CH02西工大機械原理

1、第二章第二章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2-1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的2-2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成2-3 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖2-4 機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算2-5 機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件2-6 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項2-7 虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機機構(gòu)結(jié)構(gòu)的構(gòu)結(jié)構(gòu)的 合理設(shè)計合理設(shè)計2-8 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析2-9 平面機構(gòu)中的高副低代平面機構(gòu)中的高副低代2-1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

2、的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：主要內(nèi)容及目的是： 研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的畫法； 了解機構(gòu)具有確定運動的條件； 研究機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。 是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的表面。 是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動連接；2-2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成1.構(gòu)件零件是機器中的一個獨立制造單元體；構(gòu)件是機器中的一個獨立運動單元體。 從運動來看，任何機器都是由若干個構(gòu)件組合而成的。 任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運動副運動副運動副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。3）按其相對運動形式分轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副運動副還可分為平面運動副與空

3、間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副： 點、線接觸的運動副低副： 面接觸的運動副（1）運動副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分： 級副、 級副、 級副。3.運動鏈構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈 （簡稱閉鏈）開式運動鏈 （簡稱開鏈）1234平面閉式運動鏈1234空間閉式運動鏈1234平面開式運動鏈12345空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB446084）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表1234 但當機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的。 按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件；4.機構(gòu)具有固定構(gòu)件的運動鏈稱為機構(gòu)。機 架原動件從動件機構(gòu)中的固定構(gòu)

4、件。機構(gòu)中其余活動構(gòu)件。1234平面鉸鏈四桿機構(gòu) 機構(gòu)常分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)兩類，其中平面機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構(gòu) 一般機架相對地面固定不動，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件 不嚴格按比例繪出的，只表示機械結(jié)構(gòu)狀況的簡圖。 根據(jù)機構(gòu)的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，2-3 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖 在對現(xiàn)有機械進行分析或設(shè)計新機器時，都需要繪出其機構(gòu)運動簡圖。1.機構(gòu)運動簡圖 例2-2 內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖 采用運動副及常用機構(gòu)運動簡圖符號和構(gòu)件的表示方法，將機構(gòu)運動傳遞情況表示出來

5、的簡化圖形。機構(gòu)示意圖舉例：（2）選定視圖平面； （3）選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構(gòu)的符號，最后用簡單線條連接，即得機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖(2/2)2.機構(gòu)運動簡圖的繪制繪制方法及步驟： （1）搞清機械的構(gòu)造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運動副的類別及其位置；內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖繪制顎式破碎機機構(gòu)運動簡圖繪制1.構(gòu)件的自由度與約束 構(gòu)件獨立運動的數(shù)目稱為自由度 對構(gòu)件運動的限制作用稱為約束2-4 機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算xyzxyz2.機構(gòu)的自由度 機構(gòu)的自由度=機構(gòu)的獨立運動數(shù)目 平面機構(gòu)獨立運動的數(shù)目為：所有活動構(gòu)

6、件的自由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。 對于具有n個活動構(gòu)件的平面機構(gòu)，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成了Pl個低副和Ph個高副，則它們共引入(2Pl+Ph)個約束。機構(gòu)的自由度F顯然應(yīng)為：這是機構(gòu)自由度的計算公式F3n(2plph)3.平面機構(gòu)自由度的計算（1）計算公式F3n(2plph)式中：n為機構(gòu)的活動構(gòu)件數(shù)目；pl 為機構(gòu)的低副數(shù)目；ph為機構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構(gòu)F3n(2plph)3324012）鉸鏈五桿機構(gòu)F3n(2plph)342502123451234其約束數(shù)為i(i=1,2,.5)，則4.空間機構(gòu)自由度的計算（1）一般空間機構(gòu)自由度的計算設(shè)一空間機構(gòu)共有n個活動

7、構(gòu)件，pi個i級運動副，F(xiàn)6n(5p54p43p32p2p1)6nipii=15例2-5 空間四桿機構(gòu)解F6n5p54p43p3635231113478 9101118ABCD,3）內(nèi)燃機機構(gòu)F3n(2plph)362731機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算(2/4)1B2C3DA42-5 機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件一個機構(gòu)在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？兩個例子例2-3 鉸鏈四桿機構(gòu)例2-4 鉸鏈五桿機構(gòu)若給定機構(gòu)一個獨立運動， 則機構(gòu)的運動完全確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動， 則機構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機構(gòu)一個獨立運動， 則機構(gòu)的運動不確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動， 則

8、機構(gòu)的運動完全確定。 結(jié)論 機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度數(shù)目F。如果原動件數(shù)F,則機構(gòu)的運動將不確定；則會導(dǎo)致機構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。2-6 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1.復(fù)合鉸鏈 由m個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，共有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。復(fù)合鉸鏈：由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副。 31232131824567F = 3n-2pl-ph = 3*7-2*10-0 = 1 是指機構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運動的局部運動的自由度，2.要除去局部自由度 局部自由度以F表示。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時

9、應(yīng)注意的事項(2/6) 滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動為一個局部自由度， 在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將 F從計算公式中減去，即例2-8 滾子推桿凸輪機構(gòu)解F3n(2plph) F故凸輪機構(gòu)的自由度為F33(231)113.要除去虛約束 虛約束是指機構(gòu)中某些運動副帶入的對機構(gòu)運動起重復(fù)約束作用的約束，以 p表示。例2-9 平行四邊形四桿機構(gòu)F3n(2plph) F 33(240)01計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(3/6)當增加一個構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F，且BE AF，則F3n(2plph) F 34(260)00原因：構(gòu)件5 和兩個轉(zhuǎn)動副E、F 引入的一個約束為虛約束。 在

10、計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)從機構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p，故F3n(2plph p) F如平行四邊形五桿機構(gòu)的自由度為F34(2600)01 如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副。2-6 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項4.機構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況（1）同一運動副 1）移動副，且移動方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動軸線重合； 3）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。A （2）軌跡重合的情況 在機構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動副連接的是兩個構(gòu)件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。 例如橢圓儀機構(gòu)就是這種情

11、況（圖中：CAD90，BCBD）。 顯然，轉(zhuǎn)動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（3）用雙副桿連接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點的情況 在機構(gòu)運動過程中，如果兩構(gòu)件上兩點之間的距離始終保持不變， 若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(5/6)例如圖示平行四邊形機構(gòu)就屬于此種情況。 顯然，構(gòu)件 5和轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（4）結(jié)構(gòu)重復(fù)的情況 在機構(gòu)中，不影響機構(gòu)運動傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。 顯然，從機構(gòu)運動傳遞來看，僅有一個

12、齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構(gòu)的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p2。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(6/6)例例 2 如圖所示，已知：如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EG，且相互平行；，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構(gòu)，且相互平行。計算此機構(gòu)的自由度的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標出）。若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標出）。ADECHGFIBK123456789n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=1局部自由度局部自由

13、度虛約束虛約束復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈ADECHGFIBK123456789例例 3 計算圖所示機構(gòu)的自由度計算圖所示機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標出）。合鉸鏈、虛約束請標出）。7 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度虛約束虛約束7 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6n=6；Pl=8； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=36- - 2 8- -1=1例例4 如圖所示如圖所示, 已知已知HG=IJ,且相互平行；且相互平行；

14、GL=JK，且相，且相互平行。計算此機構(gòu)的自由度互平行。計算此機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標出）。鉸鏈、虛約束請標出）。 C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 910101111G GH HI IJ JK KL L局部自由度局部自由度復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 910101111G GH HI IJ JK KL L虛約束虛約束n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=

15、1 2-7 虛約束對機構(gòu)工作性能的影響虛約束對機構(gòu)工作性能的影響 及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計1.虛約束對機構(gòu)工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構(gòu)運動的影響 虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構(gòu)的性能。例如平行四邊形機構(gòu)， 若誤差較小，則機構(gòu)裝配困難，應(yīng)力將增大，運動不靈活； 若誤差較大，則機構(gòu)無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構(gòu)件的受力情況；增加機構(gòu)的剛度；保證機械通過某些特殊位置。 機構(gòu)中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。 結(jié)論 從保證機構(gòu)運動靈活性和便于加工裝配方面來

16、說，應(yīng)盡量減少機構(gòu)的虛約束。因此，虛約束的多少是機構(gòu)性能的一個重要指標。虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(2/4) 任何機構(gòu)都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構(gòu)成的。 不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組，稱阿蘇爾或桿組。2-8 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu) 分類及結(jié)構(gòu)分析分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機構(gòu)的組成原理例2-14 顎式碎礦機1）基本桿組： 2）機構(gòu)組成原理：例2-15 顎式碎礦機 注意 在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。（1）基本桿組的條件

17、3n2plph0式中n、pl及ph分別為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。全為低副桿組的條件3n2pl0或 n/2pl/3 （2）桿組的基本類型1）級桿組 由2個構(gòu)件和3個低副構(gòu)成的桿組。2）級桿組 由4個構(gòu)件和6個低副構(gòu)成的桿組。ABC12c)ABC12d)ABC12e)ABC12a)ABC12b)ABCDEF1234a)ABCDEF1234b)ABCDEF1234c)平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(2/4)3.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）分析的目的 了解機構(gòu)的組成，確定機構(gòu)的級別。（2）分析的方法1）先計算機構(gòu)的自由度，并確定原動件； 2）從遠離

18、原動件的構(gòu)件先試拆級組，若不成；再拆級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構(gòu)的級別。（3）舉例破碎機機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：1）若取機構(gòu)1為原動件時， 此機構(gòu)為級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(3/4)2）若取構(gòu)件5為原動件時，先試拆級桿組， 顯然，這種拆法不成。再試拆級組，。 故此機構(gòu)為級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(4/4)例：試確定圖示機構(gòu)的級別例：試確定圖示機構(gòu)的級別解：解：1) 計算機構(gòu)的自由度。計算機構(gòu)的自由度。F=3n-2pl-ph=3*7-2*10-0=1；以構(gòu)件；以構(gòu)件1為為原動件。原動件。 2) 進行結(jié)構(gòu)分析進行結(jié)構(gòu)分析 1Ab)78HIJIa)12345678ABCDEFGHJDE2345BCFG3) 確定機構(gòu)的級別確定機構(gòu)的級別另：若將該機構(gòu)的原動件另：若將該機構(gòu)的原動件由構(gòu)件由構(gòu)件1改為構(gòu)件改為構(gòu)件8，則有，則有結(jié)構(gòu)分析圖結(jié)構(gòu)分析圖8JC12AB34DEF57GHII12345678ABCDEFGHJ2-9 平面機構(gòu)中的高副低代平面機構(gòu)中的高副低代高副低代 機構(gòu)中的高副以低副來代替的方法。（1）高副低代應(yīng)滿足的條件：1）代替前后機構(gòu)的自由度完全相同；2）代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。（2）高副低代的