机械设计基础第一章精选文档.ppt

机械设计基础第一章本讲稿第一页，共四十七页2.运动副运动副a)两个构件、两个构件、b)直接接触、直接接触、c)有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：滚子凸轮滚子凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。定义：定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。些相对运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可本讲稿第二页，共四十七页运动副的分类：运动副的分类：1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有：I级副级副II级副级副III级副级副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。本讲稿第三页，共四十七页 2)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有：平面运动副平面运动副平面运动平面运动平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。IV级副级副例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋、螺旋、生物关节。、生物关节。空间运动副空间运动副空间运动空间运动V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动副的机构。本讲稿第四页，共四十七页 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高。高副点、线接触，应力高。低副面接触，应力低低副面接触，应力低例如：例如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。例如：转动副（回转副）例如：转动副（回转副）、移动副移动副。本讲稿第五页，共四十七页运动副类型小结运动副类型小结平面低副平面低副:转动副、移动副转动副、移动副 （面接触面接触）平面高副平面高副:齿轮副、凸轮副齿轮副、凸轮副 （点、线接触点、线接触）空间低副空间低副:螺旋副、球面副、圆柱副螺旋副、球面副、圆柱副 （面接触面接触）空间高副空间高副:球和圆柱与平面、球与圆柱副球和圆柱与平面、球与圆柱副 (点、线接触点、线接触)运动副特性运动副特性:运动副一经形成运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且对运动就确定。而且这种可能的相对运动这种可能的相对运动,只与运动副类型只与运动副类型有关有关,而与运动副的具体结构无关。而与运动副的具体结构无关。本讲稿第六页，共四十七页12 平面机构的运动简图平面机构的运动简图机构运动简图机构运动简图:（表示机构（表示机构运动特征运动特征的一种工程用图）的一种工程用图）用简单线条表示构件用简单线条表示构件规定符号代表运动副规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性与原机械具有完全相同的运动特性1.工程上常用一些规定的符号代表运动副工程上常用一些规定的符号代表运动副本讲稿第七页，共四十七页平面副平面副低副低副：转动副、移动副：转动副、移动副(面接触面接触)高副高副：齿轮副、凸轮：齿轮副、凸轮副副(点、线接触点、线接触)xyoxyottnnnt机械设计基础 平面连杆机构本讲稿第八页，共四十七页空间副空间副高副高副：点、线接触：点、线接触球面副球面副螺旋副螺旋副了解了解机械设计基础 平面连杆机构本讲稿第九页，共四十七页2 构件的表示方法构件的表示方法杆、轴类构件杆、轴类构件机架机架同一构件同一构件两副构件两副构件三副构件三副构件机械设计基础 平面连杆机构本讲稿第十页，共四十七页若干若干1个或几个个或几个1个个机构中构件的分类机构中构件的分类机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机构机架机架 原动件原动件 从动件从动件原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。本讲稿第十一页，共四十七页绘制机构运动简图绘制机构运动简图步骤：步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运动简图。简图比例尺：简图比例尺：l=实际尺寸实际尺寸 m/m/图上长度图上长度mmmm思路：思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。的类型，并用符号表示出来。举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机和偏心泵的机构运动简图和偏心泵的机构运动简图。本讲稿第十二页，共四十七页举例简易冲床偏心泵引线机构本讲稿第十三页，共四十七页本讲稿第十四页，共四十七页(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,运动运动副引入约束副引入约束,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个约束个约束一、一、平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式13 平面机构的自由度平面机构的自由度本讲稿第十五页，共四十七页如果：如果：活动构件活动构件数：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)机构自由度机构自由度F：F=3n-2pl-ph本讲稿第十六页，共四十七页机构自由度举例1：1234F=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本讲稿第十七页，共四十七页给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数一个独立参数 1 1 1 1（t t）唯一确定，该机唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。构仅需要一个独立参数。若若仅仅给给定定 1 1 1 1（t t）,则则 2 2 3 3 4 4 均均不不能能唯唯一一确确定定。若若同同时时给给定定 1 1和和 4 4 ，则则 3 3 2 2 能能唯唯一一确确定定，该该机机构构需需要两个独立参数要两个独立参数 。4 4S3123S31 112341 1机构自由度举例2：计算下列两种机构的自由度本讲稿第十八页，共四十七页定义：定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。独立运动参数称为机构的自由度。原动件能独立运动的构件。原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为：机构机构自由度原动件数自由度原动件数本讲稿第十九页，共四十七页二、二、计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF例例 计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=6F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！本讲稿第二十页，共四十七页m个构件个构件(m2)在同一处构成转动副在同一处构成转动副m-1-1个低副个低副(1)复合铰链复合铰链412356F F 3n 3n2p2pl lp ph h 3 3 2 2 560 3F F 3n 3n 2p 2pl lp ph h 3 3 2 2 570 1412356错错对对5232351m个构件个构件,m-1个铰链个铰链本讲稿第二十一页，共四十七页F3n2plph 3 2 331 2F3n 2plph 3 2 221 1错错对对(2)局部自由度局部自由度定义：定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输不影响机构输出运动的自由度出运动的自由度局部自由度经常发生的场合：局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠轴承中的滚珠解决的方法：解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件结在一起，视作一个构件动画动画动画动画本讲稿第二十二页，共四十七页不影响机构运动传递的不影响机构运动传递的重复约束重复约束在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫运动副叫虚约束虚约束虚约束虚约束经常发生的场合经常发生的场合处理方法：处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉运动副）去掉结论结论F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 123F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 231-1错错22 11对对排除排除之一为之一为虚约束虚约束(3)虚约束虚约束本讲稿第二十三页，共四十七页虚约束经常发生的场合虚约束经常发生的场合A 两构件之间构成多个运动副时两构件之间构成多个运动副时B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D 机构中对运动不起作用的对称部分机构中对运动不起作用的对称部分E 两构件构成高副，两处接触，且法线重合两构件构成高副，两处接触，且法线重合本讲稿第二十四页，共四十七页A 两构件之间构成多个运动副时两构件之间构成多个运动副时两构件组合成多个两构件组合成多个转动副转动副，且其，且其轴线重合轴线重合两构件组合成多个两构件组合成多个移动副移动副，其，其导路平行或重合导路平行或重合两构件组合成若干个两构件组合成若干个高副高副，但接触点之间的，但接触点之间的距离为常数距离为常数123123目的：目的：为了改善构件的受力情况为了改善构件的受力情况F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 2211动画动画本讲稿第二十五页，共四十七页B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时在这两个例子中，加与不加红色构件在这两个例子中，加与不加红色构件ABAB效果完全一样，为效果完全一样，为虚约束虚约束计算时应将构件计算时应将构件ABAB及其引入的约束去掉来计算及其引入的约束去掉来计算412351234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 340F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 460 0BA错错对对 1F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 34 01本讲稿第二十六页，共四十七页C 两构件上联接点的轨迹重合两构件上联接点的轨迹重合在该机构中，构件在该机构中，构件2 2上的上的C C点点C C2 2与构件与构件3 3上上的的C C点点C C3 3轨迹重合，为虚约束轨迹重合，为虚约束计算时应将构件计算时应将构件3 3及其引入的约束去掉来及其引入的约束去掉来计算计算同理，也可将构件同理，也可将构件4 4当作虚约束，将构当作虚约束，将构件件4 4及其引入的约束去掉来计算，效果及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样完全一样BAC(C2,C3)D1234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 3401动画动画本讲稿第二十七页，共四十七页D 机构中对运动不起作用的对称部分机构中对运动不起作用的对称部分在该机构中，齿轮在该机构中，齿轮3 3是齿轮是齿轮2 2的对称部分，为虚约束的对称部分，为虚约束计算时应将齿轮计算时应将齿轮3 3及其引入的约束去掉来计算及其引入的约束去掉来计算同理，将齿轮同理，将齿轮2 2当作虚约束去掉，完全一样当作虚约束去掉，完全一样目的：目的：为了改善构件的受力情况为了改善构件的受力情况F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 332112345本讲稿第二十八页，共四十七页E 两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮如等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，变法线不重合时，变成实际约束！成实际约束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA本讲稿第二十九页，共四十七页虚约束虚约束结论结论机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动束，而使机构不能运动采用虚约束是为了采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要满足某种特殊需要在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件何条件123本讲稿第三十页，共四十七页自由度计算小结自由度计算小结自由度计算自由度计算公式公式:F3n2plph机构自由度机构自由度3活动构件数活动构件数(2低副数低副数+1高副数高副数)计算步骤计算步骤:确定活动构件数目确定活动构件数目确定活动构件数目确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定运动副种类和数目确定运动副种类和数目确定运动副种类和数目确定特殊结构确定特殊结构确定特殊结构确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链局部自由度、虚约束、复合铰链局部自由度、虚约束、复合铰链局部自由度、虚约束、复合铰链计算、验证自由度计算、验证自由度计算、验证自由度计算、验证自由度几种特殊结构的处理几种特殊结构的处理:1、复合铰链、复合铰链计算在内计算在内2、局部自由度、局部自由度排除排除3、虚约束、虚约束-重复约束重复约束排除排除本讲稿第三十一页，共四十七页F=3n-2PL-Ph=37-29-1=2例：例：本讲稿第三十二页，共四十七页 两刚体作平面相对运动，在任一瞬时，其相对其相对运动运动 可看作是绕某一重合点的转动可看作是绕某一重合点的转动。该重合点称为速度瞬心速度瞬心或瞬时回转中心瞬时回转中心，简称瞬心瞬心。1-4 速度瞬心及其应用速度瞬心及其应用本讲稿第三十七页，共四十七页 瞬心瞬心是两刚体上瞬时相对速度为零的重合瞬时相对速度为零的重合点点，是瞬时绝对速度相同的重合点瞬时绝对速度相同的重合点（简称同同速点速点）。是两刚体上的特殊重合点特殊重合点。若两刚体都是运动的，其瞬心称为若两刚体都是运动的，其瞬心称为相对相对速度瞬心速度瞬心（绝对速度相同，相对速度为零）；（绝对速度相同，相对速度为零）；若两个刚体中有一个是静止不动的（机架）若两个刚体中有一个是静止不动的（机架）则其瞬心称为则其瞬心称为绝对速度瞬心绝对速度瞬心（此点的绝对速（此点的绝对速度为零，相对速度为零）。度为零，相对速度为零）。本讲稿第三十八页，共四十七页两构件瞬心位置的确定：两构件瞬心位置的确定：1、当两刚体的相对运动已知时，它们的瞬心位置可根据瞬心的定义求出。设已知 及 的方向，则该两速度向量垂线的交点两速度向量垂线的交点便是 ；本讲稿第三十九页，共四十七页2、当两构件组成转动副时，转动副的中心转动副的中心便是是它们的瞬心瞬心；3、当两构件组成移动副移动副时，因所有重合点的相对速度方向都平行于移动方向，所以其瞬心位于导路瞬心位于导路垂线的无穷远处垂线的无穷远处；本讲稿第四十页，共四十七页4、当两构件组成纯滚动高副纯滚动高副时，接触点相对速度为零，所以接触点就是其瞬心接触点就是其瞬心；本讲稿第四十一页，共四十七页5、当两构件组成滚动兼滑动的高副滚动兼滑动的高副时，因接触点的相对速度沿切线方向，所以其瞬心应位于过接触其瞬心应位于过接触点的公法线上点的公法线上，具体位置还要根据其它条件才能确定；本讲稿第四十二页，共四十七页6、对于不直接接触的构件，其瞬心可根据三心定三心定理理来寻求：作平面相对运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于同一直线上。本讲稿第四十三页，共四十七页V2=VB2=VB1=1*LAB本讲稿第四十四页，共四十七页例已知各杆的长度及杆1的角速度求杆2和杆3的角速度1.找出所有瞬心；其中下标有4的是绝对瞬心，速度为0，固定不动2.利用瞬心定义求解；本讲稿第四十五页，共四十七页vp13本讲稿第四十六页，共四十七页123P13P23P12本讲稿第四十七页，共四十七页