第1章机构的组成和运动简图

*,*,*,*,*,*,24 十一月 2024,1,第,1,篇 机构的组成和机械设计概论,第,1,章 机构的组成和运动简图,1.1,课程概论,1.2,平面,机构的组成和运动简图,24 十一月 2024,2,1.1,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。,24 十一月 2024,3,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。,24 十一月 2024,4,2),构件与零件、部件,机构中的运动单元称为,构件,。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,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。,24 十一月 2024,5,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。,24 十一月 2024,6,2.,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。,24 十一月 2024,7,3.,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。,24 十一月 2024,8,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,24 十一月 2024,9,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,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,24 十一月 2024,10,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,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。,24 十一月 2024,11,(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。,24 十一月 2024,12,机械零件,可以分为,两大类,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,：,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。,机器的最小元素是,零件,24 十一月 2024,13,1.2,平面,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,24 十一月 2024,14,1.2.1,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。,24 十一月 2024,15,2.,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,和,高副,。,两构件通过面接触组成的运动副称为,低副,。,24 十一月 2024,16,常见的平面低副有,转动副,和,移动副,两种,转动副,两构件间只能产生相对转动的运动副。又称,回转副,或,铰链,。,移动副,两构件间只能产生相对移动的运动副。,24 十一月 2024,17,两构件通过点或线接触组成的运动副称为,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。,24 十一月 2024,18,1.2.2,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。,24 十一月 2024,19,齿轮副,凸轮副,2.,构件（杆）：,24 十一月 2024,20,机构运动简图常用符号（摘自,GB4460-85,）,24 十一月 2024,21,机构运动简图常用符号（摘自,GB4460-85,）,24 十一月 2024,22,3.,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,),）,24 十一月 2024,23,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。,24 十一月 2024,24,(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,24 十一月 2024,25,1.2.3,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,。,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。,24 十一月 2024,26,2,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,。,低副：,2,个约束，,1,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,:,1,个约束，,2,个自由度,高副只约束了沿接触处公法线,n-n,方向的移动。,24 十一月 2024,27,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,3,n,个自由度。假设构成,P,L,个低副和,P,H,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,F,3,n,2,P,L,P,H,24 十一月 2024,28,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,=5,P,L,=6,(,两个移动副,四个转动副,),P,H,=2,F,3,n,2,P,L,P,H,35,26,2,1,24 十一月 2024,29,3,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。,24 十一月 2024,30,解：由图可知,n,=5,。,B,处为复合铰链,含两个转动副，,P,L=7,。,P,H=0,例如计算图示钢板剪切机的自由度。,F,3,n,2,P,L,P,H,35,27,0,1,24 十一月 2024,31,（,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,n,2,，,P,L,2,P,H,1,则,F,3,n,2,P,L,P,H,32,22,1,1,24 十一月 2024,32,（,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。,24 十一月 2024,33,(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。,24 十一月 2024,34,(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。,24 十一月 2024,35,(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,24 十一月 2024,36,4.,平