(1)--第1章机构的结构分析机械原理绪论.pdf

机 械 原 理（Theory of Machines and Mechanisms）目录CONTENTS绪 论第1篇 机构基础机构的结构分析机械系统的运转、速度波动调节及机械效率机械的平衡目录CONTENTS第2篇 常用机构平面连杆机构及其设计凸轮机构及其设计齿轮机构及其设计其他常用机构目录CONTENTS第3篇 机械创新设计机械系统运动方案设计附录A 平面机构的运动分析附录B 平面机构的力分析.附录 附录C 汽车的功能与原理简介CONTENTS机构的组成要素及机构运动简图1机构的结构分析机构具有确定运动的条件2平面机构自由度计算3平面机构结构分析和组成原理4机构结构分析的内容及目的1.研究机构组成的要素及其机构具有确定运动的条件。目弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动，这对于设计新的机构显得尤其重要。2.研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类。3.绘制机构运动简图 即研究机构如何用简单的图形表示机构的结构和运动状态。目的是为运动分析和动力分析作准备。4.研究机构结构的综合方法，即研究在满足预期运动及工作条件下，如何综合出机构可能的结构形式。机构的组成要素活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀，该组合体称为：凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，该组合体称为：齿轮机构机构的组成要素内燃机组成：1.汽缸体2.曲轴3.连杆4.活塞5.排气阀6.火花塞7.进气阀8、12.凸轮9、10、11.齿轮机构的组成要素1.构件（link）构件是由一个或若干个零件组成的独立的运动单元体。零件是加工制造的单元。2.运动副(Kinematic pair)a)两个构件三个条件，缺一不可机构的基本组成要素之一：构件 c)有相对运动b)直接接触运动副两构件直接接触组成相对可动的连接。机构的基本组成要素之一：运动副机构的组成要素2.运动副(Kinematic pair)轴与轴承的连接滑块与导轨的连接两轮轮齿的啮合机构的组成要素轴与轴承的连接滑块与导轨的连接两轮轮齿的啮合运动副元素两构件直接接触的部分。点、线、面机构的组成要素3.运动链(Kinematical Chain)两个以上的构件通过运动副的连接而构成的系统。闭式运动链(Close chain)鄂式破碎机机构的组成要素开式运动连链(Open chain)3.运动链(Kinematical Chain)两个以上的构件通过运动副的连接而构成的系统。机构的组成要素4.机构(Mechanisms)机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。机架 作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件 按给定运动规律运动的构件。从动件 其余可动构件。机构的组成要素4.机构(Mechanisms)运动链成为机构的条件：若干1个或几个1个机构的组成：机构机架原动件从动件 运动链中出现一个固定构件机架 具有一个或少数几个做独立运动的主动件 从动件的运动规律应完全确定机构的组成要素4.机构(Mechanisms)按构件间的相对运动性质分为：平面机构(Plane Mechanisms)空间机构(Spatial Mechanisms)运动副的特性及分类1.约束（Constraint）：轴与轴承的连接两构件间的运动副会限制构件间的相对运动，这种限制作用称为约束。运动副的特性及分类2.运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。I级副球面高副简图符号柱面高副简图符号II级副运动副的特性及分类2.运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。III级副球面低副简图符号IV级副简图符号球销副运动副的特性及分类2.运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。IV级副V级副简图符号圆柱副简图符号转动副运动副的特性及分类2.运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。V级副V级副移动副简图符号螺旋副简图符号运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按运动副元素分有：例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。滚动副表示方法高副(high pair)点、线接触，应力高 运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按运动副元素分有：例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。高副(high pair)点、线接触，应力高 凸轮高副表示方法运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按运动副元素分有：例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。高副(high pair)点、线接触，应力高 齿轮高副表示方法运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按运动副元素分有：低副(lower pair)面接触，应力低 例如：转动副（回转副、铰链）、移动副（棱柱副）。表示方法转动副运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按运动副元素分有：低副(lower pair)面接触，应力低 例如：转动副（回转副、铰链）、移动副（棱柱副）。表示方法移动副运动副的特性及分类2.运动副的分类：2)按相对运动范围分有：空间运动副 空间运动(Spatial kinematic pair)例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。平面运动副 平面运动(Plannar kinematic pair)机构运动简图1.机构运动简图的定义和作用：定义:用简单的线条和规定的符号，按一定的比例尺来绘制的表明机构的结构和运动特征的简单图形。作用:1.反映机构的结构原理和运动情况。3.作为机构运动分析和动力分析的依据。2.反映机构中各构件的运动情况。4.表达与运动有关的因素：构件数目、尺寸、运动副类型等。机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副1212121212两构件之一为固定时的运动副122121机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图运动副符号两运动构件构成的运动副移动副两构件之一为固定时的运动副1212121212121212名称机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图运动副符号两运动构件构成的运动副平平面面高高副副两构件之一为固定时的运动副2121名称机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图构件符号二副元素构件构件名称三副元素构件多副元素构件机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图机构符号凸轮机构凸轮及其它机构名称棘轮机构带传动机构运动简图表 2-2 构件、运动副的代表符号和常用机构的简图机构符号外齿轮齿轮机构名称内齿轮圆锥齿轮蜗杆蜗轮机构运动简图2.机构运动简图的绘制思路：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的类型，并用符号表示出来。机构运动简图2.机构运动简图的绘制4.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），绘制示意图；3.按比例绘制运动简图；简图比例尺：l=实际尺寸 m/图上长度mm步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；机构运动简图3.机构运动简图的绘制实例例1：如图所示为某偏心轮机构的示意图，绘制其机构运动简图。分析：构件数：6其中：构件 5 为机架，原动件为偏心轮 1分析各构件间的成副情况机构运动简图15确定绘图比例尺2346ABCDEF1机构运动简图3.机构运动简图的绘制实例例2：绘制破碎机运动简图。1234561-2 转动副2-3 转动副 2-4 转动副 4-5 转动副3-6 转动副5-6 转动副1-6 转动副机构运动简图3.机构运动简图的绘制实例例2：绘制牛头刨床机构运动简图。抛开具体构造，只考虑运动因素。牛头刨床机构运动简图机构运动简图3.机构运动简图的绘制实例例2：绘制十字滑块联轴节运动简图。机构运动简图3.机构运动简图的绘制实例例2：如图所示为两种涡旋压缩机机构运动简图，机构具有确定运动的条件 为实现机构的运动功能，机构中各个构件必须有确定的相对运动，即机构具有确定的运动。机构自由度F：描述机构运动所需要的独立的运动参数。自由度是描述机构具有确定运动的基本参数。1234 在平面机构中，通常原动件都是通过转动副或移动副与机架相连，因此每个原动件一般只能输入一个独立运动。机构具有确定运动的条件给定 1 1(t)，构件2、构件3位置唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。若仅给定 1 1(t)，则2、3、4均不能唯一确定。若同时给定1和4，则2、3能唯一确定，该机构需要两个独立参数。机构具有确定运动的条件静定桁架超静定桁架机构具有确定运动的条件结论：1.机构具有确定运动的必要条件是：机构的原动件数=机构的自由度数2.若机构自由度 F0，则机构不能运动；3.若 F0，而原动件数小于 F，则构件间的运动是不确定的；4.若 F0，而原动件数大于 F，则机构按受力较大的原动件的运动规律运动或或产生破坏。平面机构自由度计算1.构件、运动副、约束与自由度的关系构件自由度：构件所具有的独立运动的数目。确定构件位姿所需的独立参数的数目。作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,）才能唯一确定。单个自由构件的自由度为 3yx21平面机构自由度计算yx21转动副C=2,F=1平面机构自由度计算yx21移动副C=2,F=1平面机构自由度计算12xy平面高副C=1,F=2平面机构自由度计算运动副 自由度数 约束数回转副 1（）+2（x，y）=3C=2,F=1C=2,F=1C=1,F=2移动副 1（x）+2（y，）=3高 副 2（x，）+1（y）=3yx21yx2112xy平面机构自由度计算结论：自由构件的自由度数约束数活动构件数 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 n 3n 2 Pl 1 Ph (低副数)(高副数)构件自由度3约束数2.平面机构自由度的计算公式F=3n(2Pl+Ph)平面机构自由度计算3.平面机构自由度计算实例：解：活动构件数n=5低副数Pl=7F=3n 2Pl Ph =35 27 0 =1 高副数Ph=0例3：计算如图所示偏心轮机构的自由度。平面机构自由度计算4.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目例4：计算如图所示直线机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数Pl=6F=3n 2Pl Ph 高副数Ph=0=37 26 0=9平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目两个以上的构件在同一处以转动副相连。两个低副计算：m个构件,有m1个转动副。1）复合铰链 平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目例4：计算如图所示直线机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数Pl=10F=3n 2Pl Ph 高副数Ph=0=37 210 0=1平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目2）两构件在多处接触而构成运动副两构件构成多个转动副，且同轴。平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目2）两构件在多处接触而构成运动副两构件构成多个移动副，且导路平行。平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目2）两构件在多处接触而构成运动副两构件构成多个高副，且法线重合。平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（1）正确确定运动副数目2）两构件在多处接触而构成运动副注意：高副法线不重合时，变成实际约束！平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项例5：计算如图所示凸轮机构的自由度。解：滚子凸轮机构F=33 23 1=2 滚子凸轮机构直动凸轮机构直动凸轮机构F=32 22 1=1 平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（2）局部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，计算时应去掉F。本例中局部自由度 F=1滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚子凸轮机构直动凸轮机构平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项例6：计算如图所示平行四边形机构的自由度。解：活动构件数n=4低副数Pl=6F=3n 2Pl Ph 高副数Ph=0=34 26 0=0平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项（3）虚约束对机构的运动实际不起作用的重复约束。计算自由度时应去掉虚约束。增加的约束不起作用，应去掉构件5。ABCDEF，故增加构件5前后M点的轨迹都是圆弧。平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项重新计算如图所示平行四边形机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数Pl=4F=3n 2Pl Ph 高副数Ph=0=33 28 0=1平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项出现虚约束的场合 用双转动副构件连接两构件上距离始终保持不变的两点。椭椭圆圆仪仪平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项出现虚约束的场合 机构中对运动起重复限制作用的对称部分，如如多多个个行行星星轮轮。平面机构自由度计算3.计算机构自由度时应注意的事项虚约束的作用 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。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!平面机构自由度计算4.平面机构自由度计算举例：例7：计算如图所示大筛机构的自由度。n=7，Pl=9，F=3n 2Pl Ph =37 29 1 =2局部自由度1个复合铰链:位置C，2个低副Ph=1分析：平面机构结构分析和组成原理1.平面机构的结构分析原动件作移动(如直线电机、液压缸)。21原动件作转动(如电动机)。21（1）基本机构 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。平面机构结构分析和组成原理1.平面机构的结构分析（2）基本杆组机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。F=1F=0定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。平面机构结构分析和组成原理1.平面机构的结构分析（2）基本杆组设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有：F3n2PlPh0 Pl3n/2 (低副机构中Ph0)Pl 为整数，n只能取偶数。n 2 4 6 n4 已无实例了!Pl 3 6 9 平面机构结构分析和组成原理（2）基本杆组n=2，(Pl3)的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型。典型级组：平面机构结构分析和组成原理典型级组：RRRRRPRPRPRPPPR内端副杆组内部相连。外端副与组外构件相连。（2）基本杆组平面机构结构分析和组成原理n=4，(Pl6)的杆组有4种类型。结构特点：其中一个构件有三个低副。以下三种形式称为级组。（2）基本杆组平面机构结构分析和组成原理第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。n=4，(Pl6)的杆组有4种类型。（2）基本杆组平面机构结构分析和组成原理机构按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。只由原动件和机架构成的机构称为级机构。（3）结构分类平面机构结构分析和组成原理（4）机构的组成原理：机构机架原动件基本杆组18327456713245681832平面机构结构分析和组成原理学习机构组成原理的意义：创新设计机构（杆组外端副不可以同时加在同一个构件上）；了解机构的组成，为运动分析和力分析做准备。平面机构结构分析和组成原理将已知机构分解为原动件、机架和基本杆组。目的：了解机构的组成，确定机构的级别步骤：正确计算机构的自由度并确定原动件（去除虚约束和局部自由度）；从远离原动件的构件开始拆分杆组；确定机构的级别。（5）机构的结构分析：平面机构结构分析和组成原理例8:在如图所示六杆机构中，试分别以构件5和构件2为原动件，确定机构的级别。（6）实例：平面机构结构分析和组成原理1.以构件5为原动件：分析：1）计算机构的自由度 F3n2PlPh 35270 =1 2）拆分杆组23ABC46EFG15D3）确定机构级别：级机构平面机构结构分析和组成原理2.以构件2为原动件：分析：1）计算机构的自由度 F3n2PlPh 35270 =1 2）拆分杆组3）确定机构级别：级机构12AB46EFG53DC平面机构结构分析和组成原理2.平面机构的高副低代（2）高副低代时必须满足的两个条件原机构和代替机构的自由度必须完全相同；原机构和代替机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。（1）什么是平面机构的高副低代？在对平面高副机构进行分析研究时，可将机构中的高副在一定条件下，用低副虚拟的加以代替。平面机构结构分析和组成原理平面机构结构分析和组成原理平面机构结构分析和组成原理（4）实例：对图示机构高副低代（3）平面机构中高副用低副代替的方法用一个双转动副构件来代替一个高副，两个转动副的位置分别位于高副两元素接触点的曲率中心。平面机构结构分析和组成原理说明：1.高副两元素之一为点平面机构结构分析和组成原理说明：2.高副两元素之一为直线平面机构结构分析和组成原理例9:确定如图所示凸轮-连杆组合机构的结构。平面机构结构分析和组成原理平面机构结构分析和组成原理级机构平面机构结构分析和组成原理例10:分析如图所示的 8 杆机构的结构。1）计算机构的自由度 F3n2PlPh 372100 =1 2）结构分析3）确定机构级别：级机构