機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)

1、第一章第一章 機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì) 重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容1、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制。、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制。2、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。3、平面機(jī)構(gòu)、平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。 1-1 運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副 機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)，有一個(gè)構(gòu)件作為機(jī)架，機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)，有一個(gè)構(gòu)件作為機(jī)架，傳遞機(jī)械運(yùn)動(dòng)和力的構(gòu)件系統(tǒng)傳遞機(jī)械運(yùn)動(dòng)和力的構(gòu)件系統(tǒng)。 機(jī)構(gòu)分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)。1、平面機(jī)構(gòu)：、平面機(jī)構(gòu)：組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件都在同一平面或相互 平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2、空間機(jī)構(gòu)：、空間機(jī)構(gòu)：組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件不在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。3、運(yùn)動(dòng)副：

2、、運(yùn)動(dòng)副：機(jī)構(gòu)中使兩構(gòu)件相互接觸而又允許產(chǎn)生某 些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)聯(lián)接。稱為運(yùn)動(dòng)副。4、運(yùn)動(dòng)副元素：、運(yùn)動(dòng)副元素：直接參與接觸構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的部分 點(diǎn)點(diǎn)、線、面線、面。幾個(gè)定義例如，軸與軸承的聯(lián)接、活塞與氣缸的聯(lián)接、傳動(dòng)齒輪兩個(gè)輪齒間的聯(lián)接等都構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副。 兩構(gòu)件組成的運(yùn)動(dòng)副，不外乎通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)、線線或面面的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照接觸特性，通常把運(yùn)動(dòng)副分為低副和高副兩大類。 一、低副一、低副 兩構(gòu)件通過(guò)兩構(gòu)件通過(guò)面面面面面面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副成為接觸組成的運(yùn)動(dòng)副成為低副低副。 低副分為低副分為轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副和和移動(dòng)副移動(dòng)副。（1） 轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副 若組成運(yùn)動(dòng)副的 兩構(gòu)件只能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)， 這種運(yùn)動(dòng)副成為轉(zhuǎn)動(dòng)副， 或稱鉸

3、鏈，如圖所示。（）移動(dòng)副移動(dòng)副 若組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件只能沿某一軸線作相對(duì)移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)副稱為移動(dòng)副移動(dòng)副。二、高副二、高副 兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)或線線線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為高副高副。圖14a中的車輪與鋼軌、圖b中的凸輪與從動(dòng)件、圖c中的輪齒1與輪齒2分別在接觸處a組成高副。組成平面高副二構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是沿接觸處切線 t t 方向的相對(duì)移動(dòng)和在平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)?？臻g運(yùn)動(dòng)副球面副螺旋副1-2 機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì) 實(shí)際構(gòu)件的外形和結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，有必要撇開那些與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的構(gòu)件外形和運(yùn)動(dòng)副具體構(gòu)造，僅用簡(jiǎn)單線條和符號(hào)來(lái)表示構(gòu)件僅用簡(jiǎn)單線條和符號(hào)來(lái)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，

4、并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副的位置和運(yùn)動(dòng)副，并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副的位置。這種說(shuō)明機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)圖稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的運(yùn)動(dòng)副表示： 圖1-6a、b、c是兩個(gè)構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的表示方法。用用圓圈表示轉(zhuǎn)動(dòng)副圓圈表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，其圓心代表相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線其圓心代表相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。若組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的二構(gòu)件都是活動(dòng)件，則用圖a表示。若其中有一個(gè)為機(jī)架，則在代表機(jī)架的構(gòu)件上加陰影線，如圖b、c所示。機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可分為三類：（1） 固定構(gòu)件固定構(gòu)件（機(jī)架） 是用來(lái)支承活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。例如圖0-2中的氣缸體就是固定構(gòu)件，它用以支承活塞和曲軸等。研究機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)時(shí)，常以固定構(gòu)件作為參考坐

5、標(biāo)系。（2） 原動(dòng)件原動(dòng)件 運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知的活動(dòng)構(gòu)件。例如圖0-1中的活塞。兩副元素構(gòu)件兩副元素構(gòu)件三副元素構(gòu)件3）從動(dòng)件：從動(dòng)件： 運(yùn)動(dòng)規(guī)律隨原動(dòng)件 的活動(dòng)構(gòu)件。例如 圖0-1中的連桿和曲軸都是從動(dòng)件，由于該機(jī)構(gòu)的功用是將直線運(yùn)動(dòng)變換為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，曲軸是輸出構(gòu)件，連桿是用于傳遞運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件。*繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的一般步驟：繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的一般步驟：1）分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，找出固定件（機(jī)架）、原動(dòng)件和從動(dòng)件。2）從原動(dòng)件開始，按運(yùn)動(dòng)傳遞順序，及各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確定活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。3）選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面和適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置；4）選擇比例尺，定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位

6、置，用規(guī)定符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。5) 給構(gòu)件編號(hào)、給運(yùn)動(dòng)副標(biāo)注字母。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖只是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的某一瞬時(shí)位置（狀態(tài)）例例 1-1 繪制圖1-8a所示顎式破碎機(jī)顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。1機(jī)架，2偏心軸，3動(dòng)顎，4肘板。例例 1-2 繪制圖1-9a 所示活塞泵活塞泵的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（p21）?；钊糜汕?、連桿2、齒扇3、齒條活塞4和機(jī)架5共五個(gè)構(gòu)件所組成。曲柄1，是原動(dòng)件，2 、3、4為從動(dòng)件。當(dāng)原動(dòng)件 1 回轉(zhuǎn)時(shí)，活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。各構(gòu)件之間的聯(lián)接如下：構(gòu)件 1 和 5 、2和1、3和2、3和5之間為相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副a、b、c、d。構(gòu)件3 的輪齒與構(gòu)件 4 的齒構(gòu)成平面高副e。

7、構(gòu)件 4 與構(gòu)件 5 之間為相對(duì)移動(dòng)，構(gòu)成移動(dòng)副f。551-3 機(jī)械系統(tǒng)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件自由構(gòu)件具有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。如圖所示，在xoy坐標(biāo)系中，構(gòu)件s可隨其上任一點(diǎn)a沿x軸、y軸方向移動(dòng)和繞a點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種相對(duì)于參考系構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為構(gòu)件的自由度自由度。所以一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)自由度三個(gè)自由度。xyoa當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副之后，它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就受到約束約束自由度隨之減少。不同種類的運(yùn)動(dòng)副引入的約束不同，所保留的自由度也不同。例如圖1-2所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副，約束了兩個(gè)移動(dòng)自由度，只保留

8、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；而移動(dòng)副移動(dòng)副約束了沿一軸方向的移動(dòng)和在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度，只保留沿另一軸方向移動(dòng)的自由度；高副高副（圖1-4）則只約束了沿接觸處公法線nn 方向移動(dòng)的自由度，保留繞接觸處轉(zhuǎn)動(dòng)和沿接觸處公切線 t t 方向移動(dòng)兩個(gè)自由度過(guò)。也可以說(shuō)，在平面機(jī)構(gòu)中，每個(gè)低副引入兩個(gè)約束每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，使構(gòu)件失去兩個(gè)自由度，每個(gè)高副引入一個(gè)約束每個(gè)高副引入一個(gè)約束，使構(gòu)件失去一個(gè)自由度。 設(shè)平面機(jī)構(gòu)共有共有k 個(gè)構(gòu)件個(gè)構(gòu)件。除去固定構(gòu)件，則機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=k-1。在未用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接之前，這些活動(dòng)構(gòu)件的自由度總數(shù)為3n。當(dāng)用運(yùn)動(dòng)副將構(gòu)件聯(lián)接起來(lái)組成機(jī)構(gòu)之后，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件具

9、有的自由度就減少了。若機(jī)構(gòu)中低副數(shù)為低副數(shù)為pl個(gè)個(gè)，高副數(shù)為高副數(shù)為ph個(gè)個(gè)，則機(jī)構(gòu)中全部運(yùn)動(dòng)副所引入的約束總數(shù)為2pl+ph。因此活動(dòng)構(gòu)件的自由度總數(shù)減去運(yùn)動(dòng)副引入的約束總數(shù)就是該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的自由度自由度（舊稱為機(jī)構(gòu)活動(dòng)度），以f 表示，即 f=3n - 2pl - ph （11)這就是計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的公式計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的公式。由公式可知，機(jī)構(gòu)自由度f(wàn)取決于活動(dòng)構(gòu)件數(shù)以及運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì) （低副或高副的 個(gè)數(shù)個(gè)數(shù))。二、機(jī)械系統(tǒng)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件二、機(jī)械系統(tǒng)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 機(jī)構(gòu)的自由度也即是機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。由前述可知，從動(dòng)件是不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的，只有原動(dòng)件才能獨(dú)立

10、運(yùn)動(dòng)。要使機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件個(gè)數(shù)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件個(gè)數(shù)應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。這就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。這就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。例例 1-3 計(jì)算圖1-4b所示顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)的自由度。 解解 在顎式破碎機(jī)顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)中，有三個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，n=3；包含四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，pl=4；沒(méi)有高副，ph=0。所以由式（1-1）得機(jī)構(gòu)自由度 f=3n-2pl-ph=33-2 4 0=1該機(jī)構(gòu)具有一個(gè)原動(dòng)件（曲軸 2 ），原動(dòng)件數(shù)與機(jī)構(gòu)的自由度等。例例 1-4 計(jì)算圖1-9所式活塞泵活塞泵的自由度。 解解 活塞泵具有四個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，n=4；五個(gè)低副（四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和

11、一個(gè)移動(dòng)副），pl=5；一個(gè)高副，ph=1。由式（1-1）得f=3n-2pl-ph=34 -2 5 -1=1機(jī)構(gòu)的自由度與原動(dòng)件（曲柄1）數(shù)相等。例例1-5 牛頭刨床牛頭刨床的主體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。（p17圖1-10）三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的幾種情況三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的幾種情況1、復(fù)合鉸鏈、復(fù)合鉸鏈 兩個(gè)以上的構(gòu)件同時(shí)在一軸線上用轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，就形成復(fù)合鉸鏈。若復(fù)合鉸鏈由m個(gè)構(gòu)件組成，則聯(lián)接處有(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。例例1-6 試計(jì)算慣性篩機(jī)構(gòu)慣性篩機(jī)構(gòu)的自由度。n=5, pl=7, ph=0f=3n-2pl-ph=352 7=1解解 機(jī)構(gòu)中有七個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,n=7 ，a、b、c、d四

12、處都是三個(gè)構(gòu)件匯交的復(fù)合鉸鏈，各有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，e、f處各有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)的自由度與機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)相等。當(dāng)原動(dòng)件8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤中心e將沿ee直線移動(dòng)。f=3n-2pl-ph=37-2 100=1例 1 -7 計(jì)算圖1-14所示圓盤鋸圓盤鋸主體機(jī)構(gòu)的自由度2、局部自由度、局部自由度 機(jī)構(gòu)中常出現(xiàn)一種與輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的個(gè)別構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)自由度，稱為局部自由度局部自由度（或多余自由度），在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)除去不計(jì)。 局部自由度雖然不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，但滾子可使高副接觸處的滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，減少磨損，所以實(shí)際機(jī)械中常有局部自由度出現(xiàn)。（凸輪機(jī)構(gòu)使用較多）f=3n-2pl-ph=33-2 31=

13、2f=3n-2pl-ph=32-2 21=13、 虛約束虛約束 機(jī)構(gòu)中與其它約束重復(fù)重復(fù)，而不起限制運(yùn)動(dòng)作用的約束的約束稱為虛約束虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)除去不計(jì)。如圖示：lab=lcd=lef，lbc=lad，l=be=laf，當(dāng)原動(dòng)件ab運(yùn)動(dòng)時(shí)，構(gòu)件bc上e點(diǎn)的軌跡與構(gòu)件ef上e點(diǎn)軌跡重合,即都是以f為圓心，以ef長(zhǎng)度為半徑圓的軌跡。不除去虛約束 除去虛約束f=3n-2pl-ph=3 4-2 60= 0 , f=3n-2pl-ph=3 3-2 40=1出現(xiàn)虛約束的情況有出現(xiàn)虛約束的情況有：1）兩構(gòu)件同時(shí)在幾處構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，且移動(dòng)副導(dǎo)路平行, 圖1-15a)；或兩構(gòu)件同時(shí)在幾處構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，圖1-15b);2）兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持不變時(shí), 圖1-16 ；3）機(jī)構(gòu)中傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分,圖1-17。解解 機(jī)構(gòu)中的滾子有一個(gè)局部自由度，頂桿與機(jī)架在e和e組成兩個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副，其中之一為虛約束，c處是復(fù)合鉸鏈。今將滾子與頂桿焊成一體，去掉移動(dòng)副e，并在c點(diǎn)注明轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)，如圖1-17所示，由圖 b得，n=7，pl=9（7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和2個(gè)移動(dòng)副），ph=1， f=3n - 2pl - ph=37-2 9-1=2此機(jī)構(gòu)