第二章機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

2/3/2023第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析§2-1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的§2-2機(jī)構(gòu)的組成§2-3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件§2-5機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算§2-6計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)§2-7平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析返回§2-1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：研究機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的畫法；了解機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件、進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算；研究機(jī)構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的(2/2)§2-2機(jī)構(gòu)的組成1.構(gòu)件機(jī)器中每一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元體稱為構(gòu)件構(gòu)件與零件的區(qū)別：構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)單元體零件是加工制造單元體一個(gè)自由構(gòu)件空間運(yùn)動(dòng):平面運(yùn)動(dòng):機(jī)構(gòu)的組成(2/16)6個(gè)自由度3個(gè)自由度是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的表面。是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動(dòng)連接；2.運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副元素

兩構(gòu)件上組成運(yùn)動(dòng)副時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到限制，這種對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的限制稱約束。自由度減少數(shù)目等于約束數(shù)目。引入約束數(shù)目與運(yùn)動(dòng)副種類有關(guān)。根據(jù)引入約束數(shù)目分Ⅰ、Ⅱ……Ⅴ級(jí)副。約束例2-1軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。機(jī)構(gòu)的組成(3/16)運(yùn)動(dòng)副的分類轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副高副空間運(yùn)動(dòng)副：圓柱副，螺旋副和球面副等

平面運(yùn)動(dòng)副低副：面接觸的運(yùn)動(dòng)副高副：點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的組成(4/16)轉(zhuǎn)動(dòng)副自由度數(shù)目

約束數(shù)目1yx轉(zhuǎn)動(dòng)副122約束特點(diǎn):x,y方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成(5/16)一個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

引入2個(gè)約束，保留1個(gè)自由度移動(dòng)副自由度數(shù)目

約束數(shù)目12移動(dòng)副yx12約束特點(diǎn)：Y方向移動(dòng),z方向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成(6/16)一個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)。引入2個(gè)約束，

保留1個(gè)自由度高副高副ntnt12122

1自由度數(shù)目

約束數(shù)目約束特點(diǎn)：n方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成(7/14)兩個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)。引入1個(gè)約束，

保留2個(gè)自由度球面副自由度

約束數(shù)目

33約束特點(diǎn):x,y,z方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成(8/14)三個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Ⅲ級(jí)副球銷副約束特點(diǎn):x,y,z方向移動(dòng)，z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度

約束數(shù)目

24機(jī)構(gòu)的組成(9/14)兩個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Ⅳ級(jí)副圓柱副約束特點(diǎn):x,z方向移動(dòng)，x,z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)yxz自由度

約束數(shù)目

24機(jī)構(gòu)的組成(10/14)兩個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Ⅳ級(jí)副螺旋副約束特點(diǎn):螺桿可繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)。自由度

約束數(shù)目

15x機(jī)構(gòu)的組成(11/14)一個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Ⅴ級(jí)副球與平面副機(jī)構(gòu)的組成(12/14)五個(gè)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Ⅰ級(jí)副3.運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副的連接而構(gòu)成的相對(duì)可動(dòng)的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱閉鏈）開式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱開鏈）平面閉式運(yùn)動(dòng)鏈空間閉式運(yùn)動(dòng)鏈平面開式運(yùn)動(dòng)鏈空間開式運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)副符號(hào)運(yùn)動(dòng)副常用規(guī)定的簡(jiǎn)單符號(hào)來表達(dá)（GB4460－84）。各種常用運(yùn)動(dòng)副模型常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)表機(jī)構(gòu)的組成(13/14)——按給定已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；4.機(jī)構(gòu)具有固定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件——機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件。——機(jī)構(gòu)中其余活動(dòng)構(gòu)件。平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)常分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)兩類，其中平面機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。空間鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件機(jī)架從動(dòng)件原動(dòng)件機(jī)構(gòu)的組成(14/14)不嚴(yán)格按比例繪出的，只表示機(jī)械結(jié)構(gòu)狀況的簡(jiǎn)圖。根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸，按一定的比例尺定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，§2-3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在對(duì)現(xiàn)有機(jī)械進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)新機(jī)器時(shí)，都需要繪出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

例2-2

內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

采用運(yùn)動(dòng)副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)和構(gòu)件的表示方法，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞情況表示出來的簡(jiǎn)化圖形。機(jī)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(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，再畫出各運(yùn)動(dòng)副和機(jī)構(gòu)的符號(hào)，最后用簡(jiǎn)單線條連接，即得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(2/6)2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機(jī)械的構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)情況，沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，查明組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類別及其位置；內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制液壓泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件一個(gè)機(jī)構(gòu)在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)呢？?jī)蓚€(gè)例子例2-3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)例2-4

鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定。

機(jī)構(gòu)的自由度機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。自由度數(shù)=獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)目獨(dú)立運(yùn)動(dòng)由原動(dòng)件帶入。一般情況下，原動(dòng)件與機(jī)架相連，具有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。如果原動(dòng)件數(shù)<F,如果原動(dòng)件數(shù)>F,則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不確定；則會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件(2/2)結(jié)論：

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目F。機(jī)構(gòu)高副數(shù)目-hP機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目-l

P

機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

n-機(jī)構(gòu)自由度；-F--=23PPnFhl平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：§2-5機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算舉例1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝2機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(2/7)3）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝14）凸輪機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×2－2×2－1＝1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(3/7)3）內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(4/7)OACDFBE1523464）鄂式破碎機(jī)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×7－0＝1n=3；Pl=4Ph=1F=3n-2Pl-Ph=0機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)例：簡(jiǎn)易沖床設(shè)計(jì)方案改進(jìn)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(5/7)改進(jìn)方案n=4；Pl=5Ph=1F=3n-2Pl-Ph=1機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)F=原動(dòng)件數(shù)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(6/7)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×6－0＝3機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(7/7)§2-6計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)1.要正確計(jì)算運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目由m個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，共有(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。（1）復(fù)合鉸鏈

兩個(gè)以上構(gòu)件同時(shí)在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接就構(gòu)成了復(fù)合鉸鏈。復(fù)合鉸鏈數(shù)=構(gòu)件數(shù)-1123123F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×7－0＝1計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(2/8)如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，且符合下列情況者，則為同一運(yùn)動(dòng)副，即只能算一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。（2）同一運(yùn)動(dòng)副1）移動(dòng)副，且移動(dòng)方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動(dòng)副，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合；3）平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合。

計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(3/8)是指機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的局部運(yùn)動(dòng)的自由度，如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點(diǎn)處的公法線方向并不彼此重合，則為復(fù)合高副，相當(dāng)于一個(gè)低副（移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副）。（3）復(fù)合平面高副2.要除去局部自由度局部自由度以F′表示。計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(4/8)滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)為一個(gè)局部自由度，在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將F′從計(jì)算公式中減去，即例2-8滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虛約束

虛約束是指機(jī)構(gòu)中某些運(yùn)動(dòng)副帶入的對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(5/8)當(dāng)增加一個(gè)構(gòu)件5和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F引入的一個(gè)約束為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)從機(jī)構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊形五桿機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－1)－0＝1計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(6/8)（1）軌跡重合的情況在機(jī)構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的是兩個(gè)構(gòu)件上運(yùn)動(dòng)軌跡相重合的點(diǎn)，該連接將帶入1個(gè)虛約束。例如橢圓儀機(jī)構(gòu)就是這種情況（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。顯然，轉(zhuǎn)動(dòng)副C所連接的C2、C3兩點(diǎn)的軌跡重合，將帶入一個(gè)虛約束。（2）用雙副桿連接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點(diǎn)的情況在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點(diǎn)相連，也將帶入一個(gè)虛約束。計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(7/8)4．機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)就屬于此種情況。顯然，構(gòu)件5和轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F所聯(lián)接的兩點(diǎn)間的距離始終保持不變，故帶入一個(gè)虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復(fù)的情況在機(jī)構(gòu)中，不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞來看，僅有一個(gè)齒輪就可以了，而其余兩個(gè)齒輪并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(8/8)任何機(jī)構(gòu)都可看作是由若干個(gè)基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架而構(gòu)成的。不能再拆的最簡(jiǎn)單的自由度為零的構(gòu)件組，稱阿蘇爾或基本桿組?！?-8平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機(jī)構(gòu)的組成原理例2-14顎式碎礦機(jī)1）基本桿組：2）機(jī)構(gòu)組成原理：例2-15

顎式碎礦機(jī)

注意

在桿組并接時(shí)，不能將同一桿組的各個(gè)外接運(yùn)動(dòng)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3n－2pl－ph＝0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3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）桿組的基本類型1）Ⅱ級(jí)桿組由2個(gè)構(gòu)件和3個(gè)低副構(gòu)成的桿組。2）Ⅲ級(jí)桿組由4個(gè)構(gòu)件和6個(gè)低副構(gòu)成的桿組。平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(2/4)機(jī)構(gòu)的級(jí)別機(jī)構(gòu)中桿組的最高級(jí)別即為機(jī)構(gòu)的級(jí)別Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)：全部是Ⅱ級(jí)桿組Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)：至少有一個(gè)Ⅲ級(jí)桿組2.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類3.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）分析的目的了解機(jī)構(gòu)的組成，確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（2）分析的方法1）先計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并確定原動(dòng)件；2）從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級(jí)組，若不成；再拆Ⅲ級(jí)組，直至只剩下原動(dòng)件和機(jī)架為止；3）最后確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（3）舉例破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：1）若取機(jī)構(gòu)1為原動(dòng)件時(shí)，

此機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。平面機(jī)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(dòng)件時(shí)，先試拆Ⅱ級(jí)桿組，顯然，這種拆法不成。再試拆Ⅲ級(jí)組，。故此機(jī)構(gòu)為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)。平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(4/4)本章重點(diǎn)內(nèi)容基本概念：零件、構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)副分類及引入約束數(shù)目；機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)條件、機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算及注意事項(xiàng)；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制；習(xí)題1.概念

是制造單元體，

是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元體。