机构的结构分析专题培训ppt课件

第一章第一章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析本章教学内容本章教学内容1-1 平面机构的组成平面机构的组成1-2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图1-3 平面机构自由度平面机构自由度1-4 机构的组成原理及结构分析机构的组成原理及结构分析1-5 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代第一章 平面机构的结构分析本章教学内容1-1 平面机构1 1.构件构件(Link)机机械械的的独独立立运运动动单单元元，传传递运动和力的载体。递运动和力的载体。实实例例：内内燃燃机机中中的的缸缸体体、活塞、连杆、曲轴等。活塞、连杆、曲轴等。1-2 平面机构的组成平面机构的组成内燃机连杆内燃机连杆 1.构件(Link)1-2 平面机构的2 构件可以是一个零件构件可以是一个零件,也可以由几个零件刚性连接组成。也可以由几个零件刚性连接组成。实实例例：连连杆杆由由连连杆杆体体、轴轴瓦瓦、连连杆杆盖盖、螺螺栓栓、垫垫圈圈、螺螺母、连杆衬套等相互刚性连接组成。母、连杆衬套等相互刚性连接组成。零件零件(Part)是机械的制造单元。是机械的制造单元。连杆体连杆体连杆盖连杆盖螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母连杆衬套连杆衬套轴瓦轴瓦内燃机连杆内燃机连杆 构件可以是一个零件,也可以由几个零件刚性连接组成。零件3 2.运动副运动副 两两个个构构件件以以一一定定几几何何形形状状和和尺尺寸寸的的表表面面相相互互直直接接接接触触所形成的可动连接。所形成的可动连接。运动副元素运动副元素两个构件上相互接触的表面。两个构件上相互接触的表面。2.运动副4运动副元素不外乎运动副元素不外乎为点、线、面为点、线、面。运动副元素不外乎为点、线、面。51.构件的自由度构件的自由度：指一：指一个构件相对另一个构件个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具一个自由构件在空间具有有6个自由度。个自由度。2.约束约束：指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独：指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为运动副引入的约束数：最多为5个。个。构件构件构件构件自由度自由度自由度自由度与约束与约束与约束与约束1.构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立6Oxzysxszsy y x z空间运动刚体的自由度空间运动刚体的自由度 一一个个完完全全独独立立的的刚刚体体在在空空间间直直角角坐坐标标系系下下的的自自由由度度为为sx，sy，sz，x，y，z，即即自自由由度度数数 F 6。平平面面运运动动刚刚体体的的自自由由度度为为sx，sy，z，即即自自由由度度数数 F 3。y x z O y z(x,y)xO平面运动刚体的自由度平面运动刚体的自由度sxsy 刚体的自由度刚体的自由度Oxzysxszsyyxz空间运动刚体的自由度 一7观察图示两构件组成的观察图示两构件组成的圆柱副圆柱副 两构件保留的相对运动两构件保留的相对运动sz和和 z，即自由度数，即自由度数 F 2。两构件之间受限制的相对运动两构件之间受限制的相对运动sx，sy，x和和 y，即约束数，即约束数 s 4。zxyO zsz观察图示两构件组成的圆柱副 两构件保留的相对运动z8 运动副的分类运动副的分类 按运动副引入的约束数分类按运动副引入的约束数分类 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。按运动副的按运动副的接触形式接触形式分类分类 点、线接触的运动副点、线接触的运动副高副高副 面与面接触的运动副面与面接触的运动副低副低副 按两构件相对运动的形式分类按两构件相对运动的形式分类 平面运动副平面运动副 空间运动副空间运动副 按接触部分的几何形状分类按接触部分的几何形状分类 圆圆柱柱副副、球球面面副副、螺螺旋旋副副、球球面面平平面面副副、平平面面平平面面副副、球面球面圆柱副、圆柱圆柱副、圆柱平面副等等。平面副等等。运动副的分类9运动副举例运动副举例球面球面平面副平面副Sphere-plane pair空间空间I 级高副级高副圆柱圆柱平面副平面副Cylinder-plane pair空间空间II 级高副级高副运动副举例球面平面副圆柱平面副10球面副球面副Spherical pair空间空间III 级低副级低副球销副球销副Sphere-pin pair空间空间IV 级低副级低副球面副球销副11圆柱副圆柱副Cylindric pair空间空间IV 级低副级低副螺旋副螺旋副Helical pair空间空间V 级低副级低副圆柱副螺旋副12转动副转动副Revolute pair平面平面V 级低副级低副轴承轴承Bearing铰链铰链Hinged joint转动副轴承铰链13移动副移动副Prismatic pair,Sliding pair平面平面V 级低副级低副移动副14运动副的封闭运动副的封闭 保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。几何封闭几何封闭(Geometric closure)力封闭力封闭(Forced closure)弹簧力封闭弹簧力封闭重力封闭重力封闭运动副的封闭弹簧力封闭重力封闭153、运动链、运动链 运动链运动链:指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运动的系统。动的系统。闭链闭链:运动链运动链的各构件构成首的各构件构成首尾封闭的系统。尾封闭的系统。开链开链:运动运动链的各构件未链的各构件未构成首尾封闭构成首尾封闭的系统。的系统。3、运动链 运动链:指两个以上的构件通过运动副连接而构成16平面运动链平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。各构件间的相对运动为平面运动的运动链。空间运动链空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链各构件间的相对运动为空间运动的运动链。空间运动链空间运动链平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。空间运17 4.机构机构其余构件运动其余构件运动是否确定？是否确定？机构机构满足条件满足条件在另一个（或几个）在另一个（或几个）构件上加上已知运动构件上加上已知运动21341432运动链运动链 4132固定一个构件固定一个构件至少至少1个个1个个机构机构机架机架 原动件原动件 从动件系统从动件系统 4.机构其余构件运动是否确定？机构满足条件在另一个18 4、机构、机构机构机构:在运动链中将一构在运动链中将一构件加以固定件加以固定,而其余构件都而其余构件都具有确定的运动，则运动链具有确定的运动，则运动链便成为机构。便成为机构。机架：机构中固定不动构件。机架：机构中固定不动构件。平面机构平面机构:机构中各构件间的相对运动为平面运动。机构中各构件间的相对运动为平面运动。空间机构空间机构:机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。机架机架原动件原动件原动件原动件:机构中按给定的机构中按给定的运动规律独立运动的构件。运动规律独立运动的构件。从动件从动件:机构其余活动构件。机构其余活动构件。4、机构机构:在运动链中将一构件加以固定,而其余构件都19 平面机构是应用最广泛的机构。平面机构是应用最广泛的机构。平面运动副的约束数为平面运动副的约束数为1 s 2。点、线接触的平面运动副点、线接触的平面运动副平面高副平面高副 面接触的平面运动副面接触的平面运动副平面低副平面低副转动副转动副移动副移动副 滚动副滚动副凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副 平面机构是应用最广泛的机构。面接触的平面201-2 机构运动简图机构运动简图 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：机构运动简图：指根据机构的运动尺寸指根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定按一定的比例尺定出各运动副的位置出各运动副的位置,并用国标规定的简单线条和符号代表构并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。运动尺寸有关。1-2 机构运动简图 机构运动简图机构运动简图：指根21 机构示意图机构示意图机构的示意图：机构的示意图：指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况,不要求严格不要求严格地按比例而绘制的简图。地按比例而绘制的简图。常用运动副和构件的表示方法常用运动副和构件的表示方法机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件：条件：构件数目与实际机构相同；构件数目与实际机构相同；运动副的性质、数目与实际机构相符；运动副的性质、数目与实际机构相符；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。机构示意图机构的示意图：指为了表明机构结构状况,不要求22常用运动副的符号常用运动副的符号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121212121212212121平平面面运运动动副副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121222112211222112运动副运动副名称名称常用运动副的符号运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副23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1212空空间间运运动动副副122112平平面面运运动动副副21平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副12124构件的表示方法构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件构件的表示方法 杆、轴构件固定构件同一构件25三副构件三副构件 两副构件两副构件 构件的表示方法构件的表示方法三副构件 两副构件 构件的表示方法26 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。27常用机构运动简图符号（摘自常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）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圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动带带传传动动常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在机架28链链传传动动圆圆柱柱杆杆蜗蜗轮轮传传动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常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）链传动圆柱杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动常用机构运动简29常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动棘棘轮轮机机构构常用机构运动简图符号（续）内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构30n2）确定运动副类型和数目。n3）选定比例尺，用线条和规定符号作图。n例绘制转动翼板式水泵机构运动简图。n绘制旋转泵机构运动简图。n绘制图示机构的机构运动简图。画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法l1）确定构件数目，辨清主、从动件。2）确定运动副类型和数目。画机构运动简图的方法1）确定构31机架原动件从动件例2:作图步骤：作图步骤：1.1.分析结构和相对运动分析结构和相对运动2.2.选择视图平面和比例尺选择视图平面和比例尺3.3.选择原动件的一个位置选择原动件的一个位置4.4.按表达方式作图按表达方式作图例1:机架原动件从动件例2:作图步骤：例1:321 12 23 34 4ABC141223A14B12C2343 32 24 41 14例题例题3：1234ABC141223A14B12C23432414例题33例题例题4：内燃机内燃机例题4：内燃机34例题例题5：绘制图示：绘制图示颚式破碎机颚式破碎机的机构运动简图的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个构件和个构件和7个转个转动副。动副。123456例题5：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有6个构35ABCEFDG例题例题5：破碎机破碎机ABCEFDG例题5：破碎机36平面机构运动简图绘制举例平面机构运动简图绘制举例偏心泵偏心泵1234例题例题平面机构运动简图绘制举例偏心泵1234例题37例题例题7、图示为一冲床。绕固定中心、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为为原动件，与滑块原动件，与滑块2在在B点铰接，滑块点铰接，滑块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转动，拨叉转动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4转动时，通转动时，通过连杆过连杆5使冲头使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法ABCDE分析：分析：绘制简绘制简图：图：123456例题7、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与38:1.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。的数目。2.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目运动的性质，确定运动副的类型和数目;3.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。运动平面相平行的平面作为投影面。4.选择适当的比例尺选择适当的比例尺,定出各运动副之间的相对位置，定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号用规定的简单线条和各种运动副符号,将机构运动将机构运动简图画出来。简图画出来。5.从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。运动的方向。小结：小结：:小结：39 实例分析实例分析 1-3 平面机构自由度平面机构自由度四杆机构四杆机构给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。其余构件有确定运动。机构中给定机构中给定独立运动参数的独立运动参数的构件为原动件。构件为原动件。问题：取运动链中某个构件为机架，其余问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动构件在什么条件下才具有确定运动？实例分析 1-3 平面机构自由度四杆机构给定一40五杆机构五杆机构一一 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必须给定的独立运机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。动参数的数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构有确定运动。五杆机构一 机构具有确定运动的条件给定一个独立运动参数：41 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动刚性桁架，构件之间无相对运动原动件数小于原动件数小于F,各构件无确定的相对运动各构件无确定的相对运动原动件数大于原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏在机构的薄弱处遭到破坏结论：结论：机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：1 机构自由度机构自由度 0 2 原动件数原动件数 机构自由度数机构自由度数 结论结论 机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动42二二 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算(1)平面运动构件的自由度平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动构件可能出现的独立运动)(2)平面运动副引入的约束平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制对独立的运动所加的限制)xy21 与其它构件未连之前：与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后用运动副与其它构件连接后,运运动副引入约束动副引入约束,原自由度减少原自由度减少xyoxyottnnR=2R=2R=1结论：结论：平面低副引入平面低副引入2个约束个约束平面高副引入平面高副引入1个约束个约束二 平面机构自由度的计算(1)平面运动构件的自由度(243(3)平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：如果：活动构件数：n 低副数：低副数：pl 高副数：高副数：phxy21未连接前总自由度：未连接前总自由度：3n连接后引入的总约束数：连接后引入的总约束数：2pl+phF=3n-(2pl+ph)n机构自由度机构自由度F：F=3n-2pl-ph(3)平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：nxy2144机构自由度举例：机构自由度举例：1234F=3n2plph =3 2 340=112345F=3n2plph =3 2 450=2F=3n2plph =3 2 221=1BCAF=3n2plph =3 2 340=1F=3n2plph =3 2 451=1机构自由度举例：1234F=3n2plph 340=45自由度 F0原动件数目机构自由度数目n=6,Pl=8,Ph=1(3与与5同一构件同一构件)F=3n2PlPh=36281=1原动件原动件 机构有确定运动机构有确定运动例例:机构具有确定运动的条件(F=0(F=0不动；多于不确定不动；多于不确定 ;少于破坏）少于破坏）3自由度 F0n=6,Pl=8,Ph=1(346内燃机及其机构运动简图内燃机及其机构运动简图F3n(2plph)3627 31内燃机及其机构运动简图F3n(2plph)36247直线机构直线机构 计算错误的原因：计算错误的原因：三三 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举例举例直线机构自由度计算直线机构自由度计算 解解 n 7，pL 6，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9错误的结果！错误的结果！两个转动副两个转动副12345678ABCDEF直线机构 计算错误的原因：三 计算机构自由度时应注意的问48 复合铰链复合铰链 定定义义：两两个个以以上上的的构构件件在在同同一一处处以以转转动动副副联联接接所所构构成成的的运运动副。动副。k个构件组成的复合铰链，有个构件组成的复合铰链，有(k-1)-1)个个转动副转动副。正确计算正确计算 B、C、D、E处处为为复复合合铰铰链链，转转动动副数均为副数均为2。n 7，pL 10，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 10 112345678ABCDEF 复合铰链 正确计算 12345678ABCDE49 准确识别复合铰链举例准确识别复合铰链举例关键：关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副 1231342123441321432312两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副 准确识别复合铰链举例1231342123441321450实例分析实例分析2：计算图示凸轮机构自由度：计算图示凸轮机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=33-23-1=2F=3n-2 pl ph-F =33-23-1-1=1方法二：假想构件方法二：假想构件2 2和和3 3焊成一体焊成一体F=3n-2 pl ph=32-22-1=1 局部自由度局部自由度计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续）机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动动,把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F表示表示.注意：计算机构自由度时注意：计算机构自由度时,应将局应将局部自由度除去不计。部自由度除去不计。方法一：方法一：实例分析2：计算图示凸轮机构自由度解：F=3n-2 pl 51 指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用,这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用用P表示。表示。计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续）虚约束虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。将因虚约束而减少的自由度再加上。将因虚约束而减少的自由度再加上。即：即：F=3n-2 pl ph+P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引起虚约束的附加构件和运动副数。F=3n-2 pl ph去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运52 虚约束虚约束 定义定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。：机构中不起独立限制作用的重复约束。计计算算具具有有虚虚约约束束的的机机构构的的自自由由度度时时，应应先先将将机机构构中中引引入入虚虚约束的运动副或运动链部分除去。约束的运动副或运动链部分除去。虚约束发生的场合虚约束发生的场合 两构件间构成多个运动副两构件间构成多个运动副两构件构成多个两构件构成多个导路平行的移动副导路平行的移动副两构件构成多个两构件构成多个轴线重合的转动副轴线重合的转动副 虚约束 两构件间构成多个运动副两构件构成多53 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各合，将提供各2个约束。个约束。此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束两构件构成多个接触两构件构成多个接触点处法线重合的高副点处法线重合的高副 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合5452134EF5 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 3241EF 附加的构件附加的构件5和其两端的转动副和其两端的转动副E、F提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即即引引入入了了一一个个约约束束，但但这这个个约约束束对对机机构构的的运运动动不不起起实实际际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1?52134EF5 两构件上某两点间的距离在运动过55 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 附加的构件附加的构件4和其两端的转动副和其两端的转动副E、F以及附加的构件以及附加的构件1和和其两端的转动副其两端的转动副A、B提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即即引引入入了了一一个个约约束束，但但这这个个约约束束对对机机构构的的运运动动不不起起实实际际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 11234ABDFEC43125ABCD平行四边形机构平行四边形机构椭圆仪机构椭圆仪机构构件构件2和和4在在E点轨迹重合点轨迹重合构件构件1和和2在在B点轨迹重合点轨迹重合 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 561B342A 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 对对称称布布置置的的两两个个行行星星轮轮2 和和2 以以及及相相应应的的两两个个转转动动副副D、C和和4个平面高副提供的自由度个平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束。即引入了两个虚约束。未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1周转轮系周转轮系 去掉虚约束后去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 11234ADBC2 2 1B342A 机构中对传递运动不起独立作用的对称57 虚约束的作用虚约束的作用 改改善善构构件件的的受受力力情情况况，分分担担载载荷荷或或平平衡衡惯惯性性力力，如如多多个行星轮。个行星轮。增加增加结构刚度结构刚度，如轴与轴承、机床导轨。，如轴与轴承、机床导轨。提提高高运运动动可可靠靠性性和和工工作作的的稳稳定定性性，如如机机车车车车轮轮联联动动机机构构。注注意意：机机构构中中的的虚虚约约束束都都是是在在一一定定的的几几何何条条件件下下出出现现的的，如如果果这这些些几几何何条条件件不不满满足足，则则虚虚约约束束将将变变成成实实际际有有效效的的约约束束，从而使机构不能运动。从而使机构不能运动。虚约束的作用 注意：机构中的虚约束都是在一定的几何58小结小结计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续）存在于转动副处存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件则个构件则有有(m-1)个转动副个转动副 复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。由度减去。虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。小结计算机构自由度应注意的事项（续）存在于转动副处 复59典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。并判断该机构是否有确定运动。解法解法2：复合铰链：复合铰链：D包含包含2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=2虚约束：杆虚约束：杆8及转动副及转动副F、I引引入入1个虚约束。个虚约束。计算自由度前直接去除虚约计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：束和局部自由度：动画演示动画演示解法解法1：计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析 n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是60典型例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部典型例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链复合铰链解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析典型例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和61典型例题二（续）典型例题二（续）复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析典型例题二（续）复合铰链局部自由度1个虚约束复合铰链计算机62一、机构的组成原理一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：自由度数自由度数=原动件数原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。称为机构的基本杆组。1-4 1-4 平面机构的组成原理及结构分析平面机构的组成原理及结构分析1.杆组杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组自由度为零的杆组一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：基本杆组：把机构63基本杆组应满足的条件基本杆组应满足的条件F 3n 2pL 0 即即n (2 3)pL 基本杆组的构件数基本杆组的构件数n 2，4，6，基本杆组的运动副数基本杆组的运动副数pL 3，6，9，根据根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：n 2，pL 3的双杆组的双杆组(II级组级组)内接运动副内接运动副外接运动副外接运动副R-R-R组组R-R-P组组R-P-R组组P-R-P组组R-P-P组组基本杆组应满足的条件基本杆组的构件数n 2，4，664 n 4，pL 6的多杆组的多杆组III级组级组 结结构构特特点点 有有一一个个三三副副构构件件，而而每每个个内内副副所所联联接接的的分分支支构件是两副构件。构件是两副构件。n4，pL6的多杆组 结构特点 有一个三副构65 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。2.2.机构的组成原理机构的组成原理动画演示动画演示机构组成过程机构组成过程 机构创新设计应遵循的原则机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。件数和运动副数越少越好。机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动66机构结构组成举例机构结构组成举例 BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHABCD注意注意 杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。机构结构组成举例BC2D3EF45GIH67JA1867A19B2 C5463DEFGA19B2645GE3CDFIHJ78HJI87 在在进进行行新新机机械械方方案案设设计计时时，可可以以按按设设计计要要求求由由杆杆组组组组成成机构，进行创新设计。机构，进行创新设计。A19B2C5463DEFGA19B2645GE3CDF68二、平面机构的结构分类二、平面机构的结构分类 II级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。级的机构。III级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。级组的机构。级机构级机构 只由机架和原动件组成的机构称为只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。级的机构。（杠杆机构、斜面机构）（杠杆机构、斜面机构）机构结构分类的依据：机构结构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。二、平面机构的结构分类 II级机构 机构结构分类的69 结构分析目的结构分析目的 三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析 了解机构的组成，确定机构的级别。了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。结构分析的过程结构分析的过程拆杆组拆杆组 从离原动件最远的构件开始试拆，先拆从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不级组，若不成，再拆成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。为止。杆组拆分原则杆组拆分原则 机构结构分析步骤机构结构分析步骤典型例题典型例题1：试确定图示机构级别。试确定图示机构级别。1、正确计算机构的自由度；、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。、最后定出机构的级别。杆组拆分示例杆组拆分示例 结构分析目的 三、平面机构的结构分析 70机构结构分析举例机构结构分析举例EF45GIH67J BC2D3A1871245683GEFJIHABCD机构级别机构级别III级机构级机构III级组级组II级组级组机构结构分析举例EF45GIH67JBC2D3A18715IH7G BC2A1 机构级别机构级别II级机构级机构注意注意机构的级别与原动件的选择有关。机构的级别与原动件的选择有关。71245683GEFJIHABCDD3EF468J II级组级组II级组级组II级组级组5IH7GBC2A1 机构级别II级机构7124572 平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。高副低代的含义高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构中的高副虚拟地用根据一定条件对平面高副机构中的高副虚拟地用低副来代替的方法。低副来代替的方法。高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。1-5 1-5 平面机构的高副低代平面机构的高副低代 平面机构中高副低代的目的1-5 平面机构的高副低代731-5 平面机构的高副低代（续）平面机构的高副低代（续）高副低代方法高副低代方法 结论结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。分析：分析：高副：提供高副：提供1个约束个约束低副：提供低副：提供2个约束个约束不能直接用低副来代替，不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？如何进行高副低代？高副两元素均为圆弧高副两元素均为圆弧高副元素为非圆曲线高副元素为非圆曲线1-5 平面机构的高副低代（续）高副低代方法 74高副两元素之一为直线高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点高副两元素之一为一点因其曲率半径为零，其中一因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。个转动副就在该点处。因其曲率中心在无穷远处，则其因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；中的一个转动副变为移动副；典型例题一典型例题一：试确定图示高副机构的级别。：试确定图示高副机构的级别。高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点因其曲率半径为零，其75典型例题二：计算图示机构的自由度，分析机构组成情况。典型例题二：计算图示机构的自由度，分析机构组成情况。画箭头的构件为原动件。画箭头的构件为原动件。解：解：1.1.分析分析复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链2.2.计算自由度计算自由度去除需约束和局部自由度后机构简图去除需约束和局部自由度后机构简图3.3.高副低代高副低代典型例题二：计算图示机构的自由度，分析机构组成情况。画箭头的76典型例题二（续）：典型例题二（续）：4.结构分析结构分析二级机构二级机构典型例题二（续）：4.结构分析二级机构77216DKO3457CBA109HGFEIJ8例例3 对图示电锯机构进行结构分析。对图示电锯机构进行结构分析。解解n 8，pL 11，pH 1，F 3n 2pL pH 3 8 2 11 1 1 1。机机构构无无复复合合铰铰链链和和虚虚约约束束，局局部部自自由由度度为为滚滚子子10绕绕自自身轴线的转动。身轴线的转动。高副低代高副低代O6DO1345721CBA119HGFEIJ8216DKO3457CBA109HGFEIJ8例3 对图78拆分基本杆组拆分基本杆组6GJ8II级机构级机构7HI5FD34ECO6DO1345721CBA119HGFEIJ8O19O12BA11拆分基本杆组6GJ8II级机构7HI5FD34ECO6DO179 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构原动件数机构原动件数=机构自由度数机构自由度数F=3n-(2 pl+ph)=3n-2 pl-ph 计算计算机构自由度应注意的事项机构自由度应注意的事项 复合铰链、局部自由度、虚约束复合铰链、局部自由度、虚约束 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图构件、运动副、运动链、机构构件、运动副、运动链、机构本章小结本章小结 机构具有确定运动的条件机构原动件数=机构自由度数F=3n80第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。结构分类及结构分析结构分类及结构分析 注意杆组拆分原则注意杆组拆分原则 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代代替条件：代替条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。率中心。本章小结本章小结第二章 平面机构的结构分析 平面机构的组成原理 结构81