工程力学与机械设计基础培训课件6703.pptx

第第4 4章章平面机构运动简图平面机构运动简图及自由度及自由度工程力学与机械设计基础工程力学与机械设计基础书名：工程力学与机书名：工程力学与机械设计基础械设计基础书号：书号：978-7-111-41422-3作者：柴鹏飞作者：柴鹏飞出版社：机械工业出出版社：机械工业出版社版社教学要求教学要求能力目标能力目标 1.1.平面机构自由度计算的能力。平面机构自由度计算的能力。2.2.识别复合铰链、局部自由度和常见的虚约束识别复合铰链、局部自由度和常见的虚约束的能力。的能力。3.3.判定机构具有确定相对运动的能力。判定机构具有确定相对运动的能力。知识要素知识要素 1.1.运动副的概念与平面机构的组成。运动副的概念与平面机构的组成。2.2.自由度的计算公式。自由度的计算公式。3.3.自由度的计算中应注意的问题。自由度的计算中应注意的问题。4.4.平面机构具有确定运动的条件。平面机构具有确定运动的条件。学习重点与难点学习重点与难点 1.1.平面机构自由度的计算。平面机构自由度的计算。2.2.自由度计算中应注意的三个问题。自由度计算中应注意的三个问题。技能要求技能要求 1 1绘制简单机械的机构运动简图。绘制简单机械的机构运动简图。教学要求教学要求引引 言言 日常生活和生日常生活和生产实产实践中广践中广泛泛应应用的各种机械用的各种机械设备设备，都是，都是人人们们按需要将各种机构（零件）按需要将各种机构（零件）组组合在一起，来完成各式各合在一起，来完成各式各样样的任的任务务以以满满足人足人们们生活和生生活和生产产的需要。的需要。图图4-1a4-1a所示所示为颚为颚式破碎机式破碎机的的实实物物图图，实实物物图图看起来直看起来直观观明了，但要分析破碎机的工作明了，但要分析破碎机的工作原理和原理和进进行运行运动动分析等就没有分析等就没有办办法法进进行，行，这时这时就需要一种能就需要一种能说说明机构运明机构运动动原理的原理的简单图简单图形形-机构运机构运动简图动简图。图图4-1a4-1a颚式破碎机实物图颚式破碎机实物图引引 言言 颚颚式破碎机的工作式破碎机的工作驱动驱动是靠是靠实实物物图图右右侧侧的的带轮驱带轮驱动动偏心偏心轮转动轮转动，使得，使得动颚动颚板往复板往复摆动摆动，完成，完成挤挤碎石料碎石料的工作。的工作。图图4-1b4-1b是机构的是机构的结结构示意构示意图图，图图4-1c4-1c是是颚颚式式破碎机的机构运破碎机的机构运动简图动简图。图图4-1b4-1b结构示意图结构示意图图图4-1c4-1c机构运动简图机构运动简图引引 言言 可以看出可以看出该该机构是由机构是由许许多构件以一定的方式多构件以一定的方式连连接接而成的。构件与构件的而成的。构件与构件的连连接称接称为为运运动动副，机构运副，机构运动简动简图图是用是用简单简单的的线线条代替零件来条代替零件来说说明各构件明各构件间间的运的运动动关关系。系。由各个构件（零件）由各个构件（零件）组组成机构后是否具有确定的成机构后是否具有确定的运运动动，要看，要看该该机构是否机构是否满满足机构具有确定运足机构具有确定运动动的条件。的条件。本章主要介本章主要介绍绍构件构件间间的的连连接方式接方式运运动动副、副、机构的自由度机构的自由度计计算和机构具有确定运算和机构具有确定运动动的条件的条件。运动副运动副 构件与构件之间既保证构件与构件之间既保证直接接触直接接触和制约，又保持确定和制约，又保持确定运动的运动的可动联接可动联接称为称为运动副运动副。运动副及其分类运动副及其分类凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副点击播放点击播放点击播放点击播放图图4-2 4-2 平面高副平面高副 构件间通过点或线接触所构成的运动副称为构件间通过点或线接触所构成的运动副称为高副高副，常，常见的平面高副有凸轮副和齿轮副，如图见的平面高副有凸轮副和齿轮副，如图4-2所示。所示。图图4-34-3平面低副平面低副点击播放点击播放点击播放点击播放运动副及其分类运动副及其分类 （1 1）转动副转动副 两构件间只能产生相对转动的运动副称为两构件间只能产生相对转动的运动副称为转动副，如图转动副，如图4-3a4-3a所示。所示。（2 2）移动副移动副 两构件间只能产生相对移动的运动副称为两构件间只能产生相对移动的运动副称为移动副，如图移动副，如图4-3b4-3b所示。所示。两构件通过面接触所构成的运动副称为两构件通过面接触所构成的运动副称为低副低副，平面低副，平面低副按其相对运动形式又可分为按其相对运动形式又可分为转动副转动副和和移动副移动副。a)a)转动副转动副 b)b)移动副移动副平面机构运动简图平面机构运动简图 在在研研究究或或设设计计机机构构时时，为为了了减减少少和和避避免免机机构构复复杂杂的的结结构构外外形形对对运运动动分分析析带带来来的的不不便便和和混混乱乱，我我们们可可以以不不考考虑虑机机构构中中与与运运动动无无关关的的因因素素，仅仅用用简简单单的的线线条条和和符符号号来来表表示示构构件件和和运运动动副副，并并按按比比例例画画出出各各运运动动副副的的相相对对位位置置。这这种种用用规规定定符符号号和和简简单单线线条条表表示示机机构构各各构构件件之之间间相相对对运运动动及及运运动动特特征征的的图图形形称称为为机机构构运运动动简简图图，本本教教材材研研究究机机构构的的组组成成及及运运动动状状态态时时都都是是以以机机构构运运动动简图为简图为基基础础来研究的。来研究的。机机构构运运动动简简图图所所表表示示的的主主要要内内容容有有：机机构构类类型型、构构件件数数目目、运运动动副的副的类类型和数目以及运型和数目以及运动动尺寸等。尺寸等。对对于于只只为为了了表表示示机机构构的的组组成成及及运运动动情情况况，而而不不严严格格按按照照比比例例绘绘制的制的简图简图，称，称为为机构示意机构示意图图。1.构件构件 构构件件是是组组成成机机构构的的基基本本的的运运动动单单元元，一一个个零零件件可可以以成成为为一一个个构构件件，但但多多数数构构件件实实际际上上是是由由若若干干零零件件固固定定联联接接而而组组成成的的刚刚性性组组合合，下下图图所所示示为为齿齿轮轮构构件，就是由轴、键和齿轮联接组成。件，就是由轴、键和齿轮联接组成。齿轮构件齿轮构件点击播放点击播放构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法图图4-4 4-4 构件的表示方法构件的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法图图4-5 4-5 转动副的表示方法转动副的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法2.转动副转动副图图4-6 4-6 移动副的表示方法移动副的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法3.移动副移动副图图4-7 4-7 高副的表示方法高副的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副4.平面高副平面高副 机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。对运动关系的简单图形。作用：作用：1.1.表示机构的结构和运动情况；表示机构的结构和运动情况；2.2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。机构示意图不按比例绘制的简图机构示意图不按比例绘制的简图平面机构运动简图的绘制平面机构运动简图的绘制机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件条件:1.1.构件数目与实际构件相同；构件数目与实际构件相同；2.2.运动副的性质、数目与实际机构相符；运动副的性质、数目与实际机构相符；3.3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。机构成比例。顺口溜：先两头，后中间，顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，从头至尾走一遍，数数构件是多少，数数构件是多少，再看它们怎相联。再看它们怎相联。步骤：步骤：1.1.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。2.2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制 示意图。示意图。3.3.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 l=实际尺寸实际尺寸 m/m/图上长度图上长度mmmm 思路：先确定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末思路：先确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的类型，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。并用符号表示出来。举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机机构的运动简图。机构的运动简图。平面机构运动简图的绘制平面机构运动简图的绘制颚式破碎机演示作作平平面面运运动动的的刚刚体体在在直直角角坐坐标标系系的的位位置置需需要要三三个个独独立立的的参参数数（x x，y,y,）才才能能唯唯一一确确定。定。yx(x,y)F=3单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 31、构件的自由度、构件的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1 1（）+2+2（x x，y y）=3=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2R=1,F=2结论：结论：构件自由度构件自由度3 3约束数约束数移动副移动副 1 1（x x）+2+2（y y，）=3=3高高 副副 2 2（x,x,）+1+1（y y）=3=32 2、运动副对构件的约束、运动副对构件的约束活动构件数活动构件数 构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 n 3n 3n 2 n 2 P PL L 1 1 P Ph h (低副数低副数)()(高副数高副数)计算公式：计算公式：F=3nF=3n2P2PL L-P-Ph h 要求：记住上述公式，并能熟练应用。要求：记住上述公式，并能熟练应用。举例：举例：3、平面机构的自由度计算、平面机构的自由度计算1 1、平面机构自由度的计算公式、平面机构自由度的计算公式平面机构的自由度平面机构的自由度计算计算曲柄滑块机构曲柄滑块机构的自由度。的自由度。123解：活动构件数解：活动构件数n=n=3低副数低副数P PL L=4F=3nF=3n2P2PL LP PH H =33=3324=124=1 高副数高副数P PH H=04平面机构的自由度平面机构的自由度计算计算曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构的自由度。的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=n=低副数低副数P PL L=F=3nF=3n2P2PL LP PH H =33=3324=124=1 高副数高副数P PH H=340平面机构的自由度平面机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度。计算五杆铰链机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n=n=4低副数低副数P PL L=5F=3nF=3n2P2PL LP PH H =34=3425=225=2 高副数高副数P PH H=05234平面机构的自由度平面机构的自由度计计算算图图示示对对心心直直动动尖尖顶顶凸凸轮轮机机构构的的自自由由度。度。1解：活动构件数解：活动构件数n=n=2 2低副数低副数P PL L=2 2F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=32 22 22 21 1=1=1高副数高副数P PH H=123平面机构的自由度平面机构的自由度2 2、计算平面机构自由度时应注意的问题、计算平面机构自由度时应注意的问题计算图示摇筛机构的自由度。计算图示摇筛机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=n=5低副数低副数P PL L=6 6F=3nF=3n2P2PL LP PH H 高副数高副数P PH H=0 0=3=35 52 26 60 0=3=3计算结果不符合实际情况计算结果不符合实际情况平面机构的自由度平面机构的自由度图图4-10 4-10 摇筛机构摇筛机构（1 1）复复合合铰铰链链 两两个个以以上上的的构构件件在在同同一一处处以转动副相联。以转动副相联。计算：复合铰链处如有计算：复合铰链处如有m m个构件个构件,有有m m1 1转动副。转动副。平面机构的自由度平面机构的自由度 重重新新计计算算图图示示摇摇筛筛机机构构的的自自由由度度。经经分分析析，该该机机构构在在C C处处为为复复合合铰铰链链，为为2 2个个转转动动副副，故低副数为故低副数为7 7个。个。解：活动构件数解：活动构件数n=n=5低副数低副数P PL L=7 7F=3nF=3n2P2PL LP PH H 高副数高副数P PH H=0 0=3=35 52 27 70 0=1=1计算结果符合实际情况计算结果符合实际情况平面机构的自由度平面机构的自由度图图4-10 4-10 摇筛机构摇筛机构计算图示计算图示滚子从动件凸轮机构滚子从动件凸轮机构的自由度。的自由度。解：解：n=n=3 3，P PL L=3 3，F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=33 32 23 31 1=2=2P PH H=1 1123平面机构的自由度平面机构的自由度计算结果不符合实际情况计算结果不符合实际情况（2 2）局部自由度）局部自由度 F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=32 22 22 21 1=1=1本例出现局部自由度本例出现局部自由度 定义：定义：构件局部运动所产生的自由度。构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应将滚子刚化。出现在加装滚子的场合，计算时应将滚子刚化。滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。12312滚子刚化处理后：构件滚子刚化处理后：构件数为数为2 2，低副数为，低副数为2 2，高，高副数为副数为1 1平面机构的自由度平面机构的自由度解：解：n=n=4，P PL L=6，F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=34 42 26=06=01234ABCDEFP PH H=0 0（3 3）虚虚约约束束 对对机机构构的的运运动动实实际际不不起起作作用的约束。用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。FEFEAB AB CD CD，故故增增加加构构件件4 4前前后后E E点点的的轨轨迹都是圆弧。迹都是圆弧。增加的约束不起作用，应去掉构件增加的约束不起作用，应去掉构件4 4。已知：已知：ABABCDCDEF,EF,计算图示计算图示平行四边形机构平行四边形机构的自由度的自由度 火车轮机构动画火车轮机构动画火车轮机构视频火车轮机构视频重新计算：重新计算：n=n=3 3,P,PL L=4 4,P,PH H=0 0F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=33 3 2 24=14=1E E1 12 23 3A AB BC CD D4 4F F特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：4 4F F已知：已知：ABABCDCDEF,EF,计算图示平行四边形机构计算图示平行四边形机构的自由度的自由度 ABABCDCDEFEF 出现虚约束的场合：出现虚约束的场合：1.1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.2.两两构构件件构构成成多多个个移移动动副副，且且导路平行。导路平行。如如平行四边形机构平行四边形机构，椭圆仪椭圆仪等。等。4.4.运运动动时时，两两构构件件上上的的两点距离始终不变。两点距离始终不变。3.3.两两构构件件构构成成多多个个转转动动副副，且同轴。且同轴。5.5.对对运运动动不不起起作作用用的的对对称部分。如称部分。如行星轮系行星轮系。EF天平机构天平机构6.6.两构件构成高副，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。如如等宽凸轮等宽凸轮W计算行星轮系的自由度计算行星轮系的自由度F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=35-25-25-15-16=-16=-1F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=33-23-23-13-12=12=1n n3 3、P PL L3 3、P PH H2 2去掉对称部分后：去掉对称部分后：平面机构的自由度平面机构的自由度 例例4-5 4-5 计算图示机构的自由度，并指出复合计算图示机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。铰链、局部自由度和虚约束。n=7,Pn=7,PL L=9,P=9,PH H=1=1F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=37 72 29 91 1 =2=2平面机构的自由度平面机构的自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束局部自由度局部自由度虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的各种出现虚约束的场合都是有条件的 !平面机构的自由度平面机构的自由度计算图示三角形的自由度。计算图示三角形的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=n=2 2低副数低副数P PL L=3 3F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=32 2 2 23 3=0=0平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件 机构的自由度就是机构所具有的独立运动的个数。由于机构的自由度就是机构所具有的独立运动的个数。由于原动件和机架相联，受低副约束后只有一个独立的运动。而原动件和机架相联，受低副约束后只有一个独立的运动。而从动件靠原动件带动，本身不具有独立运动。因此，机构的从动件靠原动件带动，本身不具有独立运动。因此，机构的自由度必定与原动件数目相等。自由度必定与原动件数目相等。借用活动构件数等于总构件数减一的思路图图4-134-13自由度数自由度数=0=0（桁架）（桁架）给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数，一个独立参数1 11 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 11 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要两两个个独独立立参数参数 。S323S31 112341 14 4平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件五杆机构五杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构定义：定义：机构的自由度数目大于零且等于机构的机构的自由度数目大于零且等于机构的 原动件数目。原动件数目。可得出以下结论：可得出以下结论：F0 F0 运动链不能运动运动链不能运动 F F原动件数目，运动不确定原动件数目，运动不确定 F F原动件数目，不能动原动件数目，不能动 F F原动件数目，运动确定原动件数目，运动确定F F0 0平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件12345678ABCDEF实例一、计算图示圆盘锯机构的自由度。实例一、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=n=7低副数低副数P PL L=6 6F=3nF=3n2P2PL LP PH H 高副数高副数P PH H=0 0=3=37 72 26 60 0=9=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！点击播放点击播放实实 例例 分分 析析 经经分分析析，圆圆盘盘锯锯机机构构中中的的B B、D D、C C、E E四四处处都都是是复复合合铰铰链链，A A、F F两处是单个铰链。两处是单个铰链。解：活动构件数解：活动构件数n=n=7 7低副数低副数P PL L=1010F=3nF=3n2P2PL LP PH H =3=37 72 210100 0=1=1可以证明：可以证明：F F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。圆盘锯机构圆盘锯机构 动画12345678ABCDEF实实 例例 分分 析析 解解：设设计计者者的的思思路路是是：带带轮轮5 5（原原动动件件，由由电电动动机机驱驱动动，和和本本例例自自由由度度计计算算无无关关）转转动动，带带动动凸凸轮轮1 1转转动动，使使得得杠杠杆杆2 2围围绕绕C C摆摆动动，通通过过铰链铰链D D 牵动冲头牵动冲头3 3上下运动完成冲床工作。上下运动完成冲床工作。实实例例二二 图图4-174-17为为一一简简易易冲冲床床，试试绘绘制制机机构构运运动动简简图图，分分析析简简易易冲冲床床是是否否具具有有确确定定的的运动，如存在问题，提出改进方案。运动，如存在问题，提出改进方案。实实 例例 分分 析析图图4-17 4-17 简易冲床简易冲床1-1-凸轮，凸轮，22杠杆，杠杆，33冲头，冲头，44机架，机架，55带轮带轮实实 例例 分分 析析画出机构运动简图并计算自由度画出机构运动简图并计算自由度F=3nF=3n2P2PL LP PH H=3=33-23-24-14-11=01=0n=3 Pn=3 PL L=4 P=4 PH H=1=1(45)实实 例例 分分 析析图图4-18 4-18 简易冲床机构运动简图简易冲床机构运动简图谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH