-機械原理第二章

1、第二章第二章 機構的結構分析和綜合機構的結構分析和綜合機機 械械 原原 理理 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學20142014年年3 3月月2-1 2-1 結構分析和綜合的基本內容結構分析和綜合的基本內容機械原理課程對機械的研究主要有以下幾個方面：機械原理課程對機械的研究主要有以下幾個方面：一、對已有機械進行分析一、對已有機械進行分析二、設計新的機械二、設計新的機械機構的選型機構的選型機構的動力設計機構的動力設計機械系統(tǒng)總體運動方案設計機械系統(tǒng)總體運動方案設計設計機構設計機構機構的運動設計機構的運動設計機械的結構分析機械的結構分析機械的運動分析機械的運動分析機械的動力分析機械的動力分析本章的任務：

2、研究機構的結構分析與類型綜合本章的任務：研究機構的結構分析與類型綜合1.1.研究機構的組成要素及機構運動簡圖的繪制研究機構的組成要素及機構運動簡圖的繪制3.3.研究機構的組成原理研究機構的組成原理4.4.研究平面機構的類型綜合方法研究平面機構的類型綜合方法2.2.研究機構的自由度計算及機構具有確定運動的條件研究機構的自由度計算及機構具有確定運動的條件2-2 2-2 機構的組成及其運動簡圖的繪制機構的組成及其運動簡圖的繪制一、機構的組成要素一、機構的組成要素1.1.構件構件作為一個整體參與機構運動的剛性單元體稱為作為一個整體參與機構運動的剛性單元體稱為構件構件一個構件，可以是不能拆開的單一整體，

3、也可能是由若一個構件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若干個不同零件組裝起來的剛性體。干個不同零件組裝起來的剛性體。構件和零件的區(qū)別？構件和零件的區(qū)別？例如：例如：2.2.運動副運動副 由兩個構件直接接觸而產生一定相對運動的聯(lián)接稱為由兩個構件直接接觸而產生一定相對運動的聯(lián)接稱為 運動副。運動副。對運動副的理解要把握以下三點：對運動副的理解要把握以下三點：（）運動副是一種聯(lián)接；（）運動副是一種聯(lián)接；（）運動副由兩個構件組成；（）運動副由兩個構件組成；（）組成運動副的兩個構件之間有相對運動（）組成運動副的兩個構件之間有相對運動運動副是機械原理中最重要的概念之一運動副是機械原理中最重要的概念之一

4、 兩構件上參與接觸構成運動副的部分稱為兩構件上參與接觸構成運動副的部分稱為運動副元素。運動副元素。以上是機構的兩大組成要素以上是機構的兩大組成要素可以說：可以說：機構是由運動副逐一聯(lián)接各個構件組成的。機構是由運動副逐一聯(lián)接各個構件組成的。二、運動副的分類二、運動副的分類 組成機構的運動副的類型決定機構的運動形式。運動組成機構的運動副的類型決定機構的運動形式。運動副有多種類型，對運動副進行正確的分類，在機構設計和副有多種類型，對運動副進行正確的分類，在機構設計和綜合中是非常重要的。綜合中是非常重要的。1.1.根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類表2-1 常用運動副及其簡圖名稱

5、圖 形簡圖符號副級自由度名稱圖 形簡圖符號副級自由度球面高副I5圓柱套筒副IV2柱面高副II4轉動副V1球面低副III3移動副V1球銷副IV2螺旋副V12.2.根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類球面高副球面高副柱面高副柱面高副運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。球面低副球面低副移動副移動副轉動副轉動副3.3.根據(jù)組成運動副的兩個構件的相對運動形式分類根據(jù)組成運動副的兩個構件的相對運動形式分類空間運動副空間運動副球銷副球銷副螺旋

6、副螺旋副圓柱套筒副圓柱套筒副平面運動副平面運動副移動副移動副轉動副轉動副三、運動鏈與機構三、運動鏈與機構開式運動鏈開式運動鏈閉式運動鏈閉式運動鏈機構機構四、機構運動簡圖的繪制四、機構運動簡圖的繪制 為了便于研究機構的運動，可以撇開構件、運動副的為了便于研究機構的運動，可以撇開構件、運動副的外形和具體構造，而只用簡單的線條和符號代表構件和運外形和具體構造，而只用簡單的線條和符號代表構件和運動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構的組成和傳動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構的組成和傳動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構運動特性的簡明圖動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構運動特性的簡明圖形就稱為形

7、就稱為機構運動簡圖機構運動簡圖。 只是為了表明機構的運動狀態(tài)或各構件的相互關只是為了表明機構的運動狀態(tài)或各構件的相互關系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這樣的系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這樣的簡圖稱為簡圖稱為機構示意圖機構示意圖。常用機構構件、運動副代表符號常用機構構件、運動副代表符號 繪制機構運動簡圖的步驟繪制機構運動簡圖的步驟1.1.在繪制機構運動簡圖時，首先確定機構的原動件和執(zhí)行在繪制機構運動簡圖時，首先確定機構的原動件和執(zhí)行件，兩者之間為傳動部份，由此確定出組成機構的所有構件，兩者之間為傳動部份，由此確定出組成機構的所有構件，然后確定構件間運動副的類型。件，然后確定構

8、件間運動副的類型。2.2.為將機構運動簡圖表示清楚，恰當?shù)剡x擇投影面。一般為將機構運動簡圖表示清楚，恰當?shù)剡x擇投影面。一般選擇與多數(shù)構件的運動平面相平行的面為投影面，必要時選擇與多數(shù)構件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上?？傊?，繪制機構運動簡圖要以正然后展開到同一平面上。總之，繪制機構運動簡圖要以正確、簡單、清晰為原則。確、簡單、清晰為原則。3.3.選擇適當?shù)谋壤?，根?jù)機構的運動尺寸定出各運動副選擇適當?shù)谋壤?，根?jù)機構的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，然后用規(guī)定的符

9、號畫出各類運動副，并之間的相對位置，然后用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構件上的運動副符號用簡單線條連接起來，這樣便將同一構件上的運動副符號用簡單線條連接起來，這樣便可繪制出機構的運動簡圖。可繪制出機構的運動簡圖。繪制牛頭刨床機構的運動簡圖繪制牛頭刨床機構的運動簡圖繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖2-3 機構自由度的計算機構自由度的計算一、平面機構自由度的計算公式一、平面機構自由度的計算公式(1)(1)自由度與約束自由度與約束構件獨立運動的數(shù)目稱為構件獨立運動的數(shù)目稱為自由度自由度xyzxyz對構件運動的限制作用稱為對構件運動的限制作用稱為約束約束(2)(2)機構機

10、構自由度自由度機構獨立運動的數(shù)目稱為機構的機構獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度自由度什么是獨立運動什么是獨立運動? ?什么是什么是機構的機構的獨立運動獨立運動? ?什么是什么是機構的自由度機構的自由度? ?機構的自由度機構的自由度= =機構的獨立運動數(shù)目機構的獨立運動數(shù)目 平面機構獨立運動的數(shù)目為平面機構獨立運動的數(shù)目為: :所有活動構件的自由所有活動構件的自由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。這是機構自由度的計算公式這是機構自由度的計算公式HLHLPPnPPnF23)2(3 對于具有對于具有 個活動構件的平面機構，若各構件之間共構個活動構件的平面機構，

11、若各構件之間共構成了成了 個低副和個低副和 個高副，則它們共引入個高副，則它們共引入 個個約束。機構的自由度約束。機構的自由度F F顯然應為顯然應為: :nLPHP)2(HLPP 二、機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件 所謂所謂機構的自由度機構的自由度，實質上就是機構具有確定位，實質上就是機構具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構的自由置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構的自由度數(shù)也就是機構應當具有的原動件數(shù)目。度數(shù)也就是機構應當具有的原動件數(shù)目。計算下列機構的自由度計算下列機構的自由度003223230, 3, 2HLHLPPnFPPn105233230, 5, 3HL

12、HLPPnFPPn104233230, 4, 3HLHLPPnFPPn205243230, 5, 4HLHLPPnFPPn討論討論1)1)若機構自由度若機構自由度，則機構不能動，則機構不能動003223230, 3, 2HLHLPPnFPPn105233230, 5, 3HLHLPPnFPPn2)2)若若 且與原動件數(shù)相等，則機構各構件間的相對運動是且與原動件數(shù)相等，則機構各構件間的相對運動是確定的，因此，機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)確定的，因此，機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)等于機構的自由度數(shù)；等于機構的自由度數(shù)；3)3)若若00，而原動件數(shù)，而原動件數(shù) ，而原動件數(shù)，

13、而原動件數(shù) F F，則構件間不能運動或產生破壞。，則構件間不能運動或產生破壞。104233230, 4, 3HLHLPPnFPPn205243230, 5, 4HLHLPPnFPPn三、計算機構自由度時應注意的事項1. 1. 復合鉸鏈復合鉸鏈例：例： 由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸鏈。由鏈。由m m個構件構成的復合鉸鏈應當包含個構件構成的復合鉸鏈應當包含(m-1)(m-1)個轉動副。個轉動副。2. 2. 局部自由度局部自由度不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。在計算機構自由度時

14、，局部自由度應當舍棄不計。在計算機構自由度時，局部自由度應當舍棄不計。3.3.虛約束虛約束 應在計算結果中加上虛約束數(shù)，或先將產生虛約束的構應在計算結果中加上虛約束數(shù)，或先將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。件和運動副去掉，然后再進行計算。 在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，這在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。常見的虛約束有以下幾種情況常見的虛約束有以下幾種情況: :）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個移動副

15、起約束作用，其余都是虛約束。則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。帶虛約束的凸輪機構帶虛約束的凸輪機構帶虛約束的曲軸帶虛約束的曲軸）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉動副的附加構件來連接這兩個點，則將會引時若用具有兩個轉動副的附加構件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束。入一個虛約束。帶虛約束的桿機構帶虛約束的桿機構）機構中對運

16、動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。虛約束。帶虛約束的行星輪系帶虛約束的行星輪系虛約束的本質是什么虛約束的本質是什么? 從運動的角度看從運動的角度看, ,虛約束就是虛約束就是“重復的約束重復的約束”或者是或者是“多余的約束多余的約束”。機構中為什么要使用虛約束機構中為什么要使用虛約束? ?a.使受力狀態(tài)更合理使受力狀態(tài)更合理b.使機構平衡使機構平衡c.考慮機構在特殊位置的運動考慮機構在特殊位置的運動使用虛約束時要注意什么問題使用虛約束時要注意什么問題? ? 保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設計中使用保證滿足虛約束存在的幾何條件，在

17、機械設計中使用虛約束時，機械制造的精度要提高。虛約束時，機械制造的精度要提高。2-4 2-4 平面機構的組成原理和結構分析平面機構的組成原理和結構分析一、平面機構的組成原理一、平面機構的組成原理機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。機架機架原動件原動件從動件組從動件組從動件組從動件組當把該機構的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：當把該機構的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：這個從動件組的自由度為零，即：這個從動件組的自由度為零，即：06243236,4LLPnFPn 這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度這個從動件組還可以分解成若干

18、個更簡單的、自由度等于零的從動件組。等于零的從動件組。分分解解？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？ 這樣的從動件組已經不能進一步分解成更簡單、自由度為零這樣的從動件組已經不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。的從動件組。 通常把這樣的從動件組稱為：通常把這樣的從動件組稱為：基本桿組基本桿組基本桿組的概念非常重要，它是機構分析基本桿組的概念非常重要，它是機構分析的重要的理論基礎。的重要的理論基礎。機構的組成原理機構的組成原理 任何機構都可以看作是由任何機構都可以看作是由若干個基本桿組依次連接于若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的原動件和機架

19、上所組成的 如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的計算公式為：的計算公式為：023LPnFLPn32 由于活動構件數(shù)由于活動構件數(shù)n和低副數(shù)和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，所以都必須是整數(shù)，所以 n應是應是 的倍數(shù)，的倍數(shù)， PL應是應是 的倍數(shù)。的倍數(shù)。 這也就是說，在一個基本桿組中，其構件數(shù)和低副數(shù)這也就是說，在一個基本桿組中，其構件數(shù)和低副數(shù)有以下關系：有以下關系：n=2, PL=3n=4, PL=6n=6, PL=9二、基本桿組的類型二、基本桿組的類型 最簡單的平面基本桿組是由兩個構件三個低副組成的桿組，最簡單的平面基本桿組是由兩個構件

20、三個低副組成的桿組，稱之為稱之為級桿組。級桿組。級桿組是機構中最常見的一類基本桿組級桿組是機構中最常見的一類基本桿組級桿組有以下五種形式：級桿組有以下五種形式：（）（）RRR桿組桿組（）（）RRP桿組桿組（）（）RPR桿組桿組（）（）PRP桿組桿組（）（）RPP桿組桿組除除級桿組外，還有級桿組外，還有、級等較高級的基本桿組。級等較高級的基本桿組。這是這是級桿組級桿組由個構件個低副組成，具有一個副由個構件個低副組成，具有一個副構件，而每個內副所連接的分支是雙副構件。構件，而每個內副所連接的分支是雙副構件。這是這是級桿組級桿組由個構件個低副組成，有個內副。由個構件個低副組成，有個內副。機構自由度計

21、算舉例機構自由度計算舉例例例 1 1 圖示牛頭刨床設計圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：方案草圖。設計思路為：動力由曲柄動力由曲柄1 1輸入，通過輸入，通過滑塊滑塊2 2使擺動導桿使擺動導桿 3 3 作往作往復擺動，并帶動滑枕復擺動，并帶動滑枕4 4作作往復移動往復移動 ，已達到刨削，已達到刨削加工目的。加工目的。 試問圖示的試問圖示的構件組合是否能達到此目構件組合是否能達到此目的？的？ 如果不能，該如何如果不能，該如何修改？修改？1 12 23 34解：首先計算設計方案草圖的自由度解：首先計算設計方案草圖的自由度0624323HPPnFL改進措施：改進措施：1 1、增加一個低副和一個活動構件；、增加一個低副和一個活動構件；2 2、用一個高副代替低副。、用一個高副代替低副。 即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。必須修改，以達到設計目的。改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案例例 2 2 如圖所示，已知：如圖所示，已知： DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；且相互平行；DH=EIDH=