机械原理结构分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2-1,构件及其运动副,2-2,机构运动简图的绘制,2-3,平面机构自由度的计算,2-4,机构的组成原理及结构分析,2-5,平面机构中的高副低代,第二章 平面机构的结构分析,2-1 构件及其运动副,一,、,构件,二,、,运动副,两个构件直接接触且具有确定相对运,动的联接。,平面运动副分类,:,转动副,移动副,特点：,面接触、,相对转动或相对移动,低副,运动的单元.,运动副元素,两构件相互接触的点、线、面。,齿轮副,凸轮副,特点：,点或线接触、,沿接触点切线方向相对移动,绕接触点的转动,高副,螺旋副,球面副,三,、运动链,若干构件通过运动副联接而成的可动系统称,运动链,若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。,四,、,机构中构件的分类：,1、机架（,描述运动的参考系,）,2、原动件（,运动规律已知的构件,）,3、从动件,2-2 平面机构运动简图的绘制,机构运动简图,表示机构,运动特征,的一种工程用图,表达方式：,用简单线条表示构件,规定符号代表运动副,按比例定出运动副的相对位置,与运动有关的因素：,构件数目,运动副数目及类型,运动副之间的相对位置,转动副,一、运动副符号,移动副,齿轮副,凸轮副,1,2,2,1,2,2,螺旋副,球面副,机构运动简图表,二、构件,不管构件形状如何，简单线条表示，带,短剖面线,表示,机架,。,带运动副元素的构件,三、,机构运动简图的绘制,方法与步骤：,1.确定构件数目及原动件、输出构件；,2.根据各构件间的相对运动确定运动副的种类和数目；,3.选定比例尺，按规定符号绘制运动简图；,4.标明机架、原动件和作图比例尺；,5.验算自由度。,机架,A,B,C,A,B,C,1,2,3,4,A,B,C,14,12,23,A,14,B,12,C,234,3,2,4,1,4,例2-1,绘制图示机构简图,A,1,2,3,4,B,C,D,例2-2,颚式破碎机,例2-3.,绘制转动翼板式水泵机构运动简图,例2-4.,绘制旋转泵机构运动简图,例2-5.,绘制图示机构的机构运动简图,例2-6,活塞泵,运动副？,例2-7,小型压力机,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，以确定运动副的数目。,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,;,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。,选择适当的比例尺,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,将机构运动简图画出来。,小结：,一,、,构件的自由度,自由度,构件所具独立运动的个数（确定构件位置所,需独立坐标数）。,一个完全自由的平面运动构件,具有三个,自由度,。,x,y,2,1,x,y,y,x,2-3 平面机构的自由度,F=,6,F=,3,不论形成运动副的两个构件是否其中有一个相对固定，,运动副引入的约束数,S均相同,。,二,、,平面运动副的约束条件,约束,限制,约束条件,约束数,运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度。,1.,转动副,x,0,y,0,x,y,约束数 S = 2,F=,1,F=,4,2.,移动副,约束数 S = 2,3.,齿轮副,4.,凸轮副,n,n,约束数 S = 1,n,n,平面低副约束数 S = 2,平面高副约束数 S = 1,三、平面机构的自由度,机构的自由度 F=,3,活动构件数,-2低副数,-1高副数,计算公式,F 3n,2P,L,P,H,1.机构自由度的计算公式,F3n,2P,L,P,H,3,2, ,3,4,0,1,F3n,2P,L,P,H,3,2, ,4,5,0,2,F3n,2P,L,P,H,3,2, ,2,2,1,1,F=3n-2P,L,-P,H,=3,2,-2,3,-,0,=,0,F=3n-2P,L,-P,H,=3,3,-2,5,-,0,=,-1,三个构件通过三个转动副相连, 相当于一个构件。,F=3n-2 P,l, P,h,=34 - 25-0=2,F=3n-2 p,l, p,h,=33 - 24-0=1,四杆机构,五杆机构,2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件,有一个机架,自由度大于零（F0）,原动件数 =自由度数,（通常，原动件为含低副构件且与机架相连, 只有一个自由度。）,3.注意事项,复合铰链,m个构件(m,3),在同一处构成共轴线的转动副,4,1,2,3,5,6,F 3n2P,L,P,H, 3,2,5,6,0,3,F 3n2P,L,P,H, 3,2,5,7,0,1,m-1,个低副,复,计算在内,5,2,3,1）要正确计算运动副数目,F3n2P,L,P,H,3,2,7,6,0,9,F3n2P,L,P,H,3,2,7,10,0,1,?,复,复,复,复,例2-7:,圆盘锯机构,F3n2P,L,P,H,3,2,1,2,3,F3n2P,L,P,H,3,2,2,3,1,-,1,两构件间构成多个运动副,3.注意事项,（续）,错,2,2,1,1,对,移动副导路,平行,转动副轴线,重合,平面高副接触点,共法线,“转动副”,“移动副”,F3n2P,L,P,H,3,2,3,3,1,2,3.注意事项,（续）,机构中某些构件所具有的局部运动，并不影响机构运动的自由度。,2）,局部自由度,排除,F3n2P,L,P,H,-F,3,2, -,3,3,1,1,1,这时,F3n2P,L,P,H,-,F,式中,F,为,局部自由度数目,4,1,2,3,5,1,2,3,4,F3n2P,L,P,H,3,2,3,4,0,1,F3n2P,L,P,H,3,2,4,6,0,0,？,对,3）虚约束,不产生实际约束效果的,重复约束,排除,3.注意事项,（续）,应用实例,F3n2P,L,P,H,+,P,3,2, +,4,6,0,1,1,.,轨迹重合,转动副联接的两构件上联接点的轨迹重合,1,2,3,4,B,O,A,F3n2P,L,P,H,+P,3,2, +,3,4,1,1,1,F3n2P,L,P,H,3,2,3,4,1,0,错,对,虚约束常发生在下列情况,n4，P,L,4，P,H,0，P,1 F1,4,1,2,3,5,用一个构件两个运动副去联接则构成,虚约束,.,两构件上某两点间的距离在运动过程中始终不变,虚约束,F3n2P,L,P,H,+P,3,2, +,4,6,0,1,1,.,对传递运动不起独立作用的重复部分,1,2,3,2,虚,F3n2P,L,P,H,+P,3,2, +,4,4,4,1,1,P,2P,l,+P,h,3n,2,+ ,2,4,3 2,2,F3n2P,L,P,H,+P,3,2, +,5,5,6,1,2,虚,平面机构自由度计算公式,F3n- 2P,L,- P,H,+ P,- F,F, ,局部自由度数 P,H,高副数,n,活动构件数 P, ,虚约束数,P,L,低副数 F, ,局部自由度数,F3n2P,L,P,H,+,P,- F,3,2, + -,7,9,1,1,局,复,局,F3n2P,L,P,H,+ P,- F,3,2, + -,8,10,1,2,例2-9:,例2-8:,4,1,2,3,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,9,0,1,8,0,1,F3n2P,L,P,H,3,2,8,11,1,1,例2-10:,小结,计算机构自由度应注意的事项,存在于转动副处,正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副, 复合铰链,局部自由度,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。,正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。, 虚约束,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运动副除去不计。,例2-11：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。,解法2：复合铰链：D包含2个转动副,局部自由度：F=2,虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。,计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：,动画演示,解法1：,计算机构自由度典型例题分析,n=6 p,l,=7 p,h,=3,F=3n-2p,l,-p,h,=1,例2-12：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。,复合铰链,解：分析,局部自由度,1个虚约束,复合铰链,复合铰链,局部自由度,1个虚约束,复合铰链,一、机构的组成原理,机构具有确定运动的条件：自由度数=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称为机构的基本杆组。,2-4 机构的组成原理及结构分类,1. 杆组,机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。,可以再拆成更简单的自由度为零的杆组,对于全低副的杆组：,n,个构件、,p,l,个低副,基本杆组的分类,根据,n,的取值基本杆组分为以下几种情况：,（1）,n,=2,p,l,=3的双杆组：又叫级杆组,常见级杆组的形式为,n,和,p,l,为整数,n=2,4,6,（2）,n,=4,p,l,=6的多杆组，又叫 级杆组,特征为杆组中具有一个三副构件。,常见的三种形式为,（3）更高级别的杆组,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。,2. 机构的组成原理,动画演示,机构组成过程,一、机构的组成原理（续）,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。,二、平面机构的结构分类,II级机构,指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。,III级机构,指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。,级机构,只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。杠杆机构、斜面机构）,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。,结构分析目的,三、平面机构的结构分析,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。,结构分析的过程,拆杆组,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III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，直到只剩原动件为止。,杆组拆分原则,机构结构分析步骤,典型例题1,：,试确定图示机构级别。,1、正确计算机构的自由度；,2、根据机构拆分原则进行拆分,3、最后定出机构的级别。,杆组拆分示例,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,根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。,高副低代的条件：,代替前后机构的自由度不变；,代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,2-5 平面机构的高副低代,高副低代方法,结论,：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。,分析：,高副：提供1个约束,低副：提供2个约束,不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,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，其中一个转动副就在该点处。,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；,典型例题,：试确定图示高副机构的级别。,机构具有确定运动的条件,机构原动件数=机构自由度数,F=3n-(2 p,l,+ p,h,)=3n-2 p,l,- p,h,计算,机构自由度应注意的事项,复合铰链、局部自由度、虚约束,平面机构自由度的计算,机构的组成,机构运动简图,构件、运动副、运动链、机构,本章小结,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。,结构分类及结构分析,注意杆组拆分原则,平面机构中的高副低代,代替条件：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率中心。,结束,