機構的結構分析(2).ppt

第一章 平面機構的結構分析,11 機構結構分析的內容及目的 12 機構的組成 13 機構運動簡圖 14 平面機構自由度 15 機構的組成原理及其結構分析,本章教學重點和難點,3 平面機構自由度的計算,4 機構的組成原理及其分析,2 機構運動簡圖的繪制,1 機構的組成,11、2 機構的組成,構成機構的基本要素是： 構件、運動副,機構：是指具有確定相對運動的實物組合。,平面機構：在機構中,若各實物均在同一平面或互相平行的平面作相對運動（常用的機構大多數為平面機構）。,空間機構：若各實物不在同一平面或互相平行的平面作相對運動。,作者：潘存云教授,曲柄搖桿機構.exe,一、機構及分類：,內燃機中的連桿,二、構件及分類：,定義:機構中的最小運動單元。它可以是單一的整體，也可以是由幾個零件組成的剛性結構。如圖所示的連桿。,1.構件的分類:,(1)機架：機構中相對不動的構件,必加剖面線表示。,(2)原動件：驅動力（或驅動力矩）所作用的構件。必須用帶箭頭的圓弧或直線標注其運動形式。,(3)從動件：隨著原動構件的運動而運動的構件。,機構機架原動件從動件,1個,1個或幾個,若干,2.機構的組成：,作者：潘存云教授,三、運動副及分類,如：凸輪副,1.定義：,如：齒輪副,1,2,A,兩個構件既保持直接接觸，又能產生某些相對運動的一種動聯接。,1)根據接觸形式不同，可分為：,例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。,高副：點、線接觸的運動副，由于接觸應力高,故稱為高副。,滾動副,凸輪副,齒輪副,2.運動副的分類（三種）：,低副：面接觸的運動副，由于接觸應力低，故稱為低副。,A.轉動副： 在低副中，若兩構件之間只作相對轉動,轉動副,移動副,B.移動副 ：在低副中，兩構件之間只作相對移動,作者：潘存云教授,2)根據引入的約束數目不同,可分為：,III級副,I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副等五類。,IV級副,V級副1,V級副2,V級副3,3)根據兩構件相對運動范圍不同,可分為：,平面運動副：兩構件位于同一平面內運動的運動副,空間運動副：兩構件不位于同一平面內運動的運動副,常見運動副符號的表示: 國標GB446084,常用運動副的符號,運動副 名稱,運動副符號,兩運動構件構成的運動副,轉動副,移動副,兩構件之一為固定時的運動副,平面運動副,平面高副,螺旋副,空間運動副,一般構件的表示方法,桿、軸構件,固定構件,同一構件,三副構件,兩副構件,一般構件的表示方法,注意事項:畫構件簡圖時，應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質。,作者：潘存云教授,簡圖,簡圖,四、運動鏈及分類,運動鏈：三個或以上的構件通過運動副的聯接而構成的結構。,A.閉式鏈:在運動鏈中，每一構件都含有二個或以上運動副的運動鏈。,閉式鏈,開式鏈,機構：具有確定相對運動的運動鏈稱為機構 。,B.開式鏈:在運動鏈中，至少有一構件只含有一個運動副的運動鏈。,13 平面機構運動簡圖,機構運動簡圖：用規(guī)定的運動副符號和構件線條，按一定的比例表示各構件和運動副的相對位置，并能完全反映機構特征的圖形。,機構示意圖：不按比例繪制的簡圖。,一、運動副的規(guī)定符號,轉動副：,移動副：,高副：,二、構件表示方法：,兩副構件,三副構件,三、機構運動簡圖的繪制：,1. 繪制步驟：,（1）選擇合適投影面:一般以它的運動平面為投影面。,（2）選取適當的比例尺，長度比例尺為,（3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，依次分別繪出各構件和運動副。,繪制構件和運動副時,應注意：,A.構件數目與實際相同,并用規(guī)定的線條繪出各構件；,B.運動副的性質、數目與實際相符。根據構件間的接觸情況和相對運動，確定運動副的類型及數目，并測出各運動副間的相對位置尺寸。,2. 繪制時的注意事項,1)編號:一般按運動傳遞路線，對各構件由小到大進行編號，其中原動件最好為序號1，機架最好為最后的序號數。,2)繪制機構運動簡圖時，必按比例繪出，反之稱為機構示意圖。,3)機架必加剖面線表示，原動件必須用帶箭頭的圓弧或直線標注其運動形式。,4)原動件的初始位置可自行決定。,3. 實例,例1：試繪制下述顎式破碎機的運動簡圖。,解： 1）選擇投影面； 2）選取比例尺； 3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，分別繪出各構件和運動副。,B,C,D,A,D,B,C,顎式破碎機.exe,1,2,3,4,例2 ：繪制下述機構的運動簡圖,解：1）選擇投影面； 2）選取比例尺； 3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，分別繪出各構件和運動副。,1,2,3,4,4,作業(yè)布置：,P25 1-1 （1） （3）,第二講,14 平面機構自由度及計算,15 機構的組成原理及其結構分析,作者：潘存云教授,14 平面機構自由度及計算,若給定S3S3(t)，則11（t）， 22（t）均唯一確定，故該機構只需要給定一個獨立運動參數S3（或1 ），其它各構件的運動便可確定。,已知各桿件長度，各構件的運動規(guī)律分別用參數1、4、表示，若僅給定11（t）,則2 3 4 均不能唯一確定。,一、機構具有確定相對運動的條件：,2,1,若同時給定1和4 ，則3 2 能唯一確定，故該機構需要給定兩個獨立運動參數，其它各構件的運動便可確定。,已知各桿件長度，各構件的運動規(guī)律分別用參數1、2、S3 表示。,機構的自由度：保證機構中各構件具有確定相對運動時所必須給定的獨立運動參數的個數，稱為該機構的自由度，常記為F。,一個原動件只能提供一個獨立運動參數（轉動或移動）,機構具有確定相對運動的條件為：,機構的自由度F原動件個數W 且 F 0,討論：,1）若F0，表示機構中各構件之間能產生相對運動；,當原動件個數W=F ，各構件間具有確定的相對運動,當原動件個數WF ，各構件間的相對運動不能確定,當原動件個數WF ，各構件的運動會干涉，導致破壞,3）若F0，說明機構中約束過多，此時機構中各構件之間也不能產生相對運動，這種結構稱為超靜定桁架。,如：下述四桿機構,2）若F=0，表示機構中各構件之間不能產生相對運動，這種結構稱為靜定桁架（或剛性桁架）。,如：下述五桿機構,二、 平面機構自由度的計算,由理論力學可知，一個作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的運動參數（x，y, ）才能唯一確定。,(x , y),R=2, F=3-2=1,R=2, F=3-2=1,R=1, F=3-1=2,結論：構件自由度F3約束數R 其中,低副約束數目 R=2 高副約束數目 R=1,經運動副相聯后，由于引入約束R，構件自由度F會減少：,設平面機構中活動構件數為n ，低副個數為PL，高副個數為PH，則有：,F=3n(2PL +PH )= 3n 2PL PH,構件總自由度:,低副約束數目：,高副約束數目：,3n,2 PL,1 PH,推廣到一般情況：,平面機構自由度計算式：,n-機構中活動構件的數目 PL-機構中的低副數目 PH-機構中的高副數目,例1：試計算下述曲柄滑塊機構的自由度。,解：活動構件數n=3,低副數PL=4,高副數PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,例2：試計算下述凸輪機構的自由度。,解：活動構件數n=,2,低副數PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副數PH=,1,例3：試計算下述五桿機構的自由度。,解：活動構件數n=4,低副數PL=6,高副數PH=0,F=3n 2PL PH =34 260 =0,由于F=0，故各構件間沒有相對運動, 該結構靜定桁架,例4：試計算下述四桿機構的自由度。,解：活動構件數n=3,低副數PL=5,高副數PH=0,F=3n 2PL PH =33 250 =-1,由于F0，故各構件間沒有相對運動, 該結構超靜定桁架,1.復合鉸鏈：若有二個以上的構件在同一處以轉動副相連,該結構稱為復合鉸鏈。,結論：若有m個構件(其中包括固定構件)相連，則轉動副個數為:(m1)。,兩個低副,三、計算自由度時的注意事項,復合鉸鏈.exe,解：在B、C、D、E四處應各有 2 個轉動副。,例5：試計算下述圓盤鋸機構的自由度。,活動構件數n=7,低副數PL=,10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,高副數PH=0,圓盤鋸.pps,2.局部自由度,定義：對整個機構運動無關的自由度稱局部自由度。,計算自由度F時，應去掉局部自由度。局部自由度常出現在滾子從動件的凸輪機構中。,滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。,滾子凸輪機構.exe,例7:試計算下述凸輪機構的自由度。,解：n=,2，,PL=,2，,F=3n 2PL PH =32 22 1 =1,PH=1,3.虛約束：起著相同作用的約束。 計算自由度時，應去掉虛約束。, FEAB CD ，故增加構件4前后E點的軌跡都是圓弧。增加構件4的約束不起作用，應去掉構件4。,平行四邊形虛約束.exe,作者：潘存云教授,解：n=3, PL=4, PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,去除虛約束,作者：潘存云教授,1)兩構件聯接前后，聯接點的軌跡重合。,2)兩構件構成多個移動副，且導路平行。,如平行四邊形機構、,橢圓儀等。,出現虛約束的五種場合：,A,A,A,B,作者：潘存云教授,3)兩構件構成多個轉動副，且軸線相同。,4)在機構中存在對稱部分，且對稱部分對整個機構的運動不起作用。如多個行星輪。,A,B,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,5)兩構件在兩處（或多處）構成高副，且接觸處的法線重合。,如：等寬凸輪.MOV,注意： 若法線不重合時， 則變成實際約束！,虛約束的作用：,增加機構的剛度，如軸與軸承、機床導軌。,使機構運動順利，避免運動不確定，如車輪。,改善構件的受力情況，如多個行星輪。,火車輪虛約束.exe,【綜合例題1】試計算下述機構的自由度。,解:,活動構件數n=7,低副數PL=9,高副數PH=1,【綜合例題 2 】試計算下述結構的自由度。,解:,活動構件數n=5,低副數PL=7,高副數PH=1,該結構剛性桁架,【綜合例題3 】試計算下述包裝機中送紙機構的自由度。,解:,活動構件數n=6,低副數PL=7,高副數PH=3,15 機構的組成原理及其結構分析,一、若干概念,1)原動件1作移動 (如直線電動機驅動)。,2)原動件1作轉動 (如轉動電動機驅動)。,1.基本機構,由一個原動件和一個機架所組成的雙桿機構,稱為基本機構（或稱級機構 ）。,分類：,2.基本桿組,基本桿組：不可再分的、自由度F0的構件組合，或稱為桿組。,機構具有確定運動的條件是：原動件數W自由度F。,現設想將機構中的原動件和機架分離出來，則原動件與機架構成了基本機構，其F1。剩下的構件組必有F0。將構件組繼續(xù)拆分成更簡單F0的構件組，直到不能再拆為止。,設桿組中有n個構件，由于其F0，則有：, PL 為整數， n只能取偶數。,1) 若n=2 （PL3）的桿組，此桿組稱為級桿組，結構特點：該桿組中任一個構件均含有二個運動副。 級桿組是工程上應用最廣而又最簡單的基本桿組。它最常用的有五種類型,如下所示。,3.桿組分類,F3n2PLPH0 PL3n/2 (假設該桿組中無高副，則PH0 ),2)若n=4 （PL 3n/2 6）的桿組，稱為級桿組。常見的形式有以下三種:,結構特點：其中一個構件有三個運動副。,典型級桿組：,3)若n6，由于此類桿組在工程上一般很少應用，本書不再一一列舉。,作業(yè)布置：,P26 1-5 (b) 1-6 (a) (b),第三講,15 機構的組成原理及其結構分析（續(xù)）,15 機構的組成原理及其結構分析,一、回顧,1)原動件1作移動 (如直線電動機驅動)。,2)原動件1作轉動 (如轉動電動機驅動)。,1.基本機構,由一個原動件和一個機架所組成的雙桿機構,稱為基本機構（或稱級機構 ）。,2.基本桿組,基本桿組：不可再分的、自由度F0的構件組合，或稱為桿組。,1）級桿組： n = 2 ，PL = 3的桿組。,常見的形式有以下五種:,結構特點：該桿組中的每一個構件上都有二個運動副。,2) 級桿組：n= 4， PL = 6的桿組。,結構特點：該桿組中其中一個構件有三個運動副。,3)由于n6的桿組在工程上一般很少應用，本書不再一一列舉。,常見的形式有以下三種:,二、機構拆分和機構組成原理,（1）首先從遠離原動件的構件開始拆分；,（2）拆分時，先試拆級桿組；若不可能時，再試拆級桿組；,（3）拆完第一組桿組后，按照上述方法，開始試拆第二組桿組，依此類推，直到最后只剩下原動件和機架為止。,2.拆分的步驟：,拆分：,常將機構分解成基本機構和若干個桿組的過程。,應注意：若機構自由度F=1,拆分時只有一個基本機構； 若機構自由度F=2,拆分時就有二個基本機構，依此類推。,1.拆分的定義：,舉例：試將下述六桿機構拆分成基本機構和基本桿組。,解：1）計算機構自由度，并確定原動件,2)拆分:,F352701,首先從遠離原動件的構件開始拆分；先試拆級桿組，若不可能時，再試拆級桿組；直至最后只剩下原動件和機架為止。,該機構由上述兩個基本桿組和一個基本機構組成。,結論：任何一個平面機構都可以看成：由基本機構 和若干個桿組所組成的。,機構基本機構若干桿組,任何機構都可以包含有不同級別的桿組，如級桿組、級桿組、級桿組等。,我們通常是按該機構所含級別最高的桿組來命名此機構，如級機構，級機構等