机械原理-第2章结构分析.ppt

教学目的 掌握机构的组成 会画机构运动简图 会判断机构是否具有确定运动 会计算平面机构自由度 理解平面机构的组成原理 结构分析 机构中所有构件均在一个或几个平面运动 另有空间机构概念 avi avi 2 1内容目的 平面机构 研究内容之二 机构运动的可能性及具有确定运动的条件 研究内容之一 研究机构的组成 绘制机构运动简图 研究内容之三 研究机构的组成原理 定义 机器中每个独立的运动单元体特点 一个构件 可以是一个零件 也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体 2 2机构组成 构件 由三个零件组成的构件 从运动角度看 任何机器都是由若干个构件组合而成 自由构件有三个独立运动 沿x方向的移动沿y方向的移动绕任意点A的转动 构件的独立运动称为构件的自由度 即作平面运动的自由构件有3个自由度 定义 两构件直接接触而组成的可动联接 运动副是一种联接 运动副由两个构件组成 组成运动副的两个构件之间有相对运动 运动副元素 两构件上能直接参加接触构成运动副的表面 avi 2 2机构组成 构件 运动副 机构是由运动副逐一联接各个构件组成的 机构的运动副的类型决定机构的运动形式 avi avi 2 2机构组成 构件 运动副 根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副 球面高副 avi 柱面高副 avi 运动副元素以面接触的运动副称为低副 移动副 avi 球面低副 avi 回转副 avi 根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副 平面运动副A 低副 移动副 avi 转动副 avi 齿轮副 avi 凸轮副 avi B 高副 自由度为1 自由度为2 空间运动副 螺旋副 avi 圆柱套筒副 avi 球销副 avi 开式运动链 avi 闭式运动链 avi 2 2机构组成 构件 运动副 运动链 构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统 机构 avi 如果将运动链中的一个构件固定 并使另一个或几个构件按给定的规律运动 而且其余构件都能随之作确定的相对运动 则这种运动链就成为机构 2 2机构组成 构件 运动副 运动链 机构 在研究机构运动特性时 为了使问题简化 只考虑与运动有关的运动副的数目 类型及相对位置 用简单线条和规定符号表示构件和运动副的类型 并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸 这种表示机构组成和各构件间运动关系的简单图形 称为机构运动简图 只是为了表示机构的结构组成及运动原理而不严格按比例绘制的机构运动简图 称为机构示意图 2 3运动简图 定义 常用机构构件 运动副代表符号 P7 l avi 2 3运动简图 定义 绘制步骤 研究机构运动原理 确定原动件及执行元件 认清运动传递路线 确定构件数目 运动副数目及相对位置 选择视图方向与比例 用规定符号绘制 标出原动件运动方向 1 2 3 4 5 6 O A B C D E F 2 4机构具有确定运动条件 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F 机构具有确定运动的条件 机构的原动件数目应等于机构的自由度数目 构件独立运动的数目称为自由度对构件运动的限制作用称为约束 2 5机构自由度的计算 平面运动副A 低副 移动副 avi 转动副 avi 齿轮副 avi 凸轮副 avi B 高副 引入了2个约束条件 自由度为1 引入了1个约束条件 自由度为2 机构的自由度F 机构的独立运动数目 平面机构独立运动的数目为 所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和 对于具有n个活动构件的平面机构 若各构件之间共构成了Pl个低副和Ph个高副 则它们共引入 2Pl Ph 个约束 机构的自由度F为 F 3n 2Pl Ph 2 5机构自由度的计算 机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件 1 若机构自由度 则机构不能动 2 若 且与原动件数 F 则机构各构件间的相对运动是确定的 3 若 0 而原动件数 F 则构件间不能运动或产生破坏 4 若 0 而原动件数 F 则构件间的运动是不确定的 机构具有确定运动的条件是 机构的原动件数等于机构的自由度数 由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链 由m个构件构成的复合铰链应当包含 m 1 个转动副 avi F 3n 2pl ph 3 7 2 10 0 1 2 6计算自由度注意事项 复合铰链 机构中某些构件所具有的不影响其余构件运动的自由度 称为局部自由度 处理方式 舍弃不计 avi 例题 作业2 20 复合铰链 局部自由度 2 6计算自由度注意事项 F 3n 2p p 3 4 2 6 0 F 3n 2p p 3 3 2 4 1 avi avi 复合铰链 局部自由度 虚约束 2 6计算自由度注意事项 在机构中 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 处理方式 先将产生虚约束的构件和运动副去掉 然后再进行计算 复合铰链 局部自由度 虚约束 2 6计算自由度注意事项 搞清楚虚约束的概念 在机构中 两构件构成运动副所引入的约束是用来限制某些相对运动的 某些运动链所带入的约束可能与机构所受的其他约束相重复 即对相对运动的限制发生了重复 因而对机构的运动实际上起不到约束作用 这种约束称为虚约束 虚约束的存在需要一定的特定条件 并满足一定的几何关系 有时还需要一定的几何证明来判断 若这些条件不满足 则应为有效约束 此时机构自由度减少 可能就不能运动了 复合铰链 局部自由度 虚约束 2 6计算自由度注意事项 虚约束经常出现的情况 1 转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点 如图2 19 图2 20 2 用双转动副杆连接的是两运动构件上某两点间距离始终保持不变的两点 如图2 19 3 不影响机构运动传递的重复部分 如图2 21 复合铰链 局部自由度 虚约束 2 6计算自由度注意事项 同一运动副 两构件在多处接触 构成转动副 且各轴线重合 则认为是一个转动副构成移动副 且移动方向平行 则认为是一个移动副构成高副 且各接触点公法线重合 则认为是一个高副 构成高副 复合平面高副 即两构件多处接触而形成平面高副 但接触点公法线方向不重合 即相交或平行 如图2 17 avi avi 机构中为什么要使用虚约束 a 使受力状态更合理 b 使机构平衡 c 考虑机构在特殊位置的运动 avi 复合铰链 局部自由度 虚约束 2 6计算自由度注意事项 机构自由度计算 计算过程中注意事项 1 复合铰链 由m个构件构成的复合铰链应当包含 m 1 个转动副 2 局部自由度 在计算机构自由度时 局部自由度应当舍弃不计 3 虚约束 先将产生虚约束的构件和运动副去掉 然后再进行计算 例题2 8 机构自由度计算举例 例1图示牛头刨床设计方案草图 设计思路为 动力由曲柄1输入 通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动 并带动滑枕4作往复移动 以达到刨削加工目的 试问图示的构件组合是否能达到此目的 如果不能 该如何修改 1 2 3 4 解 首先计算设计方案草图的自由度F 3n 2Pl Ph 3 4 2 6 0 改进措施 1 增加一个低副和一个活动构件 2 用一个高副代替低副 例2如图所示 已知 DE FG HI 且相互平行 DF EG 且相互平行 DH EI 且相互平行 计算此机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 n 8 Pl 11 Ph 1F 3n 2Pl Ph 3 8 2 11 1 1 例3计算图所示机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 n 6 Pl 8 Ph 1F 3n 2Pl Ph 3 6 2 8 1 1 例4如图所示 已知HG IJ 且相互平行 GL JK 且相互平行 计算此机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 n 8 Pl 11 Ph 1F 3n 2Pl Ph 3 8 2 11 1 1 将自由度F 0且不能再分 否则F 0 的运动链 构件组 称为基本杆组 构件数最少 自由度为零的构件组 平面机构的组成原理 任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的 2 7机构组成原理 组成原理 设基本杆组的运动副全为低副 则基本杆组自由度的计算公式为 由于活动构件数n和低副数Pl都必须是整数 所以n应是2的倍数 Pl应是3的倍数 也就是说 在一个基本杆组中 其构件数和低副数有以下关系 n 2 Pl 3n 4 Pl 6 基本杆组的类型 F 3n 2Pl 0 n 2Pl 3 2 7机构组成原理 组成原理 基本杆组 只由机架和原动件所构成的机构 如杠杆机构 斜面机构等 称为 级机构 组成机构的杆组的最高级数称为机构的级 级杆组 4个构件6个低副所组成 并且都有1个包含3个低副的构件 最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组 称之为 级杆组 是机构中最常见的一类基本杆组 目的 确定机构的级别 机构的级别取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别 机构结构分析的步骤是 1 计算机构的自由度 确定原动件 2 从远离原动件的地方开始拆杆组 先试拆 级组 当不可能时再拆 级组 但应注意 每拆一个杆组后 剩下的部分仍组成机构 且自由度与原机构相同 直至全部杆组拆出只剩下 级机构 3 确定机构的级别 2 7机构组成原理 组成原理 基本杆组 结构分析 例 试确定图示机构的级别 解 1 计算机构的自由度 F 3n 2pl ph 3 7 2 10 0 1 以构件1为原动件 2 进行结构分析 3 确定机构的级别 另 若将该机构的原动件由构件1改为构件8 则有 结构分析图 高副低代是指用只含低幅的构件去代替高副 1 条件 代换前后机构的自由度不变 机构的瞬时运动关系不变 说 瞬时 就意味着当组成高副的运动元素不是圆 而是任意曲线时 我们可以用接触点的曲率圆来作瞬时代替 2 目的 1 便于对机构进行运动分析 2 进一步揭示高副与低幅的内在联系 2 7机构组成原理 组成原理 基本杆组 结构分析 高副低代 代换方法 高副替代成低幅时 是用一个约束度为1 即F 1的带有低幅的构件去代替 具体说就是 一个杆代二个低幅 P20 或 F 3 1 2 2 1这样代替前后自由度才能保持不变 2 7机构组成原理 组成原理 基本杆组 结构分析 高副低代