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第9章 平面机构概述1本讲稿第一页，共三十六页平面机构：平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平各构件在同一平面或相互平行的平面内运动。面内运动。空间机构：空间机构：各构件不在同一平面或相互平行的各构件不在同一平面或相互平行的平面内运动。平面内运动。2本讲稿第二页，共三十六页一、平面机构的组成一、平面机构的组成 概念：机构是具有确定相对运动的构件的组合概念：机构是具有确定相对运动的构件的组合3本讲稿第三页，共三十六页n1、构件：机构中的（最小）运动单元、构件：机构中的（最小）运动单元 一个或若干个零件刚性联接而成。一个或若干个零件刚性联接而成。4本讲稿第四页，共三十六页2 2、构件分类：、构件分类：机架：固定不动的构件。例如：机床床身机架：固定不动的构件。例如：机床床身 原动件：输入构件或驱动件。例如：活塞原动件：输入构件或驱动件。例如：活塞 从动件：其它的执行构件。例如：连杆、曲轴从动件：其它的执行构件。例如：连杆、曲轴：5本讲稿第五页，共三十六页3、平面机构：各构件都在同一平面或相互、平面机构：各构件都在同一平面或相互平行平面内运动。平行平面内运动。蜗杆传动蜗杆传动 曲柄滑块机构曲柄滑块机构6本讲稿第六页，共三十六页二、构件自由度二、构件自由度 一个作平面运动的一个作平面运动的自由构件自由构件有三个独立运动的可能性。构件所有三个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。运动的自由构件有三个自由度。但当这些构件之间以一但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为立运动所施加的限制称为约约束束。7本讲稿第七页，共三十六页三、运动副及其分类三、运动副及其分类概念：使两构件概念：使两构件直接接触直接接触并能产生一定并能产生一定相对运动相对运动的连接。的连接。类型：低副、高副。类型：低副、高副。（一）（一）低副低副 两构件通过两构件通过面面接触而构成的运动副称为接触而构成的运动副称为低副低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为转动副和移动副转动副和移动副。1.1.转动副转动副 （或铰链）（或铰链）两构件只能在一个平面内作两构件只能在一个平面内作相对转动相对转动限制两个自由度：限制两个自由度：（两个移动）（两个移动）保留一个自由度保留一个自由度（转动）（转动）8本讲稿第八页，共三十六页 2.2.移动副移动副 两构件只能沿某一方向线作两构件只能沿某一方向线作相对移动相对移动的运动副称为移动的运动副称为移动副。副。限制两个自由度：限制两个自由度：（一个移动，一个转动）（一个移动，一个转动）保留一个自由度保留一个自由度（移动（移动）9本讲稿第九页，共三十六页 3.3.高副高副 两构件通过两构件通过点或线点或线接触组成的运动副称为高副。接触组成的运动副称为高副。限制一个自由度：（一个移动）限制一个自由度：（一个移动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）10本讲稿第十页，共三十六页四、四、平面机构运动简图平面机构运动简图 1 1、机构运动简图：、机构运动简图：简明简明表示机构各构件之间表示机构各构件之间 相对运动关系相对运动关系的图形。的图形。（按比例，用特定的符号和线条按比例，用特定的符号和线条）和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目。构件数目。和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件 的零件数目、运动副的具体构造。的零件数目、运动副的具体构造。2 2、机构简图：只需表明、机构简图：只需表明机构运动传递情况和构造特征机构运动传递情况和构造特征，不必按严格比例所画的图形。不必按严格比例所画的图形。11本讲稿第十一页，共三十六页1 1、运动副的符号、运动副的符号转动副：转动副：移动副：移动副：齿轮副齿轮副：12本讲稿第十二页，共三十六页凸轮副：凸轮副：2 2、构件（杆）：、构件（杆）：13本讲稿第十三页，共三十六页2 2、常用机构和运动副的表示方法：、常用机构和运动副的表示方法：14本讲稿第十四页，共三十六页15本讲稿第十五页，共三十六页16本讲稿第十六页，共三十六页17本讲稿第十七页，共三十六页3 3、绘机构运动简图的步骤绘机构运动简图的步骤 1 1）分析机构，观察相对运动，）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目数清所有构件的数目；2 2）确定所有运动副的）确定所有运动副的类型和数目类型和数目；3 3）选择）选择合理的位置合理的位置（即能充分反映机构的特性）；（即能充分反映机构的特性）；4）确定）确定比例尺比例尺；5 5）用规定的符号和线条绘制成简图。）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画（从原动件开始画)18本讲稿第十八页，共三十六页例：例：试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图19本讲稿第十九页，共三十六页动画演示动画演示 20本讲稿第二十页，共三十六页五、五、平面机构的自由度平面机构的自由度 1 1、平面机构的自由度的计算平面机构的自由度的计算 机构的自由度：机构中机构的自由度：机构中活动构件活动构件相对于机架所具有的独立相对于机架所具有的独立 运动的数目。（与构件数目，运动副的类型和数目有关）运动的数目。（与构件数目，运动副的类型和数目有关）n n个活动构件：自由度为个活动构件：自由度为3n3n。P PL个低副：个低副：限制限制 2P 2PL L个自由度个自由度 P PH H个高副：个高副：限制限制 P PH H 个自由度个自由度 因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之度数与引入运动副减少的自由度数之差差，该差值称为机构的自由，该差值称为机构的自由度，并以度，并以F F表示，表示，F=3n-2P F=3n-2PL L-P-PH H21本讲稿第二十一页，共三十六页F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*7-2*8-4=3*7-2*8-4=1=122本讲稿第二十二页，共三十六页23本讲稿第二十三页，共三十六页P=3n-2PP=3n-2PL L-P-PH H =3*6-2*8-1=1=3*6-2*8-1=124本讲稿第二十四页，共三十六页F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*5-2*6-0=3*5-2*6-0=3=3F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*5-2*7-0=3*5-2*7-0=1=11 1）.复合铰链：两个以上的构件同时在同一处形成的复合铰链：两个以上的构件同时在同一处形成的转动副。转动副。由由K K个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（K-1K-1）个）个 2 2、注意事项注意事项 25本讲稿第二十五页，共三十六页F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*3-2*3-1=3*3-2*3-1=2=2F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*2-2*2-1=3*2-2*2-1=1=1多余的自由度是多余的自由度是滚子滚子2 2绕其中心转绕其中心转动带来的局部自动带来的局部自由度，它并不影由度，它并不影响整个机构的运响整个机构的运动，在计算机构动，在计算机构的自由度时，应的自由度时，应该除掉该除掉。2 2）、局部自由度）、局部自由度 在机构中，某些构件具有在机构中，某些构件具有不影响不影响其它构件运动的自由度其它构件运动的自由度26本讲稿第二十六页，共三十六页3 3）、虚约束）、虚约束 重复而不起独立限制作用的约束称为重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束虚约束。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。(1)(1)、两构件构成多个导路平行的移动副，、两构件构成多个导路平行的移动副，F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*3-2*5-0=3*3-2*5-0=-1=-1(2)(2)、两构件组成多个轴线互相重合的转动副、两构件组成多个轴线互相重合的转动副(3)(3)、机构中存在对传递运动不起独立作用的、机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分对称部分27本讲稿第二十七页，共三十六页两构件构成多个导路两构件构成多个导路平行的移动副平行的移动副 28本讲稿第二十八页，共三十六页两构件组成多个轴线两构件组成多个轴线互相重合的转动副互相重合的转动副29本讲稿第二十九页，共三十六页4 4）、轨迹重合：在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接）、轨迹重合：在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引入的约束是虚约束。入的约束是虚约束。F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*4-2*6-0=3*4-2*6-0=0=0F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3*3-2*4-0=3*3-2*4-0=1=1虚约束作用虚约束作用：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，增强机构工作的稳定性（刚度）。增强机构工作的稳定性（刚度）。30本讲稿第三十页，共三十六页3 3、平面机构具有确定相对运动的条件平面机构具有确定相对运动的条件F0F0，构件间无相对运动，不成为机构。，构件间无相对运动，不成为机构。F0F0原动件数原动件数=F=F，运动确定，运动确定原动件数原动件数FFF，机构破坏，机构破坏 机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受明机构具有的独立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为此，当机构的自由度为1 1时，只需有一个原动件；当机构的自由时，只需有一个原动件；当机构的自由度为度为2 2时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。原动件数目应等于机构的自由度数目。31本讲稿第三十一页，共三十六页32本讲稿第三十二页，共三十六页33本讲稿第三十三页，共三十六页 图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。34本讲稿第三十四页，共三十六页试计算图示挖土机的自由度，并说明为什么试计算图示挖土机的自由度，并说明为什么要配置三个油缸。要配置三个油缸。35本讲稿第三十五页，共三十六页 4 4、计算平面机构自由度的实用意义计算平面机构自由度的实用意义1 1）判定机构的运动设计方案是否合理判定机构的运动设计方案是否合理2 2）修改设计方案修改设计方案（1 1）F=0:F=0:增加一构件（带进一平面低副）增加一构件（带进一平面低副）（2 2）F F原动件数目：增加一构件（带进两平面原动件数目：增加一构件（带进两平面 低副）低副）或增加原动件数目。或增加原动件数目。3 3）判定机构运动简图是否正确。判定机构运动简图是否正确。36本讲稿第三十六页，共三十六页