第一讲机构的结构分析.pdf

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1、 1 第一讲 机构的结构分析 理论知识部分：一 机构的组成 1构件：机器中每一个独立的运动单元，任何机器都是由若干个（两个以上）构件组合而成。2零件：机器的独立制造单元。二、运动副及分类 1.运动副：由两构件直接接触而组成的可动联接称为运动副。2.运动副的分类 根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。高副：两构件通过点或线接触而构成的运动副。常见的高副：凸轮副 齿轮副 低副：两构件通过面接触而构成的运动副。常见的低副有：回转副，移动副，球面副。3.约束：平面高副引入的 1 个约束，自由度为 2，低副引入 2 个约束，自由度为 1.三、运动链 1 定义：两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相

2、对可动的系统。2闭链：若运动链的各构件构成了首末封闭的系统，则称其为闭式运动链。3开链：若运动链的各构件未构成首末封闭的系统，则称其为开式运动链。四、机构 1机构：在运动链中，若将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链叫机构。2机架：机架是固定不动的构件。（注：一个机构只有一个机架）3原动件：机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件。（一个工作着机构中，驱动机构的外力所作用的构件，又叫主动件）4从动件：运动链中除原动件外其余活动构件。五、机构运动简图 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。为了准确地反映构件间原有

3、的相对运动，表示转动副的小圆必须与相对回转轴线重合；表示移动副的滑块，导杆或导槽，其导路必须与相对移动方向一致；表示平面高副的曲线，其曲率中心的位置必须与构件的实际轮廓相等。六、机构具有确定运动的条件 为了使机构具有确定的运动规律，则机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。说明：（1）机构的自由度至少不小于 1，即 F1。（2）当原动件数目小于机构的自由度时，机构的运动是不确定的，机构的运动遵循最小阻力定律。当原动件数目大于机构的自由度时，则将导致机构中最薄弱环节的损坏。（3）通常机构的原动件都是和机架相连的。七、机构自由度的计算 自由度：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构

4、的自由度。计算自由度的方法：1.计算方法一：先分析并明确指出机构中存在的局部自由度、虚约束、复合铰链，确定局部自由度和虚约束的数目，然后用公式 计算：F 3n-(2Pl+Ph-P)-F 说明：n：指活动构件的个数，F 局部自由度数 Ph 高副数 n 活动构件数 P 虚约束数 Pl 低副数 F 局部自由度数 2 2.计算方法二：先分析并明确指出机构中存在的局部自由度、虚约束、复合铰链，然后去除局部自由度及虚约束后，用公式计算：F 3n-(2Pl+Ph)计算时需要注意的问题：（一）.复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。1.常见的复合铰链 注意：2.杆状构件构成的复合铰链比较

5、明显，而齿轮、凸轮及机架等构件构成的复合铰链容易忽略，计算时应特别注意。A处 为 机 架、小 齿 轮 和AB杆 组 成 的 复 合 铰 链。F=3 如下图差动轮系中 1 和 3 与机架组成复合铰链，计算自由度为 2.（二）局部自由度 1定义：有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动，这种构件产生的局部运动的自由度称为局部自由度。2特点：局部自由度不影响机构整体运动的自由度。3自由度的计算：法一：)2(3FppnFhl 局部自由度 法二：将局部自由度除去不计。如将滚子焊在杆上，再进行计算。（常见的局部自由度也就是滚子，其作用是减少高副元素的磨损）。（三）、虚约束 1定义：在机

6、构中有些运动副带入的约束，对机构的运动起重复约束作用，这类约束叫虚约束。在计算自由度时，应将虚约束除去不计。2常见的虚约束：如图所示 (a)AB、CD、EF 平行且相等；(b)平行导路多处移动副；(c)同轴多处转动副；(d)4 AB=BC=BD，AD垂直于AC 且 A 在 D、C 轨迹交点；(e)在机构的运动过程中，两构件上两点始终等距;(f)轨迹重合；(g)在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所引入的约束为虚约束-有对称结构；h)如果两构件在多处接触而构成平面高副，且在各接触点处的公法线彼此重合，则在计算机构的自由度时，只能算一个平面高副，其它为虚约束。如（h)等径凸轮的两处高副；（i

7、)等宽凸轮的两处高副。如果两构件在多处接触而构成平面高副，且在各接触点处的公法线方向并不彼此重合，则在计算机构的自由度时，只能算一个平面低副。两构件在多处组成高副，且各接触点的公法线彼此重合，按一个高副计算 3虚约束作用：虽然不影响机构的运动，但能改善机构的受力状况，增加机构的刚度，或保证机构运动的顺利进行，所以在设计中有广泛的应用。5 考研题型：试确定图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度和虚约束，请指出。第一大类：有复合铰链和局部自由度的计算 1.分析：机构共有 8 个活动件，10 个低副（G 是铰链数为 2 的复合铰链），两个 高副，1 个局部自由度，没有虚约束。题 1 题 2 解

8、 （）机构的自由度的计算：（）（）2.解：机构共有 6 个活动件，两个局部自由度，分别将两滚子与相铰接的一构件看成一体。去除两个局部自由度，有 5 个活动件，2 个高副，6 个低副，没有虚约束。F=35-26-21=1 题 3 题 4 3.解：C 处为复合铰链，n=7，LP=10，HP=0，（注 E 处不是虚约束也不是复合铰链）11027323HLPPnF=1 4 (哈工大考题)局部自由度 6 第二大类：含虚约束的计算 5.CH或DG、J处为虚约束，B处为局部自由度，应消除。6n，ph=1，pl=8。自由度 32362811WlhFnpp。6、已知 AB 平行 CD，CD 平行 EF,计算自由

9、度 题 5 （西安电子科技大 2013）ABCDEFGHKIJ1234567CHDGEF(d)7 7.（1）（2）（2）解：G 为复合铰链；CD 为虚约束；滚子 B 带来一个局部自由度，应除去滚子引入的局部自由度，即将其与构件 2 固连。n=12，LP=17，HP=1 1117212323HLPPnF 8.ABC12DEHFGJQPKS345678910111213 8 9.10（山科 2014）11 12.9（南理、浙工业）11解：H 或 I 为 虚 约 束，F 处 为 复 合 铰 链，B、C 两 处 有 局 部 自 由 度。1 2927323HLppnF 第三大类：有三副构件的计算 11.

10、解：（a）机构共有 9 个活动件，1 个局部自由度，去除局部自由度，有 8 个活动件，1 个高副，11 个低副，没有虚约束。F=38-211-1=1 （大连海事、南理）（a）（b）（c）12.13.（a）（b）10 第四大类：轮系的自由度计算：计算时各同轴关系的各件视为一个构件 14.计算 (1)(2)(3)(5)（4）(4)活动构件为 6，各同轴关系的为一个构件，转动副为 6，一处虚约束，高副为 5 个，去掉虚约束，F=3*6-2*6-5=1(5)八、平面机构的组成原理、结构分类及结构分析 11 理论知识部分;（一）、平面机构的组成原理 1 基本杆组（阿苏尔杆组）：把不能再拆的、最简单的、自

11、由度为零的构件组称 为基本杆组。2机构组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连于原动件和机架上而构成的。4原理应用：（1）拆分杆组，以便对相同的基本杆组以相同方法进行分析。（2）设计新机构：可选定一机架，并将数目等于机构自由度的 F 个原动件用运动副联于机架上，然后再将一个个基本杆组依次联于机架和原动件上。注意：在杆组并接时，不能将同一杆组的各外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用 (二)、平面机构的结构分类 1级组常见型式（二杆三副）：2 个构件，3 个低副。2级组常见型式（四杆六副）：4机构的级别：同一机构中可以包含不同级别的基本杆组，其中最高级别的杆组的级别即为

12、机构的级别。如：最高级别为级组的基本杆组的机构，称为级机构。另外，只由机架和原动件构成的机构叫级机构。三、平面机构的结构分析 1目的：了解机构的组成，并确定机构的级别。2步骤：从远离原动件的构件开始拆组。（1）正确计算机构的自由度。（2）除去虚约束和局部自由度，将机构中的高副全部化为低副，改画机构的运动简图。（3）确定原动件，用箭头在其上作标志。（4）先试拆 n2 的杆组，如不能，再拆 n3，n4，每拆出一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直至全部杆组拆出，只剩下原动件和机架为止。（5）至此可定出机构的级别。4说明：拆组后，剩余机构不允许残存只属于一个构件的运动副和只有

13、一个运动副的构件（原动件除外），因为前者将导入虚约束，而后者产生局部自由度。考研题型：1.计算图所示机构的自由度。并确定机构的杆组及机构的级别。解题要点：正确区分或级杆组。12 解：如 所 示，计 算 机 构 的 自 由 度：n=9，LP=13，HP=0 101329323HLPPnF 123456789 (a)图 (b)图 如(b)图所示，2、3 构件可以组成 RRR级杆组；4、5、6、7 构件可以组成级杆组；8、9 构件可以组成 RRR级杆组；该机构的基本杆组最高级为级，所以机构为级机构。（哈工大）八、平面机构中的高副低代 高副低代后，机构的运动性能不能变，要求高副低代满足两个条件：代替前

14、后机构的自由度完全相同；代替前后机构的瞬时速度及瞬时加速度完全相同。即一个高副用二个低副和一个活动构件来替代。在平面机构中进行高副低代时，为了使得在代替前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度都保持不变，只要用一个虚拟构件通过两个低副分别联在高副两元素接触点的曲率中心处即可。几种常见情况：234567891 13 注：如组成高副两元素之一为直线，低代是虚拟构件这端为移动副，如组成高副两元素之一为点，低代是虚拟构件这端转动副就在此点。1.求（a）图机构的自由度，并在高副低代后，对其进行结构分析并确定机构的级别。2.计算机构的自由度，并高副低代（江苏大学 2014）14 （哈工大 2012）（哈工大

15、 2014）15 练习题 4 (东北大学)6.填空（1）平面运动副的最大约束数为，最小约束数为，引入一个约束的运动副为，引入两个约束的运动副有。（2）机构具有确定相对运动条件是；根据机构的组成原理，任何机构都可以看成是由、和组成。两构件通过面接触而构成的运动副为，它引入个约束；通过点、线接触而 16 构成的运动副称为，它引入个约束。（3）在平面机构中若引入一个高副将引入个约束，而引入一个低副将引入个约束，约束数与自由度的关系是（4）由 M 个构件组成的复合铰链应包括个转动副。（5）机构要能够运动，自由度必须，机构具有确定相对运动的条件是。（6）机构中的运动副是指，平面连杆机构是由许多刚性构件用

16、联接而成的。（7）机构中的相对静止件称为，机构中按给定运动规律的构件称为。(8)运动副元素是指。(9)运动链是指。(10)局部自由度是指。(11)虚约束是指。(12)平面运动副按组成运动副两构件的接触特性，分为 和 两类。其中两构件间为面接触的运动副称为 ；两构件间为点接触或线接触的运动副称为 。7，选择题（1）当机构的原动件数目小于或大于其自由度数时，该机构将（）确定运动。A.有；B.没有；C.不一定；（2）在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为（）。A.虚约束；B.局部自由度；C.复合铰链；（3）机构具有确定运动的条件是（）。A.机构自由度数小于原动件数；机构自由度数大于

17、原动件数；B.机构自由度数等于原动件数；（4）用一个平面低副联二个做平面运动的构件所形成的运动链共有（）个自由度。A.3；B4；C5；D6；（5）杆组是自由度等于（）的运动链。A.0；B1；C 原动件数。（6）平面运动副所提供的约束为（）。A.1；B2；C3；D1 或 2；（7）某机构为级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是（）。A.含有一个原动件组；B.原动件；C.至少含有一个级杆组；D.至少含有一个级杆组；（8）机构中只有一个（）。A.闭式运动链；B 原动件；C 从动件；D 机架。（9）具有确定运动的差动轮系中其原动件数目（）。A.至少应有 2 个；B.最多有 2 个；C.只有 2 个；

18、D.不受限制。10.为使机构运动简图能够完全反映机构的运动特性,则运动简图相对于与实际机构的（）应相同。A.构件数、运动副的类型及数目 B.构件的运动尺寸 C.机架和原动件 D.A 和 B 和 C 11.下面对机构虚约束的描述中，不正确的是（）。A.机构中对运动不起独立限制作用的重复约束称为虚约束，在计算机构自由度时应除去虚约束。B.虚约束可提高构件的强度、刚度、平稳性和机构工作的可靠性等。C.虚约束应满足某些特殊的凡何条件，否则虚约束会变成实约束而影响机构的正常运动。为此应规定相应的制造精度要求。虚约束还使机器的结构复杂，成本增加。17 D.设计机器时，在满足使用要求的情况卜，含有的虚约束越

19、多越好。8.计算自由度，若以 1 为主动件，拆分此机构。10 问答题：1、两构件构成运动副的特征是什么？2、何谓自由度和约束？3、转动副与移动副的运动特点有何区别与联系？4、何谓复合铰链？计算机构自由度时应如何处理？5、机构具有确定运动的条件是什么？6、什么是虚约束？虚约束的作用是什么？7.既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用,那么实际机械中为什么又常常存在虚约束?11、判断题（认为正确的，在括号内画，反之画）1.机构是由两个以上构件组成的。（）2.运动副的主要特征是两个构件以点、线、面的形式相接触。（）3.机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度大于零。（）4.转动副限制了构件的转动自由度。（）5.固定构件（机架）是机构不可缺少的组成部分。（）6.4个构件在一处铰接，则构成 4 个转动副。（）7.机构的运动不确定，就是指机构不能具有相对运动。（）8.虚约束对机构的运动不起作用。（）JHDGEFCBAI