機構的組成與運動簡圖

1、第第1 1章章 平面機構的結構分析平面機構的結構分析一、機構的組成一、機構的組成二、二、機構的運動簡圖機構的運動簡圖三、平面機構的自由度三、平面機構的自由度本本 章章 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容機構是怎樣組成的？機構是怎樣組成的？運動單元：運動單元：構件構件連接：連接：運動副運動副運動單元運動單元+ +連接連接 運動鏈運動鏈運動鏈運動鏈+ +機架機架 機構機構一、機構的組成一、機構的組成一、機構的組成一、機構的組成 1. 1. 構件構件 2. 2. 運動副運動副 3. 3. 運動鏈運動鏈 4. 4. 機構機構1.1.構件構件 機械是機械是機器和機構機器和機構的總稱，機器是由機構和零件組的總稱，機器

2、是由機構和零件組成的，機構是成的，機構是機器機器的運動單元的運動單元，它作為一個整體參與運它作為一個整體參與運動。動。零件是零件是機器機器的制造單元的制造單元。 從加工制造角度來看，任何從加工制造角度來看，任何機器（或機構）都是由許多獨立機器（或機構）都是由許多獨立制造單元體組合而成零件，這些制造單元體組合而成零件，這些獨立制造單元體稱為零件。獨立制造單元體稱為零件。氣缸體氣缸體連桿連桿曲軸曲軸齒輪齒輪活塞活塞 從運動角度來看，任何機器從運動角度來看，任何機器（或機構）都是由許多獨立運動單（或機構）都是由許多獨立運動單元體組合而成的，這些獨立運動單元體組合而成的，這些獨立運動單元體稱為元體稱為

3、構件構件。 構件是機器的運動單元。構件是機器的運動單元。構件可以是一個零件；也構件可以是一個零件；也可以是由一個以上的零件組成。圖示內(nèi)燃機中的連桿就可以是由一個以上的零件組成。圖示內(nèi)燃機中的連桿就是由單獨加工的連桿體、連桿頭、軸瓦、螺桿、螺母、是由單獨加工的連桿體、連桿頭、軸瓦、螺桿、螺母、軸套等零件組成的。這些零件分別加工制造，但是當它軸套等零件組成的。這些零件分別加工制造，但是當它們裝配成連桿后則作為一個整體運動，相互之間不產(chǎn)生們裝配成連桿后則作為一個整體運動，相互之間不產(chǎn)生相對運動。相對運動。 運動副運動副是兩構件直接接觸而構成的是兩構件直接接觸而構成的可動聯(lián)接可動聯(lián)接；2.2.運動副運

4、動副 機構中各個構件之間必須有確定的相對運動，因此，機構中各個構件之間必須有確定的相對運動，因此，構件的連接既要使兩個構件直接接觸，又能產(chǎn)生一定的構件的連接既要使兩個構件直接接觸，又能產(chǎn)生一定的相對運動，這種相對運動，這種直接接觸的活動連接稱為運動副直接接觸的活動連接稱為運動副。轉動副轉動副移動副移動副齒輪副齒輪副1 1）運動副定義）運動副定義3 3）按其相對運動形式分）按其相對運動形式分轉動副（回轉副或鉸鏈）轉動副（回轉副或鉸鏈）移動副移動副螺旋副螺旋副球面副球面副2 2）按其接觸形式分）按其接觸形式分高副：高副： 點線接觸的運動副點線接觸的運動副低副：低副： 面接觸的運動副面接觸的運動副2

5、) 2) 運動副的分類運動副的分類1 1）按兩個構件運動關系分為）按兩個構件運動關系分為平面運動副和空間運動副平面運動副和空間運動副平面運動副平面運動副空間運動副空間運動副低副：面接觸的運動副（回轉副、移動副）低副：面接觸的運動副（回轉副、移動副）高副高副: : 點、線接觸的運動副點、線接觸的運動副3) 3) 運動副的表示（之一）運動副的表示（之一）122121122121212121212轉動副：轉動副：移動副：移動副：2112凸輪副：凸輪副：齒輪副齒輪副：3.3.運動鏈運動鏈構件通過運動副聯(lián)接而構成的相對可動的系統(tǒng)。構件通過運動副聯(lián)接而構成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈閉式運動鏈 （簡稱閉鏈

6、簡稱閉鏈）開式運動鏈開式運動鏈 （簡稱開鏈簡稱開鏈）1234平面閉式運動鏈平面閉式運動鏈1234空間閉式運動鏈空間閉式運動鏈1234平面開式運動鏈平面開式運動鏈12345空間開式運動鏈空間開式運動鏈平面運動鏈平面運動鏈空間運動鏈空間運動鏈按運動分按運動分按結構分按結構分運動鏈運動鏈 運動鏈成為機構的條件：將運動鏈的運動鏈成為機構的條件：將運動鏈的一個一個構件構件固定，當它的一個或幾個構件作獨立運動固定，當它的一個或幾個構件作獨立運動時，其余構件隨之作時，其余構件隨之作確定的運動確定的運動，這種運動鏈，這種運動鏈便成為機構。便成為機構。 顯然，不能運動或無規(guī)則亂動的運動鏈都顯然，不能運動或無規(guī)則

7、亂動的運動鏈都不能成為機構。不能成為機構。4.4.機構機構不能產(chǎn)生運動不能產(chǎn)生運動 11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 但當機但當機構安裝在運動的機械上時則是運動的。構安裝在運動的機械上時則是運動的。 按給定已知運動規(guī)律按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構件；獨立運動的構件；機機 架架原動件原動件從動件從動件機構中的固定構件；機構中的固定構件； 機構中其余活動構件。機構中其余活動構件。 機構常分為機構常分為平面機構平面機構和和空間機構空間機構兩類，兩類，其中平面機構應用最為廣泛。其中平面機構應用最為廣泛。 一般機架相對

8、地面固定不動，一般機架相對地面固定不動，常以轉向箭頭表示。常以轉向箭頭表示。 其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律 和機構的結構和構件的尺寸。和機構的結構和構件的尺寸。1234平面鉸鏈四桿機構平面鉸鏈四桿機構機架機架原動件原動件從動件從動件機構的組成機構的組成二、機構運動簡圖二、機構運動簡圖1. 1. 常用平面運動副符號常用平面運動副符號 2. 2. 一般構件的表示方法一般構件的表示方法3. 3. 常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號4.4.機構運動簡圖機構運動簡圖按一定比例繪制的表示機構運動情況的簡單圖形稱為機構運動簡圖按一定比例繪制的表示機構運動情況的簡單圖

9、形稱為機構運動簡圖5.5.繪制機構運動簡圖的步驟繪制機構運動簡圖的步驟 1 12 23 34 4A3 32 24 41 14繪制機構運動簡圖實例繪制機構運動簡圖實例1 1 試繪制內(nèi)燃機的機構運動簡圖試繪制內(nèi)燃機的機構運動簡圖繪制機構運動簡圖實例繪制機構運動簡圖實例2 2 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 1 1）分析運動，確定）分析運動，確定構件的類型和數(shù)量構件的類型和數(shù)量 2 2）確定運動副的類型）確定運動副的類型和數(shù)目和數(shù)目 3 3）選擇視圖平面）選擇視圖平面 4 4）選取比例尺，根）選取比例尺，根據(jù)機構運動尺寸，定出

10、各據(jù)機構運動尺寸，定出各運動副間的相對位置運動副間的相對位置 5 5）畫出各運動副和機）畫出各運動副和機構符號，并表示出各構件構符號，并表示出各構件分析分析: :1.1.曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構 (1)氣缸體與機架固聯(lián),是固定件;活塞在燃氣推動下運動,是原動件. (2)活塞與氣缸體組成移動副;活塞與連桿,連桿與曲(柄)軸,曲軸與機架都組成回轉副 上述構件是按照氣缸體活塞連桿曲柄 氣缸體的順序聯(lián)接,獨立形成一個封閉的構件組合,因此它形成一個獨立的機構.內(nèi)燃機是由內(nèi)燃機是由 1)1)活塞活塞, ,連桿連桿, ,曲柄與氣缸體組成曲柄滑塊機構曲柄與氣缸體組成曲柄滑塊機構; ; 2) 2)齒輪齒輪10,

11、910,9與氣缸體組成齒輪機構與氣缸體組成齒輪機構; ; 3) 3)凸輪凸輪7,7,進氣閥頂桿進氣閥頂桿8 8與氣缸體組成凸輪機構與氣缸體組成凸輪機構齒輪機構齒輪機構 齒輪齒輪1010與曲軸與曲軸6 6固聯(lián)固聯(lián), ,它的運動由曲軸決定它的運動由曲軸決定, ,所以它是原動所以它是原動件件. . 齒輪齒輪10,910,9與氣缸體之間的相對運動都是轉動與氣缸體之間的相對運動都是轉動, ,都組成回轉都組成回轉副副; ;齒輪齒輪10,910,9之間的輪齒嚙合是線接觸之間的輪齒嚙合是線接觸, ,組成高副組成高副, ,從而獨立形從而獨立形成另一封閉的構件組合成另一封閉的構件組合, ,即齒輪機構即齒輪機構.

12、.凸輪機構凸輪機構 凸輪凸輪7 7與齒輪與齒輪9 9固聯(lián)固聯(lián), ,它的運動由齒輪它的運動由齒輪9 9決定決定, ,所以它是原動所以它是原動件件. . 凸輪凸輪7 7與氣缸體與氣缸體4 4組成回轉副組成回轉副, ,又與進氣閥頂桿又與進氣閥頂桿8 8組成高副組成高副, ,氣閥頂桿氣閥頂桿8 8與氣缸體組成移動副與氣缸體組成移動副, ,獨立形成另一封閉的構件組合獨立形成另一封閉的構件組合, ,即凸輪機構即凸輪機構. .一、一、 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算二、二、 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件三、三、 幾種特殊結構的處理幾種特殊結構的處理 復合鉸鏈復合鉸鏈 局部自由度局部

13、自由度 虛約束虛約束四、四、 小結小結一、一、 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算1、 平面運動構件的自由度平面運動構件的自由度(構件可能出現(xiàn)的獨立運動構件可能出現(xiàn)的獨立運動)2、 平面運動副引入的約束平面運動副引入的約束R(對獨立的運動所加的限制對獨立的運動所加的限制)xy21 與其它構件未連之前：與其它構件未連之前：3 用運動副與其它構件連接后用運動副與其它構件連接后, 運動副引入運動副引入約束約束, 原自由度減少原自由度減少xyoxyottnnR=2R=2R=1結論：結論：平面低副引入平面低副引入2個個約束約束平面高副引入平面高副引入1個個約束約束3、 平面機構自由度計算公式平面機

14、構自由度計算公式如果：活動構件數(shù)：如果：活動構件數(shù)：n 低副數(shù)：低副數(shù)： pl 高副數(shù)：高副數(shù)： phxy21未連接前總自由度：未連接前總自由度：3n連接后引入的總約束數(shù)：連接后引入的總約束數(shù)：2pl+phF=3n - ( 2pl + ph )v機構自由度機構自由度F：F=3n - 2pl - ph機構自由度舉例：機構自由度舉例：1234F =3n2plph = 3 2 340= 112345F =3n2plph = 3 2 450= 2F =3n2plph = 3 2 221= 1BCAF =3n2plph = 3 2 34 0 = 1F =3n2plph = 3 2 451= 1F =3n

15、2plph = 3 42 50= 2 F =3n2plph = 3 32 50= -1 F =3n2plph = 3 22 30=0 二、機構具有確定運動的條件二、機構具有確定運動的條件F=0,剛性桁架，構件之間無相對運動剛性桁架，構件之間無相對運動原動件數(shù)小于原動件數(shù)小于F,各構件無確定的相對運動各構件無確定的相對運動原動件數(shù)大于原動件數(shù)大于F,在機構的薄弱處遭到破壞在機構的薄弱處遭到破壞結論：結論：機構具有確定運動的條件：機構具有確定運動的條件：1 機構自由度機構自由度 0 2 原動件數(shù)原動件數(shù) 機構自由度數(shù)機構自由度數(shù)BCABCADEAEBCDvm個構件個構件(m2)在同一處構成轉動副在

16、同一處構成轉動副vm-1-1個低副個低副1、 復合鉸鏈復合鉸鏈412356F F 3n3n2p2pl lp ph h 3 3 2 2 560 3F F 3n3n 2p2pl lp ph h 3 3 2 2 570 1412356錯錯對對計算在內(nèi)計算在內(nèi)5232351m個構件個構件,m-1個鉸鏈個鉸鏈三、三、 幾種特殊結構的處理幾種特殊結構的處理F3n2plph 3 2 331 2F3n 2plph 3 2 221 1錯錯對對排除排除2、 局部自由度局部自由度v定義：定義：機構中某些構件所具有的獨立的局部運動機構中某些構件所具有的獨立的局部運動, , 不影響機不影響機構輸出運動的自由度構輸出運動

17、的自由度v局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子、軸承中的滾珠的滾子、軸承中的滾珠v解決的方法：解決的方法：計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結在一起，視作一個構件構件固結在一起，視作一個構件動畫動畫v不影響機構運動傳遞的不影響機構運動傳遞的重復約束重復約束v在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限可能與其它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的運動副叫

18、制作用的運動副叫虛約束虛約束v虛約束虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合經(jīng)常發(fā)生的場合v處理方法：處理方法：計算自由度時，將虛約束（或虛約束構件及其計算自由度時，將虛約束（或虛約束構件及其所帶入的運動副）去掉所帶入的運動副）去掉v結論結論F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 123F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 231- -1錯錯2211對對排除排除之一為之一為虛約束虛約束3、 虛約束虛約束虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合A 兩構件之間構成多個運動副時兩構件之間構成多個運動副時B 兩構件某兩點之間的距離在運動過程中始終保持不變時兩構件某兩點之間的距離在運動

19、過程中始終保持不變時C 聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合時聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合時D 機構中對運動不起作用的對稱部分機構中對運動不起作用的對稱部分A 兩構件之間構成多個運動副時兩構件之間構成多個運動副時v兩構件組合成多個兩構件組合成多個轉動副轉動副，且其，且其軸線重合軸線重合v兩構件組合成多個兩構件組合成多個移動副移動副，其，其導路平行或重合導路平行或重合v兩構件組合成若干個兩構件組合成若干個高副高副，但接觸點之間的，但接觸點之間的距離為常數(shù)距離為常數(shù)123123v目的：目的：為了改善構件的受力情況為了改善構件的受力情況F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2

20、 2 2211動畫動畫B 兩構件某兩點之間的距離在運動中保持不變時兩構件某兩點之間的距離在運動中保持不變時v在這兩個例子中，加與不加紅色構件在這兩個例子中，加與不加紅色構件ABAB效果完全一樣，效果完全一樣，為虛約束為虛約束v計算時應將構件計算時應將構件ABAB及其引入的約束去掉來計算及其引入的約束去掉來計算412351234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 340F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 460 0BA錯錯對對 1F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 3401C 兩構件上聯(lián)接點的軌跡重合兩構件上聯(lián)接點的軌跡重合v在該

21、機構中，構件在該機構中，構件2 2上的上的C C點點C C2 2與構與構件件3 3上的上的C C點點C C3 3軌跡重合，為虛約束軌跡重合，為虛約束v計算時應將構件計算時應將構件3 3及其引入的約束去及其引入的約束去掉來計算掉來計算v同理，也可將構件同理，也可將構件4 4當作虛約束，將當作虛約束，將構件構件4 4及其引入的約束去掉來計算，及其引入的約束去掉來計算，效果完全一樣效果完全一樣BAC(C2,C3)D1234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 34 01D 機構中對運動不起作用的對稱部分機構中對運動不起作用的對稱部分v在該機構中，齒輪在該機構中，齒輪3 3是齒輪是

22、齒輪2 2的對稱部分，為虛約束的對稱部分，為虛約束v計算時應將齒輪計算時應將齒輪3 3及其引入的約束去掉來計算及其引入的約束去掉來計算v同理，將齒輪同理，將齒輪2 2當作虛約束去掉，完全一樣當作虛約束去掉，完全一樣v目的：目的：為了改善構件的受力情況為了改善構件的受力情況F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 33 2112345動畫動畫虛約束虛約束結論結論v機構中的虛約束都是在一定的幾何條件下出機構中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成有效約束，而使機構不能運動將變成有效約束，而使機構不能運動v采用虛約束是為了采用虛約束是為了: :改善構件的受力情況；傳遞較大功率；改善構件的受力情況；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要或滿足某種特殊需要v在設計機械時，若為了某種需要而必須使用虛約束時，則在設計機械時，若為了某種需要而必須使用虛約束時，則必須嚴格保證設計、加工、裝配的精度，以滿足虛約束所必須嚴格保證設計、加工、裝配的精度，以滿足虛約束所需要的幾何條件需要的幾何條件123四、四、 自由度計算小結自由度計算小結F3n2plph機構自由度機構自由度3活動構件數(shù)活動構件數(shù)(2低副數(shù)低副數(shù)+1高副數(shù)高副數(shù))1、復合