第一章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一章第一章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容構(gòu)件間可動(dòng)連接(Movableconnector)的型式及其運(yùn)動(dòng)和傳力特征。形成可動(dòng)連接的構(gòu)件系統(tǒng)成為機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的條件。獲取滿足自由度要求的機(jī)構(gòu)的方法(即機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法)。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類。第一節(jié)機(jī)構(gòu)的組成

一、構(gòu)件與自由度

1.構(gòu)件(Link)

機(jī)器的運(yùn)動(dòng)單元，傳遞運(yùn)動(dòng)和力的載體。實(shí)例內(nèi)燃機(jī)中的缸體、活塞、連桿、曲軸等。第一節(jié)機(jī)構(gòu)的組成內(nèi)燃機(jī)連桿構(gòu)件的組成

一個(gè)構(gòu)件也可以由幾個(gè)零件剛性聯(lián)接組成。

實(shí)例連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺母、連桿襯套等相互剛性聯(lián)接組成。連桿體連桿蓋螺栓墊圈螺母連桿襯套軸瓦零件(Part)是機(jī)器的制造單元。剛體自由度空間運(yùn)動(dòng)剛體的自由度Oxzysxszsyyxz

一個(gè)完全獨(dú)立的剛體在空間直角坐標(biāo)系下的自由度(Degreeoffreedom,Mobility)為sx，sy，sz，x，y，z

，即自由度數(shù)f6。

平面運(yùn)動(dòng)剛體的自由度為sx，sy，z，即自由度數(shù)f3。yxzO

2.自由度yz(x,y)xO平面運(yùn)動(dòng)剛體的自由度sxsy運(yùn)動(dòng)副與約束二、運(yùn)動(dòng)副與約束

運(yùn)動(dòng)副(Kinematicpair)

兩個(gè)構(gòu)件以一定幾何形狀和尺寸的表面相互接觸所形成的可動(dòng)聯(lián)接。運(yùn)動(dòng)副元素(Pairelement)—兩個(gè)構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面部分。

約束(Constraint)—運(yùn)動(dòng)副對(duì)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度所施加的限制。圓柱副

觀察圖示兩構(gòu)件組成的圓柱副(Cylindricpair)

兩構(gòu)件保留的相對(duì)運(yùn)動(dòng)sz和z，即自由度數(shù)f2。

兩構(gòu)件之間受限制的相對(duì)運(yùn)動(dòng)sx，sy，x和y，即約束數(shù)s4。

兩構(gòu)件之間可以傳遞的力（力矩）

Px，Py，Mx，My結(jié)論幾何約束與力約束本質(zhì)上是一致的，是可以相互替代的。

zxyOzsz構(gòu)件的不同接觸形式

特點(diǎn)具有較多的自由度，易于構(gòu)件的自動(dòng)調(diào)整，保持靜定特性。接觸應(yīng)力大，易變形、易磨損、承載能力低。

制造比較困難。適用場(chǎng)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)精度要求較高，受力較小。構(gòu)件的不同接觸形式點(diǎn)接觸(Pointcontact)

點(diǎn)接觸，f5,s

1線接觸，f3,s3線接觸(Linecontact)面接觸

面接觸(Areacontact)特點(diǎn)相當(dāng)于多點(diǎn)接觸，承載能力較高，應(yīng)用廣泛。運(yùn)動(dòng)副的自由度一般較低，其接觸狀況對(duì)尺寸、形狀及相對(duì)位置誤差十分敏感，實(shí)際接觸及受力狀況難以準(zhǔn)確確定，需要較高的制造精度。

保證運(yùn)動(dòng)副可靠工作的措施

●提高表面硬度●正確選用材料●添加潤(rùn)滑劑●加入中間體,將滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)副分類

運(yùn)動(dòng)副的分類●

按運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)分類

I級(jí)副(ClassIkinematicpair)、II級(jí)副、III級(jí)副、IV級(jí)副、V級(jí)副?！?/p>

按運(yùn)動(dòng)副的接觸形式分類面與面接觸的運(yùn)動(dòng)副—低副(Lowerpair)點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副—高副(Higherpair)

●按兩構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式分類平面運(yùn)動(dòng)副(Planarkinematicpair)

空間運(yùn)動(dòng)副(Spatialkinematicpair)●

按接觸部分的幾何形狀分類圓柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圓柱副、圓柱–平面副等等。運(yùn)動(dòng)副舉例球面－平面副圓柱－平面副球面–平面副Sphere-planepair空間I級(jí)高副圓柱–平面副Cylinder-planepair空間II級(jí)高副運(yùn)動(dòng)副舉例運(yùn)動(dòng)副舉例球面副球銷副球面副Sphericalpair空間III級(jí)低副球銷副Sphere-pinpair空間IV級(jí)低副運(yùn)動(dòng)副舉例運(yùn)動(dòng)副舉例圓柱副螺旋副圓柱副Cylindricpair空間IV級(jí)低副螺旋副Helicalpair空間V級(jí)低副運(yùn)動(dòng)副舉例運(yùn)動(dòng)副舉例轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副Revolutepair空間V級(jí)(平面II級(jí))低副軸承Bearing鉸鏈Hingedjoint運(yùn)動(dòng)副舉例運(yùn)動(dòng)副舉例移動(dòng)副移動(dòng)副P(pán)rismaticpair,Slidingpair空間V級(jí)(平面II級(jí))低副運(yùn)動(dòng)副舉例平面運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)

平面機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)。平面運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)為1

s

2。

點(diǎn)、線接觸的平面運(yùn)動(dòng)副—平面高副

滾動(dòng)副

凸輪副

齒輪副

面接觸的平面運(yùn)動(dòng)副—平面低副

轉(zhuǎn)動(dòng)副

移動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副的封閉

運(yùn)動(dòng)副的封閉保持運(yùn)動(dòng)副元素之間的接觸稱為運(yùn)動(dòng)副的封閉?！?/p>

幾何封閉(Geometricclosure)

運(yùn)動(dòng)副的封閉

運(yùn)動(dòng)副的封閉保持運(yùn)動(dòng)副元素之間的接觸稱為運(yùn)動(dòng)副的封閉?！?/p>

力封閉(Forceclosure)

彈簧力封閉重力封閉閉式運(yùn)動(dòng)鏈閉式運(yùn)動(dòng)鏈(Closedkinematicchain)單封閉回路閉鏈pN

（p為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，N為構(gòu)件數(shù)）多封閉回路運(yùn)動(dòng)閉鏈kpN1(k為回路數(shù))

三、運(yùn)動(dòng)鏈(Kinematicchain)兩個(gè)以上構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈(Openkinematicchain)

開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈廣泛應(yīng)用于機(jī)械手和機(jī)器人中。N

p

1機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件運(yùn)動(dòng)是否確定？機(jī)構(gòu)滿足條件1432運(yùn)動(dòng)鏈

4132固定一個(gè)構(gòu)件在另一個(gè)（或幾個(gè)）構(gòu)件上加上已知運(yùn)動(dòng)2134

四、機(jī)構(gòu)同一運(yùn)動(dòng)鏈可以生成不同機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

同一運(yùn)動(dòng)鏈可以生成的不同機(jī)構(gòu)1423ABC431CAB21432ABC431CAB2

運(yùn)動(dòng)鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機(jī)構(gòu)的重要手段。運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和聯(lián)接這些構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量和類型，所以又稱為機(jī)構(gòu)的型數(shù)綜合(Typeandnumbersynthesis)。

構(gòu)件的類型至少1個(gè)1個(gè)

構(gòu)件的類型原動(dòng)件(Drivinglink)—機(jī)構(gòu)中按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，也稱為輸入構(gòu)件(Inputlink)。從動(dòng)件(Drivenlink,Follower)—其余的可動(dòng)構(gòu)件。具有預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、對(duì)外完成某種工藝動(dòng)作的從動(dòng)件也稱為輸出構(gòu)件(Outputlink)或執(zhí)行構(gòu)件(Executivelink)。機(jī)架(Fixedlink,Frame)—固定不動(dòng)的構(gòu)件。機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件系統(tǒng)空間機(jī)構(gòu)

平面機(jī)構(gòu)是我們的主要研究對(duì)象。

根據(jù)機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是否在同一平面或平行平面內(nèi)，可將機(jī)構(gòu)分為平面機(jī)構(gòu)(Planarmechanism)和空間機(jī)構(gòu)(Spatialmechanism)?？臻g機(jī)構(gòu)第二節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖第二節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(Kinematicsketch)是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā)，將實(shí)際機(jī)械中與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的因素加以抽象和簡(jiǎn)化后，得到的反映實(shí)際機(jī)械的運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系的圖形。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖應(yīng)滿足的條件：

(1)構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相同；

(2)運(yùn)動(dòng)副的類型、數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相符；

(3)運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置以及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu)成比例。

機(jī)構(gòu)示意圖為不嚴(yán)格按比例繪制的簡(jiǎn)圖，用于表達(dá)機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征。常用運(yùn)動(dòng)副符號(hào)常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)運(yùn)動(dòng)副符號(hào)兩運(yùn)動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副121212121212212121平面運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副121222112211222112運(yùn)動(dòng)副名稱常用運(yùn)動(dòng)副符號(hào)平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運(yùn)動(dòng)副122112平面運(yùn)動(dòng)副21構(gòu)件的表示方法構(gòu)件的表示方法

桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件構(gòu)件的表示方法三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

構(gòu)件的表示方法

不考慮構(gòu)件的外形畫(huà)構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開(kāi)構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動(dòng)副的類型。常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)（摘自GB/T4460-1984）在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動(dòng)帶傳動(dòng)圓錐齒輪傳動(dòng)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)凸輪傳動(dòng)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)（續(xù)）鏈傳動(dòng)圓柱蝸桿蝸輪傳動(dòng)外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)（續(xù)）棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制步驟

二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制

步驟：

(1)分析機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理、組成情況和運(yùn)動(dòng)情況，確定原動(dòng)件、機(jī)架、執(zhí)行部分和傳動(dòng)部分。

(2)沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，逐一分析每?jī)蓚€(gè)構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。

(3)選擇與機(jī)械多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面平行的平面，作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的視圖平面。

(4)選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置和比例尺l(mmm)，定出各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，并用各運(yùn)動(dòng)副的代表符號(hào)、常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)和簡(jiǎn)單線條，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

(5)從原動(dòng)件開(kāi)始，按運(yùn)動(dòng)傳遞順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號(hào)和運(yùn)動(dòng)副代號(hào)。在原動(dòng)件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動(dòng)的方向。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制舉例平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制舉例偏心泵1234ABCD運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算一般公式

一、運(yùn)動(dòng)鏈的自由度計(jì)算運(yùn)動(dòng)鏈的自由度—確定運(yùn)動(dòng)鏈中各構(gòu)件相對(duì)于其中某一構(gòu)件的位置所需的獨(dú)立參變量的數(shù)目。

考察由N個(gè)構(gòu)件組成的運(yùn)動(dòng)鏈，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

n=N1。

空間運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)鏈自由度：構(gòu)件總自由度6nI級(jí)副約束數(shù)p1II級(jí)副約束數(shù)2p2III級(jí)副約束數(shù)3p3IV級(jí)副約束數(shù)4p4V級(jí)副約束數(shù)5p5第三節(jié)運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算－公共約束

具有q個(gè)公共約束的運(yùn)動(dòng)鏈，其自由度計(jì)算公式為：

平面運(yùn)動(dòng)鏈q=3，其自由度計(jì)算公式為：自由度計(jì)算舉例運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算舉例例1

縫紉機(jī)腳踏板運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算

例2

平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算

分析：n

3，p52，p41，p31

計(jì)算：F6n(3p34p45p5)63(314152)

1

只要給定1個(gè)獨(dú)立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對(duì)位置關(guān)系就確定了。

分析：n3，q3，pL4，pH

0

計(jì)算：F3n2pL

pH

33241

只要給定1個(gè)獨(dú)立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對(duì)位置關(guān)系就確定了。

平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈1432ABC124C3ADB縫紉機(jī)腳踏板運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件－F>0

F3n2pLpH33251

該運(yùn)動(dòng)鏈約束過(guò)多，成為超靜定桁架，不能成為機(jī)構(gòu)。

F3n2pLpH32230

運(yùn)動(dòng)鏈為一剛性桁架，不能成為機(jī)構(gòu)。

AB12C3平面三構(gòu)件運(yùn)動(dòng)鏈1243ADBCE平面四構(gòu)件運(yùn)動(dòng)鏈

二、運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件判斷所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠衲艹蔀闄C(jī)構(gòu)，是提出新的設(shè)計(jì)方案時(shí)自行評(píng)價(jià)方案可行性的關(guān)鍵步驟。

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的首要條件：運(yùn)動(dòng)鏈自由度必須大于零。運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件－平面五桿運(yùn)動(dòng)鏈

F3n2pLpH3425

2

原動(dòng)件數(shù)F,運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系不確定。

運(yùn)動(dòng)鏈不能成為機(jī)構(gòu)。

原動(dòng)件數(shù)F,運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定。

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。

在F0的條件下，進(jìn)一步判斷運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠窬哂写_定的運(yùn)動(dòng)。

平面五桿運(yùn)動(dòng)鏈

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件－平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈

F3n2pLpH33241原動(dòng)件數(shù)F，運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會(huì)損壞。

運(yùn)動(dòng)鏈不能成為機(jī)構(gòu)。

原動(dòng)件數(shù)F，運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定。

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。

平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件－結(jié)論

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件是：取運(yùn)動(dòng)鏈中一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定作為機(jī)架，運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)于機(jī)架的自由度必須大于零，且原動(dòng)件的數(shù)目等于運(yùn)動(dòng)鏈的自由度數(shù)。滿足以上條件的運(yùn)動(dòng)鏈即為機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的自由度可用運(yùn)動(dòng)鏈自由度公式計(jì)算。機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算－圓盤(pán)鋸圓盤(pán)鋸

計(jì)算錯(cuò)誤的原因

例題

圓盤(pán)鋸機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

解

n7，pL6，pH0

F3n2pLpH37269錯(cuò)誤的結(jié)果！12345678ABCDEF兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副復(fù)合鉸鏈12345678ABCDEF

正確計(jì)算

B、C、D、E處為復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)均為2。

n7，pL10，pH0

F3n2pLpH372101

三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題●復(fù)合鉸鏈(Compoundhinges)

兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。

k個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，有(k-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。復(fù)合鉸鏈的識(shí)別12313424132兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副1234兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副1423兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副312兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副

準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)合鉸鏈舉例關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個(gè)構(gòu)件在同一處用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接計(jì)算凸輪機(jī)構(gòu)自由度例題計(jì)算凸輪機(jī)構(gòu)自由度

F3n2pLpH332312

●局部自由度(Passivedegreeoffreedom)

機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運(yùn)動(dòng)有關(guān)的自由度。

考慮局部自由度時(shí)的機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

設(shè)想將滾子與從動(dòng)件焊成一體

F3n2pLpH322211

計(jì)算時(shí)減去局部自由度FP

F3n2pLpHFP

3323111？機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度？

例題

計(jì)算機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度

F3n2pLpH36290虛約束定義●虛約束(Redundantconstraint,Passiveconstraint)機(jī)構(gòu)中不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束。計(jì)算具有虛約束的機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)先將機(jī)構(gòu)中引入虛約束的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副除去。虛約束－兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副

(1)兩構(gòu)件間構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)軸線重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)接觸點(diǎn)處法線重合的高副虛約束發(fā)生的場(chǎng)合虛約束－距離不變

(2)兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持不變

未去掉虛約束時(shí)F3n2pLpH34260

構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F提供的自由度

F3n2pLpH31221即引入了一個(gè)約束，但這個(gè)約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起實(shí)際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后?ABCDAEDF

F3n2pLpH332413241ACBDEF5虛約束－軌跡重合

(3)聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合

構(gòu)件3與構(gòu)件2組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副E及與機(jī)架組成的移動(dòng)副提供的自由度F3n2pLpH31221即引入了一個(gè)約束，但這個(gè)約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起實(shí)際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后橢圓儀機(jī)構(gòu)構(gòu)件2和3在E點(diǎn)軌跡重合3E4125ABCBEBC=ABEAC=90

F3n2pLpH33241

未去掉虛約束時(shí)F3n2pLpH34260

?虛約束－對(duì)稱部分1B342A

(4)機(jī)構(gòu)中對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分

對(duì)稱布置的兩個(gè)行星輪2和2以及相應(yīng)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副D、C和4個(gè)平面高副提供的自由度F3n2pLpH3222142即引入了兩個(gè)虛約束。

行星輪系

去掉虛約束后F3n2pLpH33231211234ADBC22

未去掉虛約束時(shí)F3n2pLpH3525161虛約束的作用

虛約束的作用

(1)改善構(gòu)件的受力情況，分擔(dān)載荷或平衡慣性力，如多個(gè)行星輪。

(2)增加結(jié)構(gòu)剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。

(3)提高運(yùn)動(dòng)可靠性和工作的穩(wěn)定性。

注意機(jī)構(gòu)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，則虛約束將變成實(shí)際有效的約束，從而使機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)。包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算EDFIGJ例3計(jì)算包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度

分析活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n9復(fù)合鉸鏈虛約束運(yùn)動(dòng)副D1處

去掉局部自由度和虛約束局部自由度B2I9C3A1J6H87DE4FG5A1B2C3J6H89IFG57ED42個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副桿9和運(yùn)動(dòng)副F、I引入一個(gè)虛約束n6，pL7，pH3F3n2pLpH3627131滾子3、8繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)第四節(jié)平面運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第四節(jié)平面運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、平面運(yùn)動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)n、運(yùn)動(dòng)副數(shù)pk與自由度數(shù)F之間存在著一定的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（機(jī)構(gòu)的型數(shù)綜合）的目的

確定在滿足一定自由度的前提下運(yùn)動(dòng)鏈的所有結(jié)構(gòu)形式，從而獲得能滿足各種工作要求的機(jī)構(gòu)。這是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)(Creativedesign)的基本途徑。假定所有運(yùn)動(dòng)副為單一轉(zhuǎn)動(dòng)副。平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式簡(jiǎn)化為F3n2pL3(N1)2p自由度F是機(jī)構(gòu)型數(shù)綜合的目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)公式推導(dǎo)法

p，N均應(yīng)為正整數(shù)，因此●

當(dāng)F為奇數(shù)時(shí)，構(gòu)件N必為偶數(shù)；反之，當(dāng)F為偶數(shù)時(shí)，構(gòu)件數(shù)N必為奇數(shù)?！?/p>

當(dāng)F1時(shí)，N必須大于2。

結(jié)論對(duì)于F=1的平面閉鏈機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)N必為4，6，8，10，…等；對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副數(shù)p為4，7，10，13，…等。由kpN1可知，對(duì)于410桿運(yùn)動(dòng)鏈，對(duì)應(yīng)的封閉回路數(shù)為1，2，3，4，……。

二、運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)公式推導(dǎo)法改寫(xiě)前述公式F1的運(yùn)動(dòng)鏈自由度F1的6桿運(yùn)動(dòng)鏈的可能結(jié)構(gòu)型N32，N24Watt鏈N41，N25等同于4桿鏈N32，N24等同于4桿鏈N32，N24與Watt鏈同構(gòu)N32，N24Stephenson鏈

F=1的運(yùn)動(dòng)鏈N32N45N5N4NN2N3N4N5

式中，Nk表示k副構(gòu)件的數(shù)目。第五節(jié)基本桿組法第五節(jié)按基本桿組的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合與結(jié)構(gòu)分析

一、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的基本桿組法

基本思路

驅(qū)動(dòng)桿組(Drivinggroups)基本桿組(Basicgroups)機(jī)構(gòu)由原動(dòng)件和機(jī)架組成，自由度等于機(jī)構(gòu)自由度不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合

核心問(wèn)題：如何獲得各種F0的基本桿組？基本桿組條件－II級(jí)組基本桿組的構(gòu)件數(shù)n2，4，6，…基本桿組的運(yùn)動(dòng)副數(shù)pL3，6，9，…

1.n2，pL3的雙桿組(II級(jí)組)內(nèi)接運(yùn)動(dòng)副外接運(yùn)動(dòng)副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組

基本桿組應(yīng)滿足的條件F3n2pL0

即

n(23)pL

III級(jí)組

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有一個(gè)三副構(gòu)件，而每個(gè)內(nèi)副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是兩副構(gòu)件。

2.n4，pL6的多桿組

(1)III級(jí)組IV級(jí)組

不同級(jí)別的桿組，其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同，從而決定了由它們所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及它們的運(yùn)動(dòng)與受力分析的難易程度都不相同。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有兩個(gè)三副構(gòu)件，桿組的四個(gè)內(nèi)副形成四邊形。

(2)IV級(jí)組桿組的構(gòu)形解

桿組的構(gòu)形解

II級(jí)組有兩種裝配模式，為ABC或ABC。

III級(jí)組的裝配模式多達(dá)六種。

由不同級(jí)別的基本桿組組成的機(jī)構(gòu)，其分析設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度不一樣。為此，常根據(jù)機(jī)構(gòu)中的桿組級(jí)別來(lái)確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。

II級(jí)組的構(gòu)形解ABCCDFECABDEFEDFIII級(jí)組的構(gòu)形解def

桿組不同的構(gòu)形解即各構(gòu)件的相對(duì)位置解，又稱為桿組的裝配模式(Assemblemodes)。平面機(jī)構(gòu)的高副低代二、平面機(jī)構(gòu)的高副低代平面機(jī)構(gòu)的高副低代二、平面機(jī)構(gòu)的高副低代r1r2O1O2O2r2O1高副低代

接觸點(diǎn)處兩高副元素的曲率半徑為有限值

接觸點(diǎn)處兩高副元素之一的曲率半徑為無(wú)窮大高副低代虛擬構(gòu)件虛擬構(gòu)件機(jī)構(gòu)的組成原理

三、機(jī)構(gòu)的組成原理

基本概念

基本機(jī)構(gòu)—僅由一個(gè)基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。

復(fù)合機(jī)構(gòu)—由一個(gè)以上基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。

按基本桿組的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合步驟●按自由度要求設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)桿組；●將基本桿組依次聯(lián)接到原動(dòng)件、機(jī)架上，或者機(jī)架和其它基本桿組的構(gòu)件上，組成機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例－一個(gè)原動(dòng)件

注意桿組的各外接運(yùn)動(dòng)副不能全部聯(lián)接在同一個(gè)構(gòu)件上。A18BC2D3EF45GIH67J

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例－兩個(gè)原動(dòng)件

在進(jìn)行新機(jī)械方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以按設(shè)計(jì)要求由桿組組成機(jī)構(gòu)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。A19B2C5463DEFGHJI87

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

四、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

在對(duì)已有的機(jī)構(gòu)或已設(shè)計(jì)完畢的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析時(shí)，通常需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

意義

基本桿組是組成機(jī)構(gòu)的核心，具有自由度為零和不可再分拆的屬性以及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的確定性。通過(guò)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，可以將類型繁多的各種機(jī)構(gòu)分析問(wèn)題歸納為數(shù)量有限的幾種基本桿組的分析和求解問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的分析。

問(wèn)題核心正確劃分出機(jī)構(gòu)的基本桿組機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析過(guò)程與機(jī)構(gòu)的組成過(guò)程相反。

結(jié)構(gòu)分析步驟

步驟

(1)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，確定原動(dòng)件。

(2)將機(jī)構(gòu)中的高副用低副替代。

(3)從傳動(dòng)關(guān)系上離原動(dòng)件最遠(yuǎn)的構(gòu)件開(kāi)始，依次進(jìn)行試拆。試拆時(shí)，先按II級(jí)組試拆，若無(wú)法拆除，再試拆高一級(jí)別的桿組。

(4)每拆除一個(gè)桿組后，機(jī)構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個(gè)自由度不變的完整機(jī)構(gòu)，直至只剩下驅(qū)動(dòng)桿組。

(5)按所有基本桿組中的最高級(jí)別桿組確定該機(jī)構(gòu)的類別，作為對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析時(shí)，選擇相應(yīng)方法的依據(jù)。結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第一次試拆

以構(gòu)件1為原動(dòng)件BAI2E14365798DHCGJF10結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第一次試拆

以構(gòu)件1為原動(dòng)件BAI2E14365798DHCGJF10結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

錯(cuò)誤！不是III級(jí)組。BA2E1435DCF10I6798HGJF結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

錯(cuò)誤！剩余部分不是完整機(jī)構(gòu)，存在運(yùn)動(dòng)不確定構(gòu)件。BAI2143798DHCJF10GE65FE65F結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

正確！繼續(xù)拆分基本桿組。BA2E143657DHCGF10I98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第二次試拆B(yǎng)A2E143657DHCGF10I98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第二次試拆B(yǎng)A2E143657DHCGF10I98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

錯(cuò)誤！不是III級(jí)組。BA213C10E4657DHGFI98JI98J14結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

正確！繼續(xù)拆分基本桿組。BA2E35DCF1067HGFI98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第三次試拆B(yǎng)A2E1435DCF1067HGFI98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第三次試拆B(yǎng)A2E1435DCF1067HGFI98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

錯(cuò)誤！不是III級(jí)組。A110B2E435DCF67HGFI98JI98J結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

正確！繼續(xù)拆分基本桿組。BA213C1067HGFI98JI98J45DFE結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

第四次試拆67HGFI98JI98JA110B23C45DFE結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

拆桿組完成！67HGFI98JI98JA110B23CII級(jí)機(jī)構(gòu)45DFE結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析例題

以構(gòu)件5為原動(dòng)件第一次試拆B(yǎng)A2E1435DCF67HGF98JI10結(jié)構(gòu)分析例題

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)