示为一四杆机构。其活动构件数n=3；低副数pL4；高副数pH0。所以，机构的自由度为2024/7/123912七月202439所以,只有当原动件数等于机构的自由度数时,构件之间才能获得确定的相对运动。综上所述,平面机构具有确定运动的条件:机构机构相对于机架的自由度必须大于零相对于机架的自由度必须大于零,且原动件数等于且原动件数等于机构的自由度数。机构的自由度数。2024/7/124012七月202440例1-3计算图示筛料机构的自由度,并判断此构件系统是否具有确定的相对运动。解：图中C处为复合铰链；E和E为两构件组成的导路平行的移动副,其中之一为虚约束；F处滚子为局部自由度。可将滚子与构件3看成是联结在一起的整体,即消除局部自由度且去掉移动副E。2024/7/124112七月202441自由度F3n2PLPH372912此机构自由度数等于2,与原动件数相等，故此构件系统具有确定的相对运动。则得机构的可动构件数n=7,低副数PL9,高副数PH=1。2024/7/124212七月202442例1-4图示简易冲床设计方案，试分析有无错误。如有，试改正。画出运动简图。解：运动简图如左。机构的可动构件数n=3,低副数PL4,高副数PH=1。自由度F3n2PLPH332410机构不能动，设计不合理。2024/7/124312七月202443修改方案修改增加一个滑块（摇块）与一个移动副增加一个杆件与一个转动副低副变高副运动简图2024/7/124412七月202444习题习题1-21-31-51-7指导例1-3指导例1-42024/7/124512七月202445第一章第一章 结束结束2024/7/124612七月2024462024/7/124712七月202447