机械原理第七版第一章.ppt

第一章机构结构分析基本要求基本要求:1、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。能用机构运动简图表达自己的设计构思。2、掌握运动链成为机构的条件。、掌握运动链成为机构的条件。3、熟练掌握机构自由度的计算方法。、熟练掌握机构自由度的计算方法。能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，度和虚约束，计算机构自由度。计算机构自由度。4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别；和机构的级别；主要内容：1-1研究机构结构的目的1-2运动副、运动链和机构1-3平面机构运动简图1-4平面机构的自由度1-5平面机构的组成原理和结构分析1-1研究机构结构的目的1、在于探讨机构运动的可能性及其具有确定运动的条件。2、将机构按结构加以分类，并按这种分类来建立运动分析和动力分析的一般方法。3、了解机构组成原理，指示出合理设计机构和创造新机构的途径。1-2运动副、运动链和机构一、运动副运动副运动副：两构件直接接触所形成的可动联接。运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。1-2运动副、运动链和机构构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目。约束：运动副对构件的独立运动所加的限制。二、运动副的分类：1按运动副的接触形式分：低副：构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。高副：构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。1-2运动副、运动链和机构2 2按相对运动的形式分按相对运动的形式分 平面运动副：平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。两构件之间的相对运动为平面运动。空间运动副：空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。两构件之间的相对运动为空间运动。平面运动副平面运动副空间运动副空间运动副1-2运动副、运动链和机构3按运动副引入的约束数分类引入1个约束的运动副称为1级副，引入2个约束的运动副称为2级副，引入3个约束的运动副称为3级副，引入4个约束的运动副称为4级副，引入5个约束的运动副称为5级副。4.按接触部分的几何形状分（如图）运动副所属类型、代号及表示符号运动副所属类型、代号及表示符号运动副所属类型、代号及表示符号运动副所属类型、代号及表示符号1-2运动副、运动链和机构5 5、自由度、运动副约束、自由度、运动副约束、自由度、运动副约束、自由度、运动副约束理论力学可知，构件作任意复理论力学可知，构件作任意复理论力学可知，构件作任意复理论力学可知，构件作任意复杂平面运动时，其运动可分杂平面运动时，其运动可分杂平面运动时，其运动可分杂平面运动时，其运动可分解为三个独立运动：沿解为三个独立运动：沿解为三个独立运动：沿解为三个独立运动：沿x x轴轴轴轴的移动，沿的移动，沿的移动，沿的移动，沿y y轴的移动和绕轴的移动和绕轴的移动和绕轴的移动和绕垂直于垂直于垂直于垂直于XOYXOY平面的轴平面的轴平面的轴平面的轴A A转动。转动。转动。转动。自由度：自由度：自由度：自由度：把构件所具有的独立把构件所具有的独立把构件所具有的独立把构件所具有的独立运动的数目运动的数目运动的数目运动的数目(或确定构件位或确定构件位或确定构件位或确定构件位置的独立参变量的数目置的独立参变量的数目置的独立参变量的数目置的独立参变量的数目)称称称称为自由度。为自由度。为自由度。为自由度。作平面运动的自由构件具有三个自由度作平面运动的自由构件具有三个自由度1-2运动副、运动链和机构运动副约束：把对独立运动所加的限制称为约束。每加上一个约束，构件便失去一个自由度；加上两个约束，构件便失去两个自由度。约束的多少和约束的特点完全取决于运动副的型式。移动副：具有两个约束转动副：具有两个约束高副：具有一个约束1-2运动副、运动链和机构三、运动链三、运动链定义：定义：两个以上构件以运动副联接而成的系两个以上构件以运动副联接而成的系统称为运动链。统称为运动链。1、闭链、闭链组成运动链的每个构件至少包含组成运动链的每个构件至少包含两个运动副元素，则构件形成封闭系统，这两个运动副元素，则构件形成封闭系统，这种运动链称为闭链。种运动链称为闭链。2、开链、开链如果运动链中有的构件只包含一如果运动链中有的构件只包含一个运动副元素，便称为开链。个运动副元素，便称为开链。如图所示如图所示1-2运动副、运动链和机构四、机构四、机构运动链中出现称之为机架的固定运动链中出现称之为机架的固定(或相对固定或相对固定)的构件时，运动链被称为机构，的构件时，运动链被称为机构，平面机构：平面机构：组成机构的各构件都在同一平面组成机构的各构件都在同一平面或相互平行平面内运动。或相互平行平面内运动。空间机构：空间机构：组成机构的各构件至少有一个构件组成机构的各构件至少有一个构件不在同一平面或相互平行平面内运动。不在同一平面或相互平行平面内运动。构成：构成：构成：构成：1 1、机架、机架、机架、机架固定不动的构件固定不动的构件固定不动的构件固定不动的构件2 2、原动件、原动件、原动件、原动件具有独立运动的构件（运动规律已知具有独立运动的构件（运动规律已知具有独立运动的构件（运动规律已知具有独立运动的构件（运动规律已知的构件）的构件）的构件）的构件）3 3、从动件、从动件、从动件、从动件除机架和原动件以外的其余构件除机架和原动件以外的其余构件除机架和原动件以外的其余构件除机架和原动件以外的其余构件1-3平面机构运动简图一、机构运动简图一、机构运动简图1、定义：用国家标准规定的简单符号和线条、定义：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。图形。它与原机械具有完全相同运动特性。机构示意图：为了表明机械的组成状况和机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。结构特征，不严格按比例绘制的简图。1-3平面机构运动简图2、作用、作用（1）现有机械分析）现有机械分析（2）新机械总体方案的设计）新机械总体方案的设计3、表示方法、表示方法用规定的简单符号和线条代表运动副和构件，用规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸。并按一定比例尺表示机构的运动尺寸。二、运动副和构件的符号二、运动副和构件的符号构件及其运动副相联接的表达法构件及其运动副相联接的表达法机架构件的永久联接构件与轴的固定联接两活动构件以转动副联接可调联接与机架以转动副相联接两活动构件以移动副相联接与机架以移动副相联接活动构件以平面高副联接与机架以平面高副相联接带两个转动副的构件带一个转动副一个移动副的构件带两个移动副的构件偏心轮带三个转动副形成封闭三角形的构件带三个转动副的杆状构件带两个转动副一个移动副的构件带一个转动副两个移动副的构件常用机构的简图符号常用机构的简图符号常用机构的简图符号常用机构的简图符号1-3平面机构运动简图三、机构运动简图的绘制三、机构运动简图的绘制方法：方法：1、认清机构的结构和运动情况、认清机构的结构和运动情况2、选择适当的投影面、选择适当的投影面3、选择适当比例尺、选择适当比例尺4、用规定的符号和线条画出图形、用规定的符号和线条画出图形例例1：绘制小型压力机的机构运动简图绘制小型压力机的机构运动简图移动副平面低副平面低副转动副：构成运动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动。移动副：构成运动副的两构件只能沿某一轴线作相对移动。转动副线接触线接触点接触点接触圆柱副圆柱副球面副球面副球面与圆柱副球面与圆柱副螺旋副螺旋副圆柱与平面副圆柱与平面副原动件原动件传动部分传动部分执行部分执行部分1-2-3-4-7-81-6-5-4-7-8工工作作原原理理1、分析机械的动作原理、组成情况和运动情况工作原理2、沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目转动副数目移动副数目高副数目3.适当地选择运动简图的视图平面4.选择适当比例尺5.画简图并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。如图1-4平面机构的自由度12/31/202212/31/2022一、平面机构自由度1、定义：机构中各构件相对于机架的所、定义：机构中各构件相对于机架的所能有的独能有的独立运动的数目称为机构中自由度。立运动的数目称为机构中自由度。2、计算公式、计算公式设某一平面机构，除机架外共有设某一平面机构，除机架外共有n个活动构件。通个活动构件。通过过PL个低副和个低副和PH个高副联接各构件。个高副联接各构件。n个活动构个活动构件在未用运动副联接之前共具有件在未用运动副联接之前共具有3n个自由度，当个自由度，当用用PL个低副和个低副和PH个高副联接之后，便受到个高副联接之后，便受到2PL+PH个约束。故机构自由度，应为活动构件个约束。故机构自由度，应为活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差，即自由度的总数与运动副引入的约束总数之差，即F=3n-2PL-PH二、机构具有确定运动的条件举例：举例：图图a a所示：所示：n=2PL=3PH=0n=2PL=3PH=0F=3n-2PL-PH=0F=3n-2PL-PH=0各构件间已无相对运动，只构成了一各构件间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构个刚性桁架，因而不能成为机构 图图b b所示所示 n=3PL=5PH=0n=3PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=-1F=3n-2PL-PH=-1已成为超静定桁架了，也不能成为机已成为超静定桁架了，也不能成为机构。构。图图c c所示所示n=3PL=4PH=0n=3PL=4PH=0F=3n-2PL-PH=1F=3n-2PL-PH=1若取构件若取构件1 1为原动件，可以看出，构为原动件，可以看出，构件件1 1每转过一个角度，构件每转过一个角度，构件2 2和构和构件件3 3便有一个确定的相对运动，也便有一个确定的相对运动，也就是说这个运动链能成为机构。就是说这个运动链能成为机构。如果同时使构件如果同时使构件33也成为原动件，也成为原动件，则可以看出，运动链内部的运动则可以看出，运动链内部的运动关系将发生矛盾，最薄弱的构件关系将发生矛盾，最薄弱的构件将损坏将损坏。说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可多于运动链的自由度数。图图(d)(d)所示所示 n=4PL=5PH=0n=4PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=2F=3n-2PL-PH=2若同时取构件若同时取构件1 1和构件和构件4 4作为原动作为原动件，则可以看出，构件件，则可以看出，构件2 2和构件和构件33具有确定的运动，即该运动链具有确定的运动，即该运动链能成为机构。能成为机构。如果只取构件如果只取构件1 1作为原动件，则可作为原动件，则可以看出，其余三个活动构件以看出，其余三个活动构件2 2、3 3、4 4的运动不能确定，只能作无的运动不能确定，只能作无规则的运动。规则的运动。说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可少于运动链的自由度数。的数目不可少于运动链的自由度数。二、机构具有确定运动的条件由上可知：由上可知：由上可知：由上可知：1 1）F=0F0F0如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数损坏损坏损坏损坏如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数运动运动运动运动不确定不确定不确定不确定综上所述：综上所述：综上所述：综上所述：机构具有确定的运动条件是机构具有确定的运动条件是机构具有确定的运动条件是机构具有确定的运动条件是机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机构的自由度数目。构的自由度数目。构的自由度数目。构的自由度数目。三、计算机构自由度的注意事项三、计算机构自由度的注意事项1.1.1.1.复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链例例例例1 1 1 1：计算图示摇筛机构的自由度：计算图示摇筛机构的自由度：计算图示摇筛机构的自由度：计算图示摇筛机构的自由度：计算是否正确？计算是否正确？摇筛机构中，构件摇筛机构中，构件2 2、3 3、4 4同在同在C C 处处组成转动副。因此此机构的自由度为：组成转动副。因此此机构的自由度为：摇筛机构摇筛机构摇筛机构摇筛机构C 处侧视图处侧视图注意事项注意事项定义：两个以上构件在同一处以转定义：两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称动副相连接，所构成的运动副称为为复合铰链复合铰链。解决问题的方法：解决问题的方法：若有若有K K个构件在个构件在同一处组成复合铰链，则其构成同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（的转动副数目应为（K K-1-1）个。个。2.2.局部自由度局部自由度计算机构自由度：计算机构自由度：(a)F=2(b)F=1图a图b注意事项注意事项定义：定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。的运动，则称这种自由度为局部自由度。局部自由度经常发生的场合：局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。动摩擦时添加的滚子；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，视为一个构与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。件。注意事项注意事项3.3.虚约束虚约束定义：定义：在特定几何条件或结构条件下，某些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他运动副所运动副所引入的约束可能与其他运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。用的重复约束称为虚约束。计算图示机构自由度：计算图示机构自由度：注意事项注意事项虚约束经常发生的场合：虚约束经常发生的场合：a.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.b.两构件上某两点间的距离在运动过两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时程中始终保持不变时c.c.联接构件与被联接构件上联接联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时点的轨迹重合时d.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注意事项注意事项结论：结论：采用虚约束是为了改善构件的受力情况；增采用虚约束是为了改善构件的受力情况；增加构件的刚性；传递较大功率；或满足某加构件的刚性；传递较大功率；或满足某种特殊需要，在结构设计中被广泛使用种特殊需要，在结构设计中被广泛使用。注意：注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出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，则虚约现的，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。束将变成有效约束，而使机构不能运动。典型例题典型例题在下图所示机构中，构件在下图所示机构中，构件AB,EF,CD相互平相互平行且相等，试计算该机构的自由度。行且相等，试计算该机构的自由度。分析：注意机构中的分析：注意机构中的复复合铰链合铰链、局部自由度局部自由度及及虚约束虚约束。解：去掉机构中的局部自解：去掉机构中的局部自由度和虚约束，则：由度和虚约束，则：1-5平面机构的组成原理和结构分析平面机构的高副低代概念：用低副代替高副概念：用低副代替高副目的：为了使平面低副机构结构分析和运动目的：为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的平面机构。分析的方法适用于含有高副的平面机构。高副低代必须满足的条件：高副低代必须满足的条件：1.1.替代前后机构自由度不变替代前后机构自由度不变2.2.替代前后瞬时速度、加速度不变替代前后瞬时速度、加速度不变方法：用两个转动副和一个方法：用两个转动副和一个构件来代替一个高副，这两构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两轮个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。廓接触点的曲率中心。注意：对于一般的高副机注意：对于一般的高副机构，在不同位置有不同的构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。经高副低瞬时替代机构。经高副低代后的平面机构，可视为代后的平面机构，可视为平面低副机构。平面低副机构。请高副低代下图所示的机构。请高副低代下图所示的机构。二、平面机构组成原理任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。1.杆组不可再分的自由度为零的构件组合称为基本杆组，简称杆组。若杆组中有n个活动构件、个低副，则有：和n必须为整数。II级杆组：不包含封闭多边形、只包含两副构件的杆组。III级杆组:包含具有三个运动副元素的刚性构件(或三个构件组成的三角形)的杆组称为级组。包含四个构件组成的四边形的杆组称为级组；其余依此类推。级级组组级组级组机构的级别由杆组的最高级别决定。2.机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等。观察八杆机构的组成过程：观察八杆机构的组成过程：三、机构的结构分析机构的结构分析 机构的结构分析就是将已知机构分解为原动件、机构的结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。机架、杆组，并确定机构的级别。拆杆组时应遵循的原则：拆杆组时应遵循的原则：（1 1）从远离原动件的构件开始拆组；）从远离原动件的构件开始拆组；（2 2）试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试）试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组；拆高一级别的杆组；（3 3）每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是）每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的机构。（一个完整的机构。（流程图流程图）I I级机构：级机构：由一个原动件和一个相对固定的机架所组由一个原动件和一个相对固定的机架所组成的机构。成的机构。注意事项：同一个运动链，当原动件更换时，机构注意事项：同一个运动链，当原动件更换时，机构的级别也有可能改变。的级别也有可能改变。例题例题例题例题：试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1 1 1 1）当以构件）当以构件）当以构件）当以构件1 1 1 1为原动件时；为原动件时；为原动件时；为原动件时；（2 2 2 2）当以构件）当以构件）当以构件）当以构件6 6 6 6为原动件时。为原动件时。为原动件时。为原动件时。解：（1）机构的自由度计算：（2 2）分析当构件）分析当构件1 1作为原动件时机构的组成情况。首先从传作为原动件时机构的组成情况。首先从传动路线上离原动件最远的构件动路线上离原动件最远的构件4 4开始拆杆组，先拆下由构件开始拆杆组，先拆下由构件4 4，5 5和转动副和转动副K，L，M组成的组成的级杆组，接着依次拆下级杆组，接着依次拆下3 3个个级杆组：构件级杆组：构件6 6，7 7和转动副和转动副J，I，H；构件构件8 8，9 9和转动副和转动副C，F，G；构件构件2 2，3 3和转动副和转动副B，D及移动副及移动副E E；最后剩下由原动最后剩下由原动件件1 1和机架和机架1010组成的组成的级机构，如图级机构，如图b所示。由于组成该机构所示。由于组成该机构的基本杆组的最高级别是的基本杆组的最高级别是级杆组，故该机构为级杆组，故该机构为级机构。级机构。（3）分析当构件）分析当构件6为原动件时为原动件时机构的组成情况。首先从传动机构的组成情况。首先从传动路线上离原动件最远的构件路线上离原动件最远的构件3（冲头）开始试拆杆组。先（冲头）开始试拆杆组。先试拆试拆级组。从图中可以看出，级组。从图中可以看出，如果拆除构件如果拆除构件3 3，2 2、移动副、移动副E、转动副转动副D和转动副和转动副B，则构件则构件1 1和转动副和转动副C均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整机构；如果拆除构件机构；如果拆除构件3 3，2 2、移动副、移动副E E、转动副转动副D和转动副和转动副C，则则构件构件9 9和转动副和转动副B B也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是一个完整机构。因此试拆一个完整机构。因此试拆级杆组失败。再试拆级杆组失败。再试拆级杆组，即级杆组，即拆除构件拆除构件3 3，2 2，1 1，9 9，移动副，移动副E和五个转动副，由于剩余部分和五个转动副，由于剩余部分仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个级杆级杆组：构件组：构件7 7，8 8和转动副和转动副G，H，I；构件构件4 4，5 5和转动副和转动副K，L，M。最后剩下由原动件最后剩下由原动件6 6和机架组成的和机架组成的级机构，如图级机构，如图c所示。由于所示。由于组成的机构的基本杆组的最高级别为组成的机构的基本杆组的最高级别为级组，故该机构为级组，故该机构为级级杆组。杆组。