機械原理設(shè)計-機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

12/19/2022第二章機構(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§2-2機構(gòu)的組成§2-3機構(gòu)運動簡圖§2-4機構(gòu)具有確定運動的條件§2-5機構(gòu)自由度的計算§2-6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)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(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§2-9平面機構(gòu)中的高副低代返回§2-1機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：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,一個構(gòu)件可以由一個或多個零件組成。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：Ⅰ級副、Ⅱ級副、……Ⅴ級副。機構(gòu)的組成(2/4)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）平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB4460－84）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表機構(gòu)的組成(3/4)但當(dāng)機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的?！唇o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)件。——機構(gòu)中其余活動構(gòu)件。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機構(gòu)的組成(4/4)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的簡化圖形。機構(gòu)示意圖用于現(xiàn)有機械或新機械原理方案的設(shè)計、分析與討論重點在于機構(gòu)的運動分析構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、組成方式等在方案設(shè)計階段并不影響機構(gòu)的運動特性運動副類型表明了構(gòu)件之間的聯(lián)接關(guān)系和傳動方式構(gòu)件的運動尺寸是運動分析的基礎(chǔ)不嚴格按比例可繪制機構(gòu)示意圖舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當(dāng)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(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§2-4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，則機構(gòu)的運動完全確定。

機構(gòu)的自由度機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。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。如果原動動件數(shù)<F,如果原動動件數(shù)>F,則機構(gòu)的的運動將將不確定定；則會導(dǎo)致致機構(gòu)最最薄弱環(huán)環(huán)節(jié)的損損壞。機構(gòu)具有有確定運運動的條條件(2/2)結(jié)論：機構(gòu)具有有確定運運動的條條件是：：機構(gòu)原原動件數(shù)數(shù)目應(yīng)等等于機構(gòu)構(gòu)的自由度的的數(shù)目F。§2-5機構(gòu)自由由度的計計算1.平面面機構(gòu)自自由度的的計算（1）計計算公式式F＝3n－(2pl＋ph)式中：n為機構(gòu)的的活動構(gòu)構(gòu)件數(shù)目目；pl為機構(gòu)的的低副數(shù)數(shù)目；ph為機構(gòu)的的高副數(shù)數(shù)目。(2)舉舉例1）鉸鏈鏈四桿機機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈鏈五桿機機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝2其約束數(shù)數(shù)為i(i=1,2,...5)，則則2.空間間機構(gòu)自自由度的的計算（1）一一般空間間機構(gòu)自自由度的的計算設(shè)一空間間機構(gòu)共共有n個活動構(gòu)構(gòu)件，pi個i級運動副副，F(xiàn)＝6n－(5p5＋4p4＋3p3＋2p2＋p1)＝6n－Σipii=15例2-5空間四桿桿機構(gòu)解F＝6n－5p5－4p4－3p3＝6×3－5×2＋3×1＝13）內(nèi)燃燃機機構(gòu)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1機構(gòu)自由由度的計計算(2/4)例2-6楔形滑塊塊機構(gòu)解因此機構(gòu)構(gòu)為全移移動副平平面機構(gòu)構(gòu)，故m＝4，則則F＝(6－－m)n－(5－－m)p5＝(6－－4)××2－(5－－4)××3＝1（2）含含公共約約束的空空間機構(gòu)構(gòu)自由度度的計算算公共約束束F＝(6－m)n－Σ(i－m)pii=m+15由上式可可知，公公共約束束m=0,1,2,3,4。故相相應(yīng)的機機構(gòu)分別別稱為0族、1族、2族、3族、4族機構(gòu)構(gòu)（五類））。是指機構(gòu)構(gòu)中所有有構(gòu)件均均受到的的共同的的約束，，以m表示。機構(gòu)自由由度的計計算(3/4)（3）空空間開鏈鏈機構(gòu)的的自由度度計算因空間開鏈機構(gòu)運動副總數(shù)p(=Σpi)等于其活動構(gòu)件數(shù)n，i=15＝6n－Σ(6－fi)pii=15＝Σfipii=15式中，fi為i級運動副副的自由由度，fi＝6－i。例2-7機械手開開鏈機構(gòu)構(gòu)解F＝(6－－5)p5＋(6－－4)p4＝1×7＋2××1＝9因機械手手具有9個自由由度，故故它運動動的靈活活性較大大，可繞繞過障礙礙進入作作業(yè)區(qū)。。F＝6n－Σipii=15故機構(gòu)自由由度的計計算(4/4)如果兩構(gòu)構(gòu)件在多多處接觸而構(gòu)構(gòu)成運動動副，且且符合下下列情況況者，則為同一一運動副副，即只只能算一一個運動動副?！?-6計算平面面機構(gòu)自自由度時時應(yīng)注意意的事項項1.要正正確計算算運動副副的數(shù)目目由m個構(gòu)件組組成的復(fù)復(fù)合鉸鏈，共共有(m-1)個個轉(zhuǎn)動副副。（1）復(fù)合鉸鏈鏈（2）同一運動動副1）移動動副，且且移動方方向彼此此平行或或重合；2）轉(zhuǎn)動動副，且且轉(zhuǎn)動軸軸線重合合；3）平面面高副，，且各接接觸點處處的公法法線彼此重重合。是指機構(gòu)構(gòu)中某些些構(gòu)件所所產(chǎn)生的的不影響響其他構(gòu)構(gòu)件運動的局部部運動的的自由度度，如果兩構(gòu)構(gòu)件在多多處接觸觸而構(gòu)成成平面高高副，但但各接觸觸點處的的公法線線方向并并不彼此此重合，，則為復(fù)復(fù)合高副副，相當(dāng)當(dāng)于一個個低副（（移動副副或轉(zhuǎn)動動副）。。（3）復(fù)合平面面高副2.要除除去局部部自由度度局部自由由度以F′表示。。計算平面面機構(gòu)自自由度時時應(yīng)注意意的事項項(2/6)滾子繞其其軸線的的轉(zhuǎn)動為為一個局局部自由由度，在計算機機構(gòu)自由由度時，，應(yīng)將F′從計算算公式中中減去，，即例2-8滾子推桿桿凸輪機機構(gòu)解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機機構(gòu)的自自由度為為F＝3×3－(2××3＋1)－1＝13.要除除去虛約約束虛約束是指機構(gòu)構(gòu)中某些些運動副副帶入的的對機構(gòu)運運動起重重復(fù)約束束作用的的約束，，以p′表示。例2-9平行四邊邊形四桿桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋＋0)－－0＝1計算平面面機構(gòu)自自由度時時應(yīng)注意意的事項項(3/6)當(dāng)增加一個個構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動動副E、F，且BEAF，則∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－－(2×6＋0)－－0＝0原因：構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動動副E、F引入的一個個約束為虛虛約束。在計算機構(gòu)構(gòu)的自由度度時，應(yīng)從從機構(gòu)的約約束數(shù)中減減去虛約束束數(shù)目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊邊形五桿機機構(gòu)的自由由度為F＝3×4－－(2×6＋0－0)－0＝1計算平面機機構(gòu)自由度度時應(yīng)注意意的事項(4/6)（1）軌跡跡重合的情情況在機構(gòu)中，，如果用轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副連接接的是兩個構(gòu)件上上運動軌跡跡相重合的的點，該連連接將帶入入1個虛約約束。例如橢圓儀儀機構(gòu)就是是這種情況況（圖中：：∠CAD＝90°，，BC＝BD）。顯然，轉(zhuǎn)動動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合合，將帶入入一個虛約約束。（2）用雙雙副桿連接接兩構(gòu)件上上距離恒定定不變的兩兩點的情況況在機構(gòu)運動動過程中，，如果兩構(gòu)構(gòu)件上兩點點之間的距距離始終保保持不變，若若用一雙副副桿將此兩兩點相連，，也將帶入入一個虛約約束。計算平面機機構(gòu)自由度度時應(yīng)注意意的事項(5/6)4．機構(gòu)中中的虛約束束常發(fā)生的的幾種情況況例如圖示平平行四邊形形機構(gòu)就屬屬于此種情情況。顯然，構(gòu)件件5和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間間的距離始始終保持不不變，故帶入一個虛虛約束。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)重復(fù)的情情況在機構(gòu)中，，不影響機機構(gòu)運動傳傳遞的重復(fù)復(fù)部分所帶帶入的約束束為虛約束。例如圖示輪輪系就屬于于這種情況況。顯然，從機機構(gòu)運動傳傳遞來看，，僅有一個齒輪輪就可以了了，而其余余兩個齒輪并不影響響機構(gòu)的運運動傳遞，，故帶入了虛約束，，且p′＝2。計算平面機機構(gòu)自由度度時應(yīng)注意意的事項(6/6)§2-7虛約束對機機構(gòu)工作性性能的影響響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)的合理設(shè)設(shè)計1.虛約束束對機構(gòu)工工作性能的的影響（1）虛約約束的作用用（2）虛約約束對機構(gòu)構(gòu)運動的影影響虛約束是存存在于某些些特定幾何何條件下的的，但這些些條件不滿滿足時，它它就將成為為實際有效效的約束，，從而影響響到機構(gòu)的的性能。例如平行四四邊形機構(gòu)構(gòu)，若誤差較小小，則機構(gòu)構(gòu)裝配困難難，應(yīng)力將增大大，運動不不靈活；若誤差較大大，則機構(gòu)構(gòu)無法裝配配，若勉強裝配，，則傳動效效率低，易易損壞。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)中的虛虛約束數(shù)越越多，制造造精度要求求越高，制制造成本也也就越高。。結(jié)論從保證機構(gòu)構(gòu)運動靈活活性和便于于加工裝配配方面來說說，應(yīng)盡量減少機機構(gòu)的虛約約束。因此此，虛約束束的多少是是機構(gòu)性能能的一個重要指標(biāo)。。2.機構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)的合理理設(shè)計機構(gòu)結(jié)構(gòu)的的合理設(shè)計計是指在不不影響機構(gòu)構(gòu)其他性能能的前提下下，通過運動副副類型的合合理選擇和和裝配來盡盡可能減少少虛約束的的問題。（1)族別虛約束束將某些機構(gòu)構(gòu)視為0族族機構(gòu)時機機構(gòu)所存在在的虛約束束的數(shù)目，，以p″表示，則p″＝F－F0式中：F為機構(gòu)的實實際自由度度；F0為機構(gòu)被視視為0族機機構(gòu)時的自自由度數(shù)目目。虛約束對機機構(gòu)工作性性能的影響響及機構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)的合理理設(shè)計(2/4)例2-10平面鉸鏈四四桿機構(gòu)F＝(6－m)n－(5－m)p5＝(6－3)×3－－(5－3)×4＝1F0＝6n－5p5＝6××3－－5××4＝－－2故p″＝＝F－F0＝1－－(－－2)＝＝3顯然然，，這這三三個個族族別別虛虛約約束束存存在在的的條條件件是是：：所有有鉸鉸鏈鏈的的軸軸線線要要彼此此平平行行。。若不不滿滿足足上上述述條條件件，，則則機機構(gòu)構(gòu)將將變變成成為為F0＝－－2的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)了了。。（2））消消除除或或減減少少族族別別虛虛約約束束的的方方法法通過過合合理理選選擇擇和和配配置置運運動動副副的的類類型型來來消消除除或或減減少少機機構(gòu)構(gòu)中中族族別別虛約約束束。。虛約約束束對對機機構(gòu)構(gòu)工工作作性性能能的的影影響響及及機機構(gòu)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的合合理理設(shè)設(shè)計計(3/4)例2-11鉸鏈鏈四四桿桿機機構(gòu)構(gòu)將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副B、C改為為球球面面副副和和球球銷銷副副，，則則機機構(gòu)構(gòu)變變?yōu)闉?族族機機構(gòu)構(gòu)，，即無無族族別別虛虛約約束束。。F＝6n－5p5－4p4－3p3＝6××3－－5××2－－4××1－－3××1＝1例2-12曲柄柄滑滑塊塊機機構(gòu)構(gòu)將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副C變?yōu)闉榍蚯蛎婷娓备?，，則則此此機機構(gòu)構(gòu)可可減減少2個個族族別別虛虛約約束束。。例2-13正切切機機構(gòu)構(gòu)將其其低低副副用用高高副副替替代代，，即即變變?yōu)闉楹c點接接觸觸的的高高副副機機構(gòu)構(gòu)，，則則此此機機構(gòu)構(gòu)中中無無虛虛約約束束。。虛約約束束對對機機構(gòu)構(gòu)工工作作性性能能的的影影響響及及機機構(gòu)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的合合理理設(shè)設(shè)計計(4/4)任何何機機構(gòu)構(gòu)都都可可看看作作是由由若若干干個個基基本本桿桿組組依依次次連連接接于于原原動動件件和和機架架而而構(gòu)構(gòu)成成的的。。不能能再再拆拆的的最最簡簡單單的的自自由度度為為零零的的構(gòu)構(gòu)件件組組，，稱稱阿蘇蘇爾爾或桿組組。§2-8平面面機機構(gòu)構(gòu)的的組組成成原原理理、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分類類及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析1.平平面面機機構(gòu)構(gòu)的的組組成成原原理理例2-14顎式式碎碎礦礦機機1））基本本桿桿組組：2））機構(gòu)構(gòu)組組成成原原理理：例2-15顎式式碎碎礦礦機機注意意在桿桿組組并并接接時時，，不不能能將將同同一一桿桿組的的各各個個外外接接運運動動副副接接于于同同一一構(gòu)構(gòu)件件上上，，否否則將將起起不不到到增增加加桿桿組組的的作作用用。。（1））基基本本桿桿組組的的條條件件3n－2pl－ph＝0式中中n、pl及ph分別別為為基基本本桿桿組組中中的的構(gòu)構(gòu)件件數(shù)數(shù)、、低低副副數(shù)數(shù)和和高高副副數(shù)數(shù)。。全為為低低副副桿桿組組的的條條件件3n－2pl＝0或n/2＝＝pl/3（2））桿桿組組的的基基本本類類型型1））Ⅱ級級桿桿組組由2個個構(gòu)構(gòu)件件和和3個個低低副副構(gòu)構(gòu)成成的的桿桿組組。。2））Ⅲ級級桿桿組組由4個個構(gòu)構(gòu)件件和和6個個低低副副構(gòu)構(gòu)成成的的桿桿組組。。平面面機機構(gòu)構(gòu)的的組組成成原原理理、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分類類及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析(2/4)3.平平面面機機構(gòu)構(gòu)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析（1））分分析析的的目目的的了解解機機構(gòu)構(gòu)的的組組成成，，確確定定機機構(gòu)構(gòu)的的級級別別。。（2））分分析析的的方方法法1））先先計計算算機機構(gòu)構(gòu)的的自自由由度度，，并并確確定定原原動動件件；；2））從從遠遠離離原原動動件件的的構(gòu)構(gòu)件件先先試試拆拆ⅡⅡ級級組組，，若若不不成成；；再再拆拆ⅢⅢ級組組，，直直至至只只剩剩下下原原動動件件和和機機架架為為止止；；3））最最后后確確定定機機構(gòu)構(gòu)的的級級別別。。（3））舉舉例例破碎機機構(gòu)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分分析：1）若取機機構(gòu)1為原動件時時，此機構(gòu)為ⅡⅡ級機構(gòu)。。平面機構(gòu)的的組成原理理、結(jié)構(gòu)分分類及結(jié)構(gòu)構(gòu)分析(3/4)2）若取構(gòu)構(gòu)件5為原原動件時，，先試拆ⅡⅡ級桿組，，顯然，這種種拆法不成成。再試拆Ⅲ級級組，。故此機構(gòu)為為Ⅲ級機構(gòu)構(gòu)。平面機構(gòu)的的組成原理理、結(jié)構(gòu)分分類及結(jié)構(gòu)構(gòu)分析(4/4)§2-9平面機構(gòu)中中的高副低低代高副低代——機構(gòu)構(gòu)中的高副副以低副來來代替的方方法。（1）高副副低代應(yīng)滿滿足的條件件：1）代替前前后機構(gòu)的的自由度完完全相同；；2）代替前前后機構(gòu)的的瞬時速度度和瞬時加加速度完全全相同。（2）高副副低代的方方法：圓弧高副機機構(gòu)非圓弧高副副機構(gòu)結(jié)論：在平面機構(gòu)構(gòu)中進行高高副低代時時，為了使使代替前后后機構(gòu)的自自由度、瞬時速速度和加速速度都保持持不變，只要用一個個虛擬的構(gòu)構(gòu)件分別與兩高副副構(gòu)件在接接觸點的曲曲率中心處處以轉(zhuǎn)動副副相聯(lián)就行行了。若高副兩元元素之一為為直線，則則低代時虛擬構(gòu)件這這一端的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為移動動副。若高副兩元元素之一為為一個點，，則低代時虛擬構(gòu)件件這一端的的轉(zhuǎn)動副就就在此點處處。由上述可知知，在對高高副機構(gòu)進進行分析時，可根據(jù)據(jù)高副低代代的方法，，先將高副副機構(gòu)轉(zhuǎn)化為低低副機構(gòu)，，然后再進進行機構(gòu)的的結(jié)構(gòu)、運動及及力分析。。平面機構(gòu)中中的高副低低代(2/2)內(nèi)燃機及其其機構(gòu)運動動簡圖機構(gòu)自由度度計算舉例例例1圖圖示牛頭頭刨床設(shè)計計方案草圖圖。設(shè)計思思路為：動動力由曲柄柄1輸入，，通過滑塊塊2使擺動動導(dǎo)桿3作往復(fù)復(fù)擺動，并并帶動滑枕枕4作往復(fù)復(fù)移動，，以達到刨刨削加工目目的。試試問圖示的的構(gòu)件組合合是否能達達到此目的的？如果果不能，該該如何修改改？1234解：首先計計算設(shè)計方方案草圖的的自由度F=3n-2Pl-Ph=3×4-2×6=0改進措施：：1.增加一個低低副和一個個活動構(gòu)件件；2.用一個高副副代替低副副。即表示如果果按此方案案設(shè)計機構(gòu)