第二章 機構的結構分析

第2章機構的結構分析—機構的組成及結構分析2機構的結構分析2機構的結構分析§2-1機構結構分析的內容及目的§2-2機構的組成§2-3機構的運動簡圖§2-4機構具有確定運動的條件§2-5機構自由度的計算§2-6平面機構的組成原理和結構分析目錄1緒論2機構的結構分析[學習目的與要求]機構的組成、運動簡圖畫法及自由度計算機構分析的目的和內容，機構具有確定運動的條件運動副，運動鏈目的與要求

掌握

了解理解1緒論2機構的結構分析研究機構的組成及其運動簡圖的畫法；了解機構具有確定運動的條件；研究機構的組成原理及結構分類§2-1機構結構分析的內容及目的構件–運動的單元零件—制造的單元內燃機連桿各種零件§1-1本課程研究的對象及內容§2-2機構的組成零件：單獨加工的制造單元體構件：機器中每一個獨立運動的單元體稱為一個構件,一個構件可以由一個或多個零件組成?！?-2機構的組成機器機構構件零件1.構件連桿構件2.運動副運動副：兩個構件之間直接接觸所形成的可動連接。兩個相鄰構件直接接觸兩者之間允許一定的相對運動每個構件至少和另外一個構件通過運動副聯接運動副元素：兩構件上參加接觸而構成運動副的表面（點、線、面）。§2-2機構的組成§2-2機構的組成運動副的自由度：構件所具有的獨立運動的數目，或確定構件位置所需的獨立變量的數目自由構件(空間)：Fmax=6自由構件(平面)：Fmax=3約束：運動副對構件獨立運動所加的限制f=6-s其中：f—自由度；S—運動副受的約束數?！?-2機構的組成運動副分類I級副II級副III級副（1）、按照運動副引入的約束數目分類：

分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級副§2-2機構的組成IV級副V級副1V級副2V級副3§2-2機構的組成（2）按照運動副的接觸形式分類：低副(面接觸）、高副（點、線接觸）高副高副低副§2-2機構的組成（3）按照運動副的相對運動形式分類：平面運動副、空間運動副平面副空間副空間副§2-2機構的組成圓柱副螺旋副（4）按照運動副接觸部分的幾何形狀及運動特點：圓柱副、平面與平面副、球面副、螺旋副、球面與平面副等球面副§2-2機構的組成運動副的分類方法總結：（3）按照運動副的相對運動形式分類平面運動副、空間運動副（2）按照運動副的接觸形式分類低副(面接觸）、高副（點、線接觸）（4）按照運動副接觸部分的幾何形狀及運動特點圓柱副、平面與平面副、球面副、螺旋副、球面與平面副等（1）按照運動副引入的約束數目分類n級副n=1,2…5§2-2機構的組成按接觸部分的幾何形狀及運動特點分類：按接觸形式分類：按引入的約束數目分類：按相對運動形式分類：平面運動副低副轉動副五級副R運動副舉例：§2-2機構的組成P按接觸部分的幾何形狀分類：按接觸形式分類：按引入的約束數目分類：按相對運動形式分類：平面運動副低副移動副五級副運動副舉例：§2-2機構的組成按接觸形式分類：按引入的約束數目分類：按相對運動形式分類：按接觸部分的幾何形狀分類：平面運動副高副平面高副四級副運動副舉例：§2-2機構的組成低副機構高副機構運動副舉例：§2-2機構的組成常見運動副符號的表示:國標GB4460/T－1984§2-2機構的組成常用運動副的符號運動副名稱運動副符號兩運動構件構成的運動副轉動副移動副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副122121平面運動副平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運動副1212123.運動鏈構件通過運動副聯接而構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平面運動鏈空間運動鏈按運動分按結構分運動鏈4機構機構：在運動鏈中，如果將某一個構件加以固定，而讓另一個或幾個構件按給定運動規(guī)律相對固定構件運動時，如果運動鏈中其余各活動構件都有確定的相對運動，則此運動鏈稱為機構。機構是具有確定運動的運動鏈?！?-2機構的組成機架原動件從動件在運動鏈中，將某一個構件加以固定，而讓另一個或幾個構件按給定運動規(guī)律相對固定構件運動時，如果運動鏈中其余各構件都有確定的相對運動，則此運動鏈成為機構?！?-2機構的組成1機構運動簡圖定義及用途

用國標規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構件，并按一定比例尺表示機構的運動尺寸，繪制出表示機構的簡明圖形。機構運動簡圖與原機械具有完全相同運動特性?！?-3機構運動簡圖用于現有機械或新機械原理方案的設計、分析與討論重點在于機構的運動分析構件的具體結構、組成方式等在方案設計階段并不影響機構的運動特性運動副類型表明了構件之間的聯接關系和傳動方式構件的運動尺寸是運動分析的基礎不嚴格按比例可繪制機構示意圖§2-3機構運動簡圖國標規(guī)定的構件和運動副的表示符號運動簡圖的繪制方法§2-3機構運動簡圖2構件與運動副的表達方法機架AB機架和活動構件通過轉動副聯接(內副)機架和活動構件通過移動副聯接§2-3機構運動簡圖兩個活動構件聯接§2-3機構運動簡圖雙副構件(一個構件和兩個外副)注：點劃線表示與其聯接的其他構件§2-3機構運動簡圖雙副構件(一個構件和兩個外副)§2-3機構運動簡圖偏心輪AB12BA21§2-3機構運動簡圖三副構件(一個構件和三個外副)§2-3機構運動簡圖三副構件(一個構件和三個外副)§2-3機構運動簡圖§2-3機構運動簡圖§2-3機構運動簡圖一般構件的表示方法桿、軸構件固定構件同一構件§2-3機構運動簡圖三副構件

兩副構件

一般構件的表示方法§2-3機構運動簡圖注意事項:畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質。§2-3機構運動簡圖原動機§2-3機構運動簡圖常用機構運動簡圖符號在機架上的電機齒輪齒條傳動帶傳動圓錐齒輪傳動§2-3機構運動簡圖鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動§2-3機構運動簡圖機構運動簡圖應滿足的條件：

1.構件數目與實際相同2.運動副的性質、數目與實際相符3.運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構成比例。棘輪機構內嚙合圓柱齒輪傳動§2-3機構運動簡圖3運動簡圖的繪制小型壓力機編號原則：注意區(qū)分位置重疊的不同構件和同軸剛性聯接的多個零件。前者分別編號，后者采用一個編號，加`以示區(qū)別。

（1）分析整個機構的工作原理機構組成動作原理和運動情況偏心輪1齒輪1`桿件2齒輪6`桿件3槽凸輪6桿件4滑塊7壓頭8原動件執(zhí)行構件§2-3機構運動簡圖（2）沿著傳動路線，分析相鄰構件之間的相對運動關系，確定運動副的類型和數目。轉動副移動副平面高副§2-3機構運動簡圖（3）選擇適當的視圖平面

選擇原則1清楚表達機構的主體部分；2盡可能反映機構的全面運動；3可以選擇其他視圖平面作為補充?！?-3機構運動簡圖(4)繪圖選擇機架提取構件的運動尺寸確定比例尺選擇機構運動中的一個狀態(tài)確定各運動副位置，繪圖編號：A、B、C…表示運動副

1、2、3…表示構件

O1、O2…表示固定轉軸原動件的運動方向§2-3機構運動簡圖◆運動簡圖的繪制步驟：a.分析整個機構的工作原理b.沿著傳動路線，分析相鄰構件之間的相對運動關系，確定運動副的類型和數目c.選擇適當的視圖平面§2-3機構運動簡圖d.繪圖§2-3機構運動簡圖DCBA1432課堂練習1：繪制圖示鱷式破碎機的運動簡圖?！?-3機構運動簡圖課堂練習2：繪制圖示內燃機的機構運動簡圖?！?-4機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件：機構的原動件數=機構的運動自由度數構件2、3的運動由1完全確定構件2、3、4的運動不能由1完全確定123θ1BCADC’D’1234θ1DCBAE運動鏈具有確定的相對運動機構桁架運動鏈相對運動不確定無相對運動§2-4機構具有確定運動的條件活動構件數

n

平面機構自由度計算公式：

F=3n－(2PL+Ph)構件總自由度低副約束數高副約束數3×n2×PL1

×Ph§2-5機構自由度的計算1.平面機構自由度的計算舉例1）鉸鏈四桿機構F＝3n－(2pL＋ph)=3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機構F＝3n－(2pL＋ph)＝3×4－2×5－0＝23）內燃機機構F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1§2-5機構自由度的計算12345P4=1P5=5n=4F

=3×4–2×5–1=1§2-5機構自由度的計算兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯接，請計算右圖機構的自由度解決方法：若有m個構件在同一處形成復合鉸鏈，則它們構成的轉動副的數目為（m-1)個。這樣所構成的運動副稱為復合鉸鏈1.復合鉸鏈F=3*5-2*6=3F=3*5-2*7=1§2-5機構自由度的計算自由度計算要注意的幾個問題例：§2-5機構自由度的計算特別要注意以下情況：§2-5機構自由度的計算特別要注意以下情況：§2-5機構自由度的計算注意有無焊接：1231212312§2-5機構自由度的計算12312§2-5機構自由度的計算Ex.1:計算如下齒輪連桿機構的自由度.

分析：此機構中，有3個轉動的齒輪(1,2,and3)and2根桿(4and5).§2-5機構自由度的計算C是構件2、4、5組成的復合鉸鏈，D是構件3、5、6組成的復合鉸鏈.F=3n-2PL-Ph=35-26-2=1§2-5機構自由度的計算A是構件1、4焊接的組合體與固定構件組成的單鉸鏈D是構件7、18焊接的組合體與固定構件組成的單鉸鏈F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1§2-5機構自由度的計算解決方案計算機構自由度時，假想滾子和安裝滾子的構件固接為一個整體，成為一個構件或在計算結果中去除局部自由度2.局部自由度某些構件具有的只影響自身局部運動而不影響其它構件運動的自由度，經常發(fā)生在將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的場合?！?-5機構自由度的計算F=3n-2PL-Ph

=33-23-1=2F=3n-2PL-Ph

=32-22-1=1§2-5機構自由度的計算應在計算時去掉虛約束數，或先將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。3.虛約束：在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束?！?-5機構自由度的計算常見的虛約束有以下幾種情況:１）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。帶虛約束的凸輪機構

F

=3×2–(2×2+1)=132–(23+1)=-1§2-5機構自由度的計算帶虛約束的曲軸２）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束?！?-5機構自由度的計算3）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。帶虛約束的行星輪系

F=3n-2PL-Ph

34-26=0

=33-24=1?或者=34–(26+0-1)=1§2-5機構自由度的計算4)當兩構件在多處接觸并構成平面高副，且過各接觸點的公法線方向彼此重合時F=3n-2PL-Ph32-23-2=-2=32-22-1=1§2-5機構自由度的計算

但是，當他們(平面高富）的公法線方向不重合時，必須各自計算其高副數?！?-5機構自由度的計算

F=3n-2PL-Ph

34-26=0

=33-24=1或者=34–(26+0-1)=15）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉動副的附加構件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束?！?-5機構自由度的計算虛約束的本質是什么?從運動的角度看,虛約束就是“重復的約束”或者是“多余的約束”。§2-5機構自由度的計算機構中為什么要使用虛約束?a.使受力狀態(tài)更合理b.使機構平衡c.考慮機構在特殊位置的運動使用虛約束時要注意什么問題?保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設計中使用虛約束時，機械制造的精度要提高。§2-5機構自由度的計算例1：計算大篩機構自由度復合鉸鏈？局部自由度？虛約束？n

=7

Ph=1PL=9F

=3×7-2×9–1=2§2-5機構自由度的計算局部自由度復合鉸鏈虛約束n=8Pl=11Ph=1F=3×8–(2×11+1)=1例2§2-5機構自由度的計算B2I9C3A1J6H87DE4FG5A1B2I9C3J6H87DE4FG5I8

n=8Pl=11F=3×6–(2×7+3)=1例3Ph=1§2-5機構自由度的計算練習：試求以下機構的自由度§2-5機構自由度的計算1）

自由度F>0，且與原動件數相等，則機構各構件間的相對運動是確定的；這就是機構具有確定運動的條件。

2）

自由度F=0：將成為一個珩架系統(tǒng)，但它是靜定的；自由度F=

-1：則將成為一個超靜定的系統(tǒng)（或稱為靜不定系統(tǒng)）；

4）

若Ｆ>0，且多于原動件數，則構件間的運動是不確定的；

5）

若Ｆ>0，且少于原動件數，則構件間運動產生干涉，甚至構件斷裂。1）自由度F>0，且與原動件數相等，則機構各構件間的相對運動是確定的；這就是機構具有確定運動的條件。

2)自由度F=0：將成為一個珩架系統(tǒng)，但它是靜定的；3)自由度F=

-1：則將成為一個超靜定的系統(tǒng)（或稱為靜不定系統(tǒng)）；

4）若Ｆ>0，且多于原動件數，則構件間的運動是不確定的；

5）若Ｆ>0，且少于原動件數，則構件間運動產生干涉，甚至構件斷裂?！?-5機構自由度的計算自由度與機構的狀態(tài)：1.平面機構的組成原理及分類任何機構都可以看作是若干個自由度為零的基本桿組依次聯接到原動機和機架上而構成的，機構的自由度等于原動件的數目，這就是機構的組成原理。構件+運動副運動鏈機構機架原動件若干基本桿組§2-6平面機構的組成原理和結構分析基本桿組：最簡單的不可再拆的自由度為零的構件組，簡稱為桿組。F=0●定義：F=0不可再分的構件組。（1）.桿組（基本桿組,Assurgroup）§2-6機構的組成原理和結構分析●基本桿組的自由度公式：F=3n－2PL－PH=02PL＝3n●對于低副機構：F=3n－2PL=0§2-6機構的組成原理和結構分析●分類①級組(n=2，PL=3)PL＝3n/2(a)RRR(f)PRP(h)PPR(d)RPR(b)RRP§2-6機構的組成原理和結構分析PL＝3n/2②Ⅲ級組(n=4，PL=6)Ⅲ級組基本型Ⅲ級組其它型舉例中心構件§2-6機構的組成原理和結構分析四桿機構機架和原動件Ⅱ級桿組Ⅲ級桿組八桿機構§2-6機構的組成原理和結構分析I級機構II級機構III級機構機構的命名：以機構中所包含的基本桿組的最高級別§2-6機構的組成原理和結構分析原動件不同，機構的級別也有可能不同12345678§2-6機構的組成原理和結構分析機構的組成：在機架和原動件上每增加一個基本桿組，并不改變原來的自由度，每次增加都可以獲得一個新機構；設計新機構時，在滿足相同工作要求的前提下，機構的結構越簡單越好，桿組級別越低越好，運動副數目越少越好。

F=3n-2PL–Ph§2-6機構的組成原理和結構分析2機構的結構分析

機構的結構分析是指把機構分解為基本桿組、原動件和機架，是機構組成的反過程，又稱為拆桿組?！?-6機構的組成原理和結構分析機構的結構分析原則：首先，從遠離原動件的部分開始拆分；試拆時，先試拆低級別桿組；每拆完一個桿組，剩余的部分仍然是一個完整機構?！?-6機構的組成原理和結構分析機構的拆分或組成步驟：§2-6機構的組成原理和結構分析1）機構拆分：①將機架、原動件從機構中拆分出來

→

②剩余部分：自由度為零的桿件組

→③再進一步拆成更簡單的自由度為零的桿件組

→④直至拆成最簡單的自由度為零的桿件組

→⑤基本桿組（或阿蘇爾桿組），簡稱桿組。

2）

組成機構時：

①根據需要確定原動件數→②添加基本桿組（自由度為零）→③再添加基本桿組→④直至組成所需機構（機構的自由度數=原動件數）

3*平面機構的高副低代根據一定的條件對平面機構中的高副虛擬地用低副來替代，這種以低副代替高副的方法稱為高副低代。條件一：代替前后機構的自由度不變§2-6機構的組成原理和結構分析條件二：代替前后機構的瞬時速度和加速度不變兩個高副元素均為圓弧AO1、BO、OO1均保持不變§2-6機構的組成原理和結構分析瞬時替代機構§2-6機構的組成原理和結構分析例：機構的結構分析§2-6機構的組成原理和結構分析§2-6機構的組成原理和結構分析§2-6機構的組成原理和結構分析本章重點小結一、構件+運動副運動鏈機構機架原動件從動件基本桿組三、機構運動簡圖的繪制二、運動鏈成為機構的條件：F>0,原動件數目等于自由度數目平面運動鏈自由度計算方法和注意事項§2-6機構的組成原理和結構分析本章習題及練習§2-6機構的組成原理和結構分析P24，2-11.圖示為一簡易沖床的初擬設計方案。設計者的思路是：動力由齒輪1輸入，使軸A連續(xù)回轉；而固裝在軸A上的凸輪2與杠桿3組成的凸輪機構使沖頭4上下運動，以達到沖壓的目的。試繪出其機構運動簡圖（各尺寸由圖上量取），分析是否能實現設計意圖，并提出修改方案（要求用機構示意圖表示出來）。A12345題2-11圖§2-6機構的組成原理和結構分析A12345題2-11圖解：⑴分析：繪制機構運動簡圖，沿著運動傳遞的路線，根據各個活動構件參與構成運動副的情況（兩構件組成的運動副的類型，取決于兩構件之間的相對運動關系），確定表示各個構件的符號，再將各個構件符號連接起來，就得到機構運動簡圖（或機構示意圖）。構件2構件3構件4§2-6機構的組成原理和結構分析A12345題2-11圖題2-11答圖A1，2345a)A1，2345b)μL=1mm/mm⑵分析：是否能實現設計意圖在機構的結構分析中判斷該方案否能實現設計意圖，應該從以下兩點考慮：①機構自由度是否大于零；②機構原動件的數目是否等于機構自由度的數目。因為機構的自由度為F=3n-(2pL+pH)=3×3-(2×4+1)=0可知，該機構不能運動，不能實現設計意圖?！?-6機構的組成原理和結構分析A12345題2-11圖題2-11答圖A1，2345a)A1，2345b)μL=1mm/mm⑶分析修改方案因為原動件的數目為1，所以修改的思路為：將機構的自由度由0變?yōu)?§2-6機構的組成原理和結構分析因此，修改方案應有2種。方案1：給機構增加1個構件（增加3個獨立運動）和1個低副（增加2個約束），使機構自由度增加1，即由0變?yōu)?。如題2-11答圖c)、d)、e)所示。要使機構自由度=1即F=3n-(2pL+pH)=1方案2：將機構中的1個低副（2個約束）替換為1個高副（1個約束），使機構中的約束數減少1個，從而使機構自由度增加1，即由0變?yōu)?。如題2-11答圖f)所示。§2-6機構的組成原理和結構分析A1，2345e)A1，23454?c)A1，23454?d)A1，2345f)題2-11答圖§2-6機構的組成原理和結構分析P25，2-16.試計算圖示各機構的自由度。圖a、d為齒輪—連桿組合機構；圖b為凸輪—連桿組合機構（圖中在D處為鉸接在一起的兩個滑塊）；圖c為一精壓機機構。并問在圖d所示機構中，齒輪3、5和齒條7與齒輪5的嚙合高副所提供的約束數目是否相同？為什么？題2-16圖ABCD齒輪a)ABCFKDEILJMc)ABCD1234567d)ABCDEFb)§2-6機構的組成原理和結構分析ABCD齒輪a)ABCDEFb)a)分析：