機械設計基礎平面機構的結構分析PPT學習教案

1、會計學1 機械設計基礎平面機構的結構分析機械設計基礎平面機構的結構分析 3.2 運動副運動副 構件和構件之間直接接觸并具有一定的相對運動的連接稱為構件和構件之間直接接觸并具有一定的相對運動的連接稱為 運動副。運動副。 運動副元素：運動副元素：兩構件上直接參加接觸構成運動副的部分。兩構件上直接參加接觸構成運動副的部分。 一、運動副一、運動副 運動副：運動副： 第1頁/共39頁 自由度：自由度：把構件相對于參考系具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為自由度。把構件相對于參考系具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為自由度。 一個作平面運動的自由構件具有三個自由度。一個作平面運動的自由構件具有三個自由度。 運動副運動副

2、運動副約束運動副約束: : 對構件獨立運動所加的限制稱為約束。對構件獨立運動所加的限制稱為約束。 自由度減少的個數(shù)等于約束的數(shù)目。自由度減少的個數(shù)等于約束的數(shù)目。 第2頁/共39頁 運動副可分為平面運動副和空間運動副兩大類運動副可分為平面運動副和空間運動副兩大類 按兩構件接觸情況，常分為按兩構件接觸情況，常分為低副、高副低副、高副兩大類。兩大類。 1.1.低副低副 兩構件以面接觸而形成的運動副。兩構件以面接觸而形成的運動副。 (1) (1) 轉動副：只允許兩構件作相對轉動，又稱作鉸鏈。（圓柱面接觸）轉動副：只允許兩構件作相對轉動，又稱作鉸鏈。（圓柱面接觸） a)固定鉸鏈固定鉸鏈 （一）平面運動

3、副（一）平面運動副 運動副運動副 第3頁/共39頁 b)活動鉸鏈活動鉸鏈 運動副運動副 第4頁/共39頁 (2) (2) 移動副：只允許兩構件作相對移動。移動副：只允許兩構件作相對移動。 （平面接觸）（平面接觸） 移動副移動副 運動副運動副 低副引入兩個約束，保留低副引入兩個約束，保留1個自由度。個自由度。 第5頁/共39頁 2.2.高副高副 兩構件以點或線接觸而構成的運動副。兩構件以點或線接觸而構成的運動副。 凸輪副凸輪副 運動副運動副 第6頁/共39頁 齒輪副齒輪副 運動副運動副 高副引入高副引入1個約束，保留兩個自由度。個約束，保留兩個自由度。 第7頁/共39頁 （二）空間運動副（二）空

4、間運動副 若兩構件之間的相對運動均為空間運動，則稱為空間運動副。若兩構件之間的相對運動均為空間運動，則稱為空間運動副。 螺旋副螺旋副球面副球面副 運動副運動副 第8頁/共39頁 運動鏈：運動鏈：構件通過運動副連接所構成的相對可動的系統(tǒng)。構件通過運動副連接所構成的相對可動的系統(tǒng)。 根據(jù)運動鏈是否封閉可以分為兩大類：根據(jù)運動鏈是否封閉可以分為兩大類： 閉式運動鏈閉式運動鏈 如圖中的如圖中的a、b 開式運動鏈開式運動鏈如圖中的如圖中的c、d 在各種機械中一般都采用閉鏈。在各種機械中一般都采用閉鏈。 運動副運動副 圖圖3.4運動副運動副 第9頁/共39頁 運動副運動副 機構：機構：將運動鏈中的一個構件

5、固定作為機架，這樣運動鏈將運動鏈中的一個構件固定作為機架，這樣運動鏈 就成為機構。就成為機構。 三、機構中構件的分類三、機構中構件的分類 機構中的構件可分為以下三類：機構中的構件可分為以下三類： 機架（固定件）機架（固定件） 機構中的固定構件稱為機架，它的作用是支撐運動構件。機構中的固定構件稱為機架，它的作用是支撐運動構件。 原動件（主動件、輸入構件）原動件（主動件、輸入構件） 由外界給定運動規(guī)律的構件稱為主動件，一般原動件與機架相連由外界給定運動規(guī)律的構件稱為主動件，一般原動件與機架相連 從動件從動件 除主動件以外的全部活動構件稱為從動件。除主動件以外的全部活動構件稱為從動件。 第10頁/共

6、39頁 3.3 3.3 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 一、運動副及構件的表示方法一、運動副及構件的表示方法 1.1.構件：均用直線或小方塊等來表示，畫有斜線的表示機架。構件：均用直線或小方塊等來表示，畫有斜線的表示機架。 機構運動簡圖機構運動簡圖： 用簡單的線條和符號來代表構件和運動副，并按一定比例確定各用簡單的線條和符號來代表構件和運動副，并按一定比例確定各 運動副的相對位置。這種表示機構中各構件間相對運動關系的簡單圖運動副的相對位置。這種表示機構中各構件間相對運動關系的簡單圖 形稱為機構運動簡圖。形稱為機構運動簡圖。 第11頁/共39頁 2.2.轉動副轉動副 構件組成轉動副時，如下

7、圖表示。構件組成轉動副時，如下圖表示。 圖垂直于回轉軸線時用圖圖垂直于回轉軸線時用圖a a表示；表示； 圖面不垂直于回轉軸線時用圖圖面不垂直于回轉軸線時用圖b b表示。表示。 表示轉動副的圓圈，其圓心必須與回轉軸線重合。表示轉動副的圓圈，其圓心必須與回轉軸線重合。 一個構件具有多個轉動副時，則應在兩條交叉處涂黑，或在其一個構件具有多個轉動副時，則應在兩條交叉處涂黑，或在其 內畫上斜線。內畫上斜線。 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第12頁/共39頁 3. 3. 移動副移動副 兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。 平面機構的運動簡

8、圖平面機構的運動簡圖 第13頁/共39頁 4. 4. 平面高副平面高副 兩構件組成平面高副時，其運動簡圖中應畫出兩構件接觸處的曲線輪兩構件組成平面高副時，其運動簡圖中應畫出兩構件接觸處的曲線輪 廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出 其節(jié)圓。其節(jié)圓。 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第14頁/共39頁 二、二、 繪制機構運動簡圖的步驟繪制機構運動簡圖的步驟 （1）分析機構的結構和運動情況）分析機構的結構和運動情況 （2）確定構件、運動副的類型和數(shù)）確定構件、運動副的類型和數(shù) （3）選擇視圖平面）選擇

9、視圖平面 （4）選定適當?shù)谋壤撸┻x定適當?shù)谋壤遧，繪制機構運動簡圖，繪制機構運動簡圖 / l m mm 構件實際長度 圖樣長度 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第15頁/共39頁 例例3.1 試繪制內燃機的機構運動簡圖試繪制內燃機的機構運動簡圖 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第16頁/共39頁 氣缸體氣缸體1 活塞活塞2 進氣閥進氣閥3 排氣閥排氣閥4 連桿連桿5 曲軸曲軸6 凸輪凸輪7 頂桿頂桿8 齒輪齒輪10 解：解：1）分析運動，確定構件）分析運動，確定構件 的類型和數(shù)量的類型和數(shù)量 。 2）確定運動副的類型和數(shù)目。）確定運動副的類型和數(shù)目。 3）選擇視圖平面。）選擇視

10、圖平面。 4）選取比例尺，根據(jù)機構）選取比例尺，根據(jù)機構 運動尺寸，定出各運動運動尺寸，定出各運動 副間的相對位置。副間的相對位置。 5）畫出各運動副和機構）畫出各運動副和機構 符號，并表示出各構件符號，并表示出各構件 。 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第17頁/共39頁 平面機構的運動簡圖平面機構的運動簡圖 第18頁/共39頁 一、平面機構自由度的計算一、平面機構自由度的計算 1.1.機構自由度機構自由度 機構所具有獨立運動的數(shù)目稱機構的自由度，用機構所具有獨立運動的數(shù)目稱機構的自由度，用F F表示。表示。 2. .計算公式計算公式 F ：機構的自由度數(shù)；：機構的自由度數(shù)； n：機構

11、中活動構件數(shù)；：機構中活動構件數(shù)； Pl ：機構中低副數(shù)；：機構中低副數(shù)； Ph ：機構中高副數(shù)；：機構中高副數(shù)； F = 3n - 2Pl - Ph 則則 3.4 3.4 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件 自由度計算時應注意的幾種情況自由度計算時應注意的幾種情況 本節(jié)內容本節(jié)內容 第19頁/共39頁 n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 - 2Pl - Ph =33 - 24 - 0 = 1 v計算實例計算實例 1 1 平面機構的自由度

12、與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第20頁/共39頁 n =5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n 2Pl Ph = 35 27 0 = 1 解：解： v計算實例計算實例 2 2 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第21頁/共39頁 1.1.實例分析實例分析 不能產生運動不能產生運動 1 1 給定構件給定構件1 1運動參數(shù)運動參數(shù) = ( t )= ( t ) 構件構件2 2、3 3的運動是確定的的運動是確定的 二、機構具有確定運動的條件二、機構具有確定運動的條件 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第22頁/共39頁 給定構件給定構件1 1

13、運動參數(shù)運動參數(shù) = ( t )= ( t )， 構件構件2 2、3 3、4 4的運動是不確定的的運動是不確定的 。 1 1 再給定構件再給定構件4 4運動參數(shù)運動參數(shù) = ( t )= ( t ) ， 構件構件2 2、3 3的運動是確定的。的運動是確定的。 4 4 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第23頁/共39頁 2.2.結論結論 平面機構具有確定運動的條件：平面機構具有確定運動的條件： 機構的自由度數(shù)目機構的自由度數(shù)目F0F0，并且等于機構原動件個數(shù)，并且等于機構原動件個數(shù)(W)(W)。 （1 1）F0 F0 ，機構不能運動，機構不能運動 （2 2） F0F0 F

14、F W W ，機構可以運動，但運動不確定；，機構可以運動，但運動不確定； F F W W ，機構不能運動，并且有可能在薄弱處損壞；，機構不能運動，并且有可能在薄弱處損壞； F =F = WW，機構有確定的運動，機構有確定的運動 。 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第24頁/共39頁 三、自由度計算時應注意的幾種情況三、自由度計算時應注意的幾種情況 1.1.復合鉸鏈復合鉸鏈 2.2.局部自由度局部自由度 3.3.虛約束虛約束 兩個以上構件在同一處用轉動副連接，就形成了復合鉸鏈。兩個以上構件在同一處用轉動副連接，就形成了復合鉸鏈。 個別構件所具有的，不影響整個機構運動的自由度

15、稱為局部自由度。個別構件所具有的，不影響整個機構運動的自由度稱為局部自由度。 重復出現(xiàn)的，對機構運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。重復出現(xiàn)的，對機構運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。 虛約束常見情況及處理方法虛約束常見情況及處理方法 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 處理方法：處理方法： m個構件個構件組成復合鉸鏈組成復合鉸鏈時，共有時，共有m 1個轉動副。個轉動副。 處理方法：處理方法：計算機構自由度時，局部自由度應除去不計計算機構自由度時，局部自由度應除去不計 。 計算機構自由度時，虛約束應除去不計計算機構自由度時，虛約束應除去不計 。 第25頁/共39頁 機構

16、中虛約束是實際存在的，計算中所謂機構中虛約束是實際存在的，計算中所謂“除去不計除去不計”是從運動觀點是從運動觀點 分析做的假想處理，并非實際拆除。分析做的假想處理，并非實際拆除。 虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行平行”、“重合重合”、“ 距離不變距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉化為有效約束。等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉化為有效約束。 機構中引入虛約束是為了受力機構中引入虛約束是為了受力 均衡，增大剛度等，同時也提均衡，增大剛度等，同時也提 高了對制造和裝配精度的要求高了對制造和裝配精度的要求 。 平面機構的自由度與實例分析

17、平面機構的自由度與實例分析 虛約束對機構的影響虛約束對機構的影響 第26頁/共39頁 例題例題3.4 計算圖示振動篩機構的自由度，并判別機構運動的確定性。計算圖示振動篩機構的自由度，并判別機構運動的確定性。 分析：分析：C處為復合鉸鏈，處為復合鉸鏈，E與與E存在虛約束，滾子繞存在虛約束，滾子繞F點的轉動為局部自由度。點的轉動為局部自由度。 F 3n 2Pl Ph 37291 2原動件數(shù)目原動件數(shù)目 該機構具有確定的相對運動。該機構具有確定的相對運動。 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第27頁/共39頁 三個構件組成復合鉸鏈，含有兩個轉動副。三個構件組成復合鉸鏈，含有兩個轉

18、動副。 同理同理：m個構件個構件組成復合鉸鏈組成復合鉸鏈時，共有時，共有m 1個轉動副。個轉動副。 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第28頁/共39頁 慣性篩機構慣性篩機構 C處為復合鉸鏈處為復合鉸鏈 計算中注意觀察是否有復合鉸鏈，以免漏算轉動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤計算中注意觀察是否有復合鉸鏈，以免漏算轉動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤 。 n = 5, Pl = 7, Ph = 0 = 35 -27 0 = 1 F = 3n - 2Pl Ph 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 v計算實例計算實例 第29頁/共39頁 滾子的轉動自由度并不影響整個機構的運動，屬局部

19、自由度。滾子的轉動自由度并不影響整個機構的運動，屬局部自由度。 分析：分析： n = 3, Pl = 3, Ph = 1 F = 3n - 2Pl Ph =33 - 23-1 = 2 與實際不符與實際不符 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第30頁/共39頁 應除去局部自由度，可將應除去局部自由度，可將 滾子和從動件看作一個構件。滾子和從動件看作一個構件。 處理方法處理方法 實際結構上為減小摩擦采用局部自由度，實際結構上為減小摩擦采用局部自由度，“除去除去”指計算中不計入，并非指計算中不計入，并非 實際拆除。實際拆除。 教材圖教材圖1-13b動畫動畫 n = 2, Pl =

20、 2, Ph = 1, F = 3n - 2Pl Ph = 32 - 22 1 = 1 與實際相符與實際相符 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第31頁/共39頁 n = 4, Pl =6, Ph = 0 構件構件5給機構引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構給機構引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構 的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。 與實際不符與實際不符 F = 34 -26 0 = 0 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第32頁/共39頁 n = 3, Pl =4, Ph =0 F = 33 - 24 0 = 1 處理方法處理方法 與實際相符與實際相符 應除去虛約束，即將應除去虛約束，即將 產生虛約束的構件產生虛約束的構件5及運及運 動副除去不計。動副除去不計。 平面機構的自由度與實例分析平面機構的自由度與實例分析 第33頁/共39頁 1.1.兩構件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副兩構件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副 存在虛約束。存在虛約束。 計算中應將產生虛約束的構件及運動副一起除去不計。計算中應將產生虛約束的構件及運動副一起除去不計。 虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理 平面機構