机械原理第一章件构约束运动副.ppt

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1、 第一章第一章 构件、约束和运动副构件、约束和运动副1.2 1.2 构件及其分类构件及其分类F构件和零件是两个不同的概念：构件构件是运动时的单元体，而零件零件是制造时的单元体。动画链接1 2构件是由一个或若干个零件组成。构件是由一个或若干个零件组成。这些零件之间没有任何的相对运动。这些零件之间没有任何的相对运动。构件的类型构件的类型 F按抗载能力分类：按抗载能力分类：刚性构件刚性构件:在机构的运动过程中，在机构的运动过程中，构件上任意两点之间的构件上任意两点之间的距离是保持不变距离是保持不变构构件件上上任任意意两两条条直直线线所所夹夹的的角角度度也也是是保保持不变持不变 弹性构件弹性构件:构件

2、有弹性变形构件有弹性变形拉曳件拉曳件:主要承受拉力的构件主要承受拉力的构件 F按在机械传动中的功能分类：按在机械传动中的功能分类：原动件：原动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件，又称作用有驱动力或驱动力矩的活动构件，又称主主动件动件。从动件：从动件：在机构中除机架和原动件以外的其余构件则称在机构中除机架和原动件以外的其余构件则称为从动件为从动件 。构件分成构件分成 机机 架架（或固定构件）（或固定构件）活动构件活动构件原动件（主动件）原动件（主动件）从动件从动件机机 架：架：机架是指要被固定、而作为机构运动的参考机架是指要被固定、而作为机构运动的参考系的构件系的构件 。动画链接1 2F按照其

3、按照其几何和运动特征几何和运动特征进行分类：进行分类：如如齿轮齿轮、凸轮、摩擦轮、滑块、导槽、杆件等、凸轮、摩擦轮、滑块、导槽、杆件等滑块、导槽、杆件滑块、导槽、杆件动画链接 广义来讲，随着科学技术的不断发展，机构中的广义来讲，随着科学技术的不断发展，机构中的构件可构件可以是有形的，也可以是无形的以是有形的，也可以是无形的，只要它在传递运动和力或在，只要它在传递运动和力或在运动的导引的过程中能完成一些确定的运动任务，我们都可运动的导引的过程中能完成一些确定的运动任务，我们都可以将其视为一个构件。例如：液态介质或气态介质、可塑性以将其视为一个构件。例如：液态介质或气态介质、可塑性的颗粒状物质等等

4、，只要这些物质能够充满所提供的空腔，的颗粒状物质等等，只要这些物质能够充满所提供的空腔，在运动的传递过程中起到了必不可少的作用，都可以看作为在运动的传递过程中起到了必不可少的作用，都可以看作为压力构件；机械运动的计算机控制程序等也可以看作是一个压力构件；机械运动的计算机控制程序等也可以看作是一个构件。构件。构件构件2xzy构件构件1O1.3 1.3 构件的运动约束构件的运动约束 F1.3.1 构件之间的运动自由度与约束构件之间的运动自由度与约束 自由度：自由度：一个构件相对另一个构件可能出现一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。的独立运动。每一种独立的相对运动就是一每一种独立的相对运动就是

5、一个运动的自由度。个运动的自由度。空间两个自由构件之间有空间两个自由构件之间有6 6个自由度个自由度动画链接平面机构平面机构的特点是机构中所有构件都在的特点是机构中所有构件都在同一同一个平面或相互平行的平面内个平面或相互平行的平面内运动。运动。xyO构件构件1 1构件构件 2 2分别沿轴分别沿轴x x、y y的移动的移动绕垂直于绕垂直于xoyxoy平面的轴的转动平面的轴的转动平面自由运动的构件有平面自由运动的构件有3 3个自由度个自由度。动画链接约束约束:使得机构的自由度减少的条件使得机构的自由度减少的条件任意两个构件之间约束数目任意两个构件之间约束数目其自由度减少的数目其自由度减少的数目一个

6、光滑点接触的约束数目为一个光滑点接触的约束数目为 1 1一个光滑平面接触的约束数目为一个光滑平面接触的约束数目为 3 3两个构件之间的约束数两个构件之间的约束数自由度数自由度数6 6 运动约束因构件之间相互接触而产生运动约束因构件之间相互接触而产生结论：结论：构件之间的自由度与约束构件之间的自由度与约束 空间空间 N+S=6 N+S=6 平面平面 N+S=3 N+S=3 其中：其中：NN自由度自由度 S S约束约束 可拆卸焊接烧锅的固定装置的设计可拆卸焊接烧锅的固定装置的设计固定件固定件 B B三棱锥形孔三棱锥形孔V V形槽形槽焊接烧锅焊接烧锅 A A支脚支脚用点接触构造约束用点接触构造约束三

7、棱锥形孔三棱锥形孔：约束所有的移动：约束所有的移动xzyV V形槽形槽：约束绕轴：约束绕轴X X和和y y转动转动不同的连接方式，产生相同的运动约束不同的连接方式，产生相同的运动约束相对移动约束相对移动约束 不同的连接方式，产生相同的运动约束不同的连接方式，产生相同的运动约束相对移动约束相对移动约束 1.3.21.3.2 约束力约束力 约束力是通过约束与被约束物体之间的相互接触而产生约束力是通过约束与被约束物体之间的相互接触而产生约束是以约束力的方式对构件的运动产生影响约束是以约束力的方式对构件的运动产生影响约束力与接触面的物理性质和约束的结构形式有关约束力与接触面的物理性质和约束的结构形式有

8、关光滑接触的约束力光滑接触的约束力 1.3.3 1.3.3 构件运动约束的设计构件运动约束的设计只有只有1 1个自由度个自由度约束设计约束设计就是确定出约束的具体结构。就是确定出约束的具体结构。用平面和曲面构造约束：用平面和曲面构造约束：利用轴和孔的圆柱面、圆环利用轴和孔的圆柱面、圆环断面构成的相对转动约束断面构成的相对转动约束用平面和曲面构造约束：用平面和曲面构造约束：用四个平面构造的相对移动约束用四个平面构造的相对移动约束只有只有1 1个自由度个自由度约束中加入约束中加入中间元件中间元件，改变接触处的摩擦状态，改变接触处的摩擦状态钢球钢球保持架保持架滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦滑动摩擦

9、滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦2-9(b)2-9(c)1.4 1.4 运动副及其分类运动副及其分类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运动副元素:直接接触的部分（点、线、面）直接接触的部分（点、线、面）运动副：运动副：两个两个构件构件直接接触组成的仍能产生某些相对运直接接触组成的仍能产生某些相对运动的动的联接联接。&三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可1.4.1 1.4.1 运动副运动副 作者：潘存云教授1.4.2 1.4.2 运动副的分类运动副的分类力闭合运动副力闭合运动副形闭合运动副形闭合运动副材料闭合运动副材料闭合运动副一、按运动副的闭合分类一、按运动

10、副的闭合分类由外力作用来保持构件的接触，外力通常为弹簧力或由外力作用来保持构件的接触，外力通常为弹簧力或重力等重力等 F力闭合运动副力闭合运动副F形闭合运动副形闭合运动副F材料闭合运动副材料闭合运动副由由柔性材料柔性材料所构成的运动副所构成的运动副F平面运动副平面运动平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair)平面运动副平面运动副 形成运动副的一个构件的运动副元素形成运动副的一个构件的运动副元素上的各点相对另一构件运动副元素的对应点的运动上的各点相对另一构件运动副元素的对应点的运动轨迹均为位于各平行平面内的平面曲线轨迹均为位于各平行平面内的平面曲线 。F空间运动副空间运动

11、空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair)空空间间运运动动副副 形形成成运运动动副副的的一一个个构构件件的的运运动动副副元元素素上上的的各各点点相相对对另另一一构构件件运运动动副副元元素素的的对对应应点点的的运运动动轨轨迹分布于空间或是在空间排列着的诸平面内迹分布于空间或是在空间排列着的诸平面内 。二、二、按相对运动范围分：按相对运动范围分：F平面运动副平面运动副转动副转动副:相对运动轨迹为圆弧，相对运动只相对运动轨迹为圆弧，相对运动只是旋转运动是旋转运动 ，自由度为，自由度为 1 1 移动副移动副:相对运动轨迹为直线，相对运动只相对运动轨迹为直线，相对运动只是直线移动

12、是直线移动 ，自由度为，自由度为 1 1 球面副球面副F空间运动副空间运动副球面副球面副:自由度为自由度为3 螺旋副螺旋副:相对运动轨迹为螺旋线，非独立转动相对运动轨迹为螺旋线，非独立转动+移动移动 ，自由度为自由度为1 圆柱副圆柱副:独立的转动移动，自由度为独立的转动移动，自由度为2 螺旋副螺旋副两者关联圆柱副圆柱副三、按运动副接触形式分类三、按运动副接触形式分类 低副低副(lower pair)：面接触，应力低面接触，应力低 高副高副(high pair)：点、线接触，应力高点、线接触，应力高转动副转动副移动副移动副螺旋副螺旋副球面副球面副圆柱副圆柱副高副：高副：可使相联接的两构件间形成极

13、其多样的相对运动可使相联接的两构件间形成极其多样的相对运动 球面球面平面副平面副圆柱圆柱平面副平面副 思考思考:XY:XY移动移动高副（续）高副（续）链接链接1 1 2 2运动副特点：运动副特点：例：例：圆柱副（圆柱副（级）级）+圆柱圆柱-平面副平面副 级移动副级移动副低副：低副：低副：低副：制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副空间副：两

14、构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。高副：高副：高副：高副：不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。四、按引入的约束数分类四、按引入的约束数分类I I级副、级副、IIII级副、级副、IIIIII级副、级副、IVIV级副、级副、V

15、V级副级副I I 级副：球面级副：球面平面副平面副II II 级副级副:圆柱圆柱平面副平面副IIIIII级副级副:球面副球面副IV IV 级副级副:圆柱副圆柱副转动副转动副移动副移动副V V 级副级副螺旋副螺旋副两者关联两者关联常用的运动副常用的运动副V V级副级副级副级副 ：转动副、转动副、转动副、转动副、移动副、移动副、移动副、移动副、螺旋副螺旋副螺旋副螺旋副级副：圆柱副级副：圆柱副级副：圆柱副级副：圆柱副 、环副环副环副环副级副：球面副级副：球面副级副：球面副级副：球面副级副：圆柱级副：圆柱级副：圆柱级副：圆柱-平面副平面副平面副平面副 级副：球面级副：球面级副：球面级副：球面-平面副。平面副。平面副。平面副。