机械原理--第二章ppt课件.ppt

第二章第二章 机构的组成及其自由度的计算机构的组成及其自由度的计算2-1 机构的组成机构的组成2-2 机构运动简图机构运动简图2-3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件2-4 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算2-5 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项思考题与练习题思考题与练习题2-1 机构的组成机构的组成1.1.构件构件2.2.运动副运动副3.3.运动链运动链4.4.机构机构1.1.构件构件 从运动角度来看，任何机器（或机构）从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为这些独立运动单元体称为构件构件。 从加工制造角度来看，任何机器（或从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组机构）都是由许多独立制造单元体组合而成，这些独立制造单元体称为合而成，这些独立制造单元体称为零零件件。气缸体气缸体连杆连杆曲轴曲轴齿轮齿轮活塞活塞构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。动，相互之间不产生相对运动。运动副元素运动副元素是两构件参与接触而构成运动副的表面。是两构件参与接触而构成运动副的表面。运动副运动副是两构件直接接触而构成的可动联接；是两构件直接接触而构成的可动联接；2.2.运动副运动副机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。转动副移动副齿轮副1 1）运动副定义）运动副定义4 4）按其相对运动形式分）按其相对运动形式分转动副（回转副或铰链）移动副螺旋副球面副3 3）按其接触形式分）按其接触形式分高副： 点线接触的运动副点线接触的运动副低副： 面接触的运动副面接触的运动副2) 2) 运动副的分类运动副的分类2 2）按其引入的约束数目分）按其引入的约束数目分级副、 级副、 级副1 1）按两个构件运动关系分为）按两个构件运动关系分为平面运动副平面运动副和和空间运动副空间运动副凸轮高副（点接触）凸轮高副（点接触）齿轮高副（线接触）齿轮高副（线接触）低副（曲面接触）低副（曲面接触）低副（平面接触）低副（平面接触）3) 3) 运动副的表示（之一）运动副的表示（之一）3) 3) 运动副的表示（之二）运动副的表示（之二）3.3.运动链运动链构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。闭式运动链 （简称闭链）开式运动链 （简称开链）1234平面闭式运动链1234空间闭式运动链1234平面开式运动链12345空间开式运动链平面运动链空间运动链按运动分按运动分按结构分按结构分运动链运动链1234 但当机但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。构安装在运动的机械上时则是运动的。 按给定已知运动规律独立运动的构件；4.4.机构机构具有固定构件的运动链称为具有固定构件的运动链称为机构机构。机 架原动件从动件机构中的固定构件；机构中的固定构件；机构中其余活动构件。1234平面铰链四杆机构 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。空间铰链四杆机构 一般机架相对地面固定不动，一般机架相对地面固定不动，常以转向箭头表示。常以转向箭头表示。 其运动规律决定于原动件的运动规律其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。和机构的结构和构件的尺寸。机架原动件从动件机架从动件原动件 不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的简图。 根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，各运动副的位置，2-2 机构运动简图机构运动简图 在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。运动简图。1. 1. 机构运动简图的定义机构运动简图的定义内燃机机构运动简图机构运动简图 采用运动副及采用运动副及常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号和和构件的构件的表示方法表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。机构示意图一般构件的表示方法一般构件的表示方法常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号(续）续）举例：（2）选定视图平面；）选定视图平面； （3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接即得机构运动简图。动副和机构的符号，最后用简单线条连接即得机构运动简图。2.2.机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：绘制方法及步骤： （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图例题一：绘制图示颚式破碎机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 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法例题二例题二：偏心轮机构运动简图的绘制偏心轮机构运动简图的绘制例题三、图示为一冲床。绕固定中心例题三、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冲床动画冲床动画ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：123456:1. 分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原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。动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运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运恰当地选择投影面：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。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, 将机构运动简图画将机构运动简图画出来。出来。小结：小结：2-3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？首先观察两个例子首先观察两个例子例1 铰链四杆机构铰链四杆机构例2 铰链五杆机构铰链五杆机构若若给定机构一个独立运动给定机构一个独立运动， 则机构的运动完全确定；则机构的运动完全确定；若若给定机构两个独立运动给定机构两个独立运动， 则机构的最薄弱环节损坏。则机构的最薄弱环节损坏。若若给定机构一个独立运动给定机构一个独立运动， 则机构的运动不确定；则机构的运动不确定；若若给定机构两个独立运动给定机构两个独立运动， 则机构的运动完全确定。则机构的运动完全确定。 机构的自由度机构的自由度 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用参数的数目，其数目用F表示。表示。 结论 机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目于机构的自由度数目F F。假设平面机构有假设平面机构有n个活动构件：个活动构件： 3n个自由度个自由度有有Pl个低副和个低副和Ph个高副：个高副： 平面自由构件：平面自由构件：3个自由度个自由度平面低副：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个约束个约束平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式： F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pl - ph引入引入(2 Pl +Ph)约束约束分析：分析： 平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式2-4 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算1 计算公式计算公式F3n(2plph)式中：式中：n为机构的活动构件数目；为机构的活动构件数目；pl 为机构的低副数目为机构的低副数目；ph为机构的高副数目为机构的高副数目。2 举例举例1）铰链四杆机构）铰链四杆机构F3n(2plph)= =3324 012）铰链五杆机构）铰链五杆机构F3n(2plph)34250212345123413478 9101118ABCD,3）内燃机机构）内燃机机构F3n(2plph)362731 复合铰链复合铰链 实例分析实例分析1：计算图示直线机构自由度：计算图示直线机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 210-0=1 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。个。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 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： 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。 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：1.虚约束的作用为了改善构件的受力情况为了改善构件的受力情况；增加机构的刚度增加机构的刚度；保证机械通过某些特殊位置保证机械通过某些特殊位置。F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该则该联接引入联接引入1个虚约束个虚约束;正确计算：正确计算：将因虚约束而减少的自由度将因虚约束而减少的自由度再加上。再加上。 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1不计引起虚约束的附加构件不计引起虚约束的附加构件和运动副数。和运动副数。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0 分析：分析：E3和和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算：正确计算：F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1两构件在几处接触两构件在几处接触而构成移动副且导路而构成移动副且导路互相平行或重合。互相平行或重合。两个构件组成在几处两个构件组成在几处构成转动副且各转动副构成转动副且各转动副的轴线是重合的。的轴线是重合的。只有一个运动副起约束只有一个运动副起约束作用作用,其它各处均为虚其它各处均为虚约束约束;2. 两构件在几处接触而构成运动副两构件在几处接触而构成运动副3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处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的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各重合，将提供各2个约束。个约束。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束5. 某些不影响机构某些不影响机构运动的对称部分或运动的对称部分或重复部分所带入的重复部分所带入的约束为虚约束。约束为虚约束。4. 机构运动过程中机构运动过程中, 某某两构件上的两点之间的两构件上的两点之间的距离始终保持不变距离始终保持不变, 将此将此两点以构件相联两点以构件相联, 则将带则将带入入1个虚约束。个虚约束。2-5 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项3 06253 23hlppnF2 13233 23hlppnF0 06243 23hlppnF?由由m个构件组成的复合铰链，共有个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。个转动副。复合铰链复合铰链 1 07253 23hlppnF13478 9101118ABCD,内燃机及其机构运动简图内燃机及其机构运动简图局部自由度复合铰链虚约束n=8 Pl=11 Ph=1F=1例题一例题一例题二例题二局部自由度复合铰链虚约束n=9 Pl=12 Ph=2F=1典型例题三：计算图示某包装机送纸机构的自由度，典型例题三：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=1n=6,pL=8,PH=1一、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机构组成原理:任何机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的。基本杆组：把机构中最后不能基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为再拆的自由度为零的构件组称为机构的机构的阿苏尔或杆组。式中n、pl及ph分别为基本杆组中的构件数、低副数和高副数。（1）基本杆组的条件3n2plph0npl23对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副 基本杆组的分类基本杆组的分类 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：（1）n=2, pl=3的双杆组：又叫的双杆组：又叫级杆组级杆组 常见常见级杆组的形式为级杆组的形式为n和和pl为整数为整数n=2,4,6023lpn（2）n=4, pl=6的多杆组，又叫的多杆组，又叫 级杆组级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为常见的三种形式为npl23（3）更高级别的杆组）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机构组成过程机构组成过程一、机构的组成原理（续）一、机构的组成原理（续） 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。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。 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。机构自由度计算举例机构自由度计算举例例例 1 图示牛头刨床设计方图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动案草图。设计思路为：动力由曲柄力由曲柄1输入，通过滑块输入，通过滑块2使摆动导杆使摆动导杆 3 作往复摆动，作往复摆动，并带动滑枕并带动滑枕4作往复移动作往复移动 ，以达到刨削加工目的。以达到刨削加工目的。 试试问图示的构件组合是否能问图示的构件组合是否能达到此目的？达到此目的？ 如果不能，如果不能，该如何修改？该如何修改？1 12 23 34解：首先计算设计方案草图的自由度解：首先计算设计方案草图的自由度 F = 3n- -2Pl- -Ph=34- -26 =0改进措施：改进措施：1. 增加一个低副和一个活动构件；增加一个低副和一个活动构件；2. 用一个高副代替低副。用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。修改，以达到设计目的。1 12 23 34改进方案改进方案(2)(1)改进方案改进方案(4)(3)改进方案改进方案(5)(6)改进方案改进方案(7) 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的中高副虚拟地用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。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。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？动画演示动画演示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动画演示动画演示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；其中的一个转动副变为移动副；动画演示动画演示动画演示动画演示 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。典型例题二：典型例题二：计计 算算 图图 示示 机机 构构 的的 自自 由由 度，并分度，并分析机构组成情况析机构组成情况 。 画画 箭箭 头头 的的 构构 件件 为为 原原 动动 件。件。解：解：1. 1. 分析分析1 118HLppn、111128323HLppnF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（续）：典型例题二（续）：4. 结构分析结构分析二级机构二级机构机架ABCABC小结小结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个构件个构件则有则有(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。