機(jī)械設(shè)計(jì)課件2

機(jī)械設(shè)計(jì)課件2第一頁，共53頁?！?-1運(yùn)動副及其分類

三、運(yùn)動副的類型：低副高副1、按運(yùn)動副元素接觸形式兩構(gòu)件通過面接觸組成的運(yùn)動副兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動副2、按運(yùn)動副能產(chǎn)生相對運(yùn)動形式分低副空間運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副移動副螺旋副球面副第二頁，共53頁?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖動畫第三頁，共53頁。§1-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

按一定的比例尺，用規(guī)定的運(yùn)動副及構(gòu)件符號來表示機(jī)構(gòu)各運(yùn)動副及構(gòu)件之間的位置關(guān)系、各構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系的簡化圖形。從定義可以看出：繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的關(guān)鍵是正確表示各運(yùn)動副和構(gòu)件之間的位置關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系。第四頁，共53頁。二、繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的目的：機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖與真實(shí)機(jī)構(gòu)具有完全相同的運(yùn)動特性，主要用于簡明地表達(dá)機(jī)構(gòu)的傳動原理，主要用于設(shè)計(jì)初期的方案對比，對機(jī)構(gòu)上有關(guān)點(diǎn)的位移、速度和加速度分析求解，以對所要設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)有清晰的認(rèn)識，做到心中有數(shù)、胸有成竹。

三、運(yùn)動副的表示方法機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中運(yùn)動副的表示方法如下圖所示?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第五頁，共53頁。需要注意的是：移動副的導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。表示機(jī)架的構(gòu)件需畫上陰影線。用簡圖表示高副時(shí)，應(yīng)將兩構(gòu)件接觸處的幾何形狀繪出?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第六頁，共53頁。四、構(gòu)件的表示方法§1-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖其它常用構(gòu)件的表示方法可以查閱國家標(biāo)準(zhǔn)GB4460-84中“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號”。第七頁，共53頁。⑴機(jī)架(固定構(gòu)件)：是用來支承活動構(gòu)件的構(gòu)件。

⑵主動件(原動件)，又稱為輸入構(gòu)件：是運(yùn)動規(guī)律已知的活動構(gòu)件。它的運(yùn)動是由外界輸入的。⑶從動件：是機(jī)構(gòu)中隨著原動件的運(yùn)動而運(yùn)動的其余活動構(gòu)件。相對于機(jī)架有確定的相對運(yùn)動?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖構(gòu)件的分類第八頁，共53頁。五、繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的方法及步驟選定比例尺，要恰當(dāng)；選定投影面，投影面要易于表達(dá)機(jī)構(gòu)各運(yùn)動副和構(gòu)件之間的位置關(guān)系。根據(jù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，確定各運(yùn)動副位置及類型，用規(guī)定的符號表示，并用字母標(biāo)記。分清機(jī)架、主動件和從動件，按規(guī)定符號表示，機(jī)架添加陰影線?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第九頁，共53頁。例繪制如圖所示的顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第十頁，共53頁。例繪制如圖所示游梁抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖ABCD1234第十一頁，共53頁?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖動畫第十二頁，共53頁?！?-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖動畫第十三頁，共53頁。一、基本概念自由度：相對于參考坐標(biāo)系，構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度?；蛘哒f：自由度指的是描述運(yùn)動的獨(dú)立參數(shù)。約束：對構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動所加的限制稱為約束。約束是由運(yùn)動副提供的。機(jī)構(gòu)的自由度：在指定的參考坐標(biāo)系內(nèi)機(jī)構(gòu)所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)目。我們重點(diǎn)討論平面機(jī)構(gòu)的自由度問題?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）第十四頁，共53頁?？臻g的運(yùn)動：在三維空間內(nèi)自由運(yùn)動的構(gòu)件具有六個(gè)自由度，即沿三個(gè)坐標(biāo)軸的移動和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動.二、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式xzy§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）第十五頁，共53頁。§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）平面運(yùn)動：作平面運(yùn)動的構(gòu)件則只有三個(gè)自由度，即沿x軸和y軸的移動及在xOy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。這三個(gè)自由度可以用三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)x、y和角度θ表示。下面，只就作平面運(yùn)動的構(gòu)件進(jìn)行分析。動畫第十六頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）運(yùn)動副的作用：是約束構(gòu)件間的某些運(yùn)動，而保留另外一些運(yùn)動。一個(gè)運(yùn)動副至少引入一個(gè)約束，也至少保留一個(gè)自由度。轉(zhuǎn)動副：沿軸向和垂直于軸向的移動均受到約束，它只能繞其軸線作轉(zhuǎn)動。所以，平面運(yùn)動的一個(gè)轉(zhuǎn)動副引入兩個(gè)約束，保留一個(gè)自由度。第十七頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）移動副：限制了構(gòu)件一個(gè)移動和繞平面的軸轉(zhuǎn)動，保留了沿移動副方向的相對移動，所以平面運(yùn)動的一個(gè)移動副也引入兩個(gè)約束，保留一個(gè)自由度。第十八頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）一個(gè)平面高副引入一個(gè)約束，保留兩個(gè)自由度。動畫第十九頁，共53頁。綜上所述，平面機(jī)構(gòu)中，每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，使構(gòu)件失去兩個(gè)自由度；每個(gè)高副引入一個(gè)約束，使構(gòu)件失去一個(gè)自由度?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）第二十頁，共53頁。4、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式由前面的分析可知，在機(jī)構(gòu)中，若共有K個(gè)構(gòu)件，除去機(jī)架外，其活動構(gòu)件數(shù)為n=K-1。顯然，這些活動構(gòu)件在未組成運(yùn)動副之前，其自由度總數(shù)為3n，當(dāng)它們用PL個(gè)低副和PH個(gè)高副連接組成機(jī)構(gòu)后，因?yàn)槊總€(gè)低副引入兩個(gè)約束，每個(gè)高副引入一個(gè)約束，所以，總共引入(2PL+PH)個(gè)約束。故整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為活動構(gòu)件的自由度總數(shù)與全部運(yùn)動副引入的約束總數(shù)之差，用F表示，即

F=3n-2PL-PH

由上式可知：機(jī)構(gòu)自由度F取決于活動構(gòu)件的件數(shù)與運(yùn)動副的性質(zhì)（高副或低副）和個(gè)數(shù)?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）第二十一頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）5、例1：計(jì)算如下機(jī)構(gòu)的自由度分析：這是一對心尖頂凸輪機(jī)構(gòu)，可動件數(shù)目為2，低副2個(gè)，高副1個(gè)，所以其自由度為：

F=3n-2PL-2PH=3×2-2×2-1＝1機(jī)構(gòu)圖機(jī)構(gòu)簡圖第二十二頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）例2：計(jì)算如下機(jī)構(gòu)的自由度分析：這是一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，可動件4個(gè)，低副5個(gè)，沒有高副，其自由度為：

F=3n-2PL-2PH=3×4-2×5-0＝2第二十三頁，共53頁。三、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件如圖所示為五構(gòu)件運(yùn)動鏈。若給定一個(gè)原動件(構(gòu)件1)的角位移規(guī)律為φ1=φ1(t)，此時(shí)構(gòu)件2、3、4的運(yùn)動并不能確定?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）說明:當(dāng)原動件數(shù)少于機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，其運(yùn)動是不確定的。只有給出兩個(gè)原動件，使構(gòu)件1、4都處于給定位置，才能使從動件獲得確定運(yùn)動。第二十四頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）又如圖所示四構(gòu)件機(jī)構(gòu)，其自由度為：F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1設(shè)構(gòu)件1為原動件，φ1為其獨(dú)立轉(zhuǎn)動的參變量，那么每給定一個(gè)的值φ1，構(gòu)件2、3便隨之有一個(gè)確定的相對位置。說明該機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動。若在該機(jī)構(gòu)中同時(shí)給定構(gòu)件1和構(gòu)件3作為原動件(下圖)，這時(shí)構(gòu)件2勢必既要處于由原動件1的參變量φ1所決定的位置，又要隨構(gòu)件3的獨(dú)立運(yùn)動規(guī)律而運(yùn)動，顯然是不可能的。說明：當(dāng)原動件數(shù)多于機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。第二十五頁，共53頁。再如右圖所示靜定桁架(上)和超靜定桁架(下)，他們能動嗎？各自自由度是多少？注意：一般情況下，桁架在機(jī)構(gòu)分析中作為一個(gè)構(gòu)件(結(jié)構(gòu)體)來對待。

1234§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）不難看出，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件與機(jī)構(gòu)的自由度和原動件的數(shù)目有關(guān)第二十六頁，共53頁。F≤0，構(gòu)件間無相對運(yùn)動，不成為機(jī)構(gòu)。綜上所述可知，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是：機(jī)構(gòu)的自由度F>0且等于原動件數(shù)。F>0,原動件數(shù)=F，運(yùn)動確定原動件數(shù)<F，運(yùn)動不確定原動件數(shù)>F，機(jī)構(gòu)破壞由以上分析可知：§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）第二十七頁，共53頁。四、計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）F=3n－2PL－PH=3×8－2×11－1=1或F=3n－2PL－PH=3×8－2×10－1=3先看例子：按照之前的算法下圖機(jī)構(gòu)的自由度為為什么？第二十八頁，共53頁。復(fù)合鉸鏈：兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處用轉(zhuǎn)動副相連接，該處則構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。復(fù)合鉸鏈處的運(yùn)動副數(shù)目為：K－1（K為構(gòu)成復(fù)合鉸鏈的構(gòu)件數(shù)目）?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）復(fù)合鉸鏈第二十九頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）局部自由度：機(jī)構(gòu)中與輸出構(gòu)件的運(yùn)動無關(guān)的自由度稱為局部自由度（或稱多余自由度），計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)減去。一般在高副接觸處，若有滾子存在，則滾子繞自身軸線轉(zhuǎn)動的自由度屬于局部自由度，采用滾子結(jié)構(gòu)的目的在于將高副間的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，以減輕摩擦和磨損。局部自由度第三十頁，共53頁。§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）虛約束：對機(jī)構(gòu)起重復(fù)約束作用的約束稱為虛約束或消極約束，計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉構(gòu)成虛約束的構(gòu)件及運(yùn)動副。出現(xiàn)虛約束的幾種情況（補(bǔ)充）：兩構(gòu)件間形成多個(gè)軸線重合的轉(zhuǎn)動副，軸與軸承在同一軸線上形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動副；兩構(gòu)件形成多個(gè)導(dǎo)路平行的移動副。第三十一頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件未聯(lián)接前的聯(lián)接點(diǎn)軌跡重合,則該聯(lián)接引入1個(gè)虛約束。第三十二頁，共53頁。§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）若兩構(gòu)件在多處相接觸構(gòu)成平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線重合,則只能算一個(gè)平面高副。若公法線方向不重合，將提供各2個(gè)約束。有兩處處為虛約束此兩種情況沒有虛約束虛約束虛約束第三十三頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）對機(jī)構(gòu)運(yùn)動不起作用的對稱部分引入虛約束。機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在某些特定的幾何條件下產(chǎn)生的。如果不滿足這些幾何條件，虛約束將變成實(shí)際的有效約束，從而使機(jī)構(gòu)的自由度減少。從保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和便于加工裝配等方面考慮，應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)中的虛約束。但為了改善受力情況、增加機(jī)構(gòu)剛度或保證機(jī)械運(yùn)動的順利進(jìn)行，虛約束往往又是不可缺少的。第三十四頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）現(xiàn)在看剛才的例子：復(fù)合鉸鏈局部自由度虛約束F=3n－2PL－PH

=3×7－2×9－1=2第三十五頁，共53頁?！?-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）總結(jié)自由度的計(jì)算及其注意事項(xiàng)25字口訣：標(biāo)出復(fù)局虛，注意要加減，數(shù)清可動件，弄清高低副，列出計(jì)算式。第三十六頁，共53頁。F=3n－2PL－PH=3×9－2×12－2=1§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）解：幾種特殊情況如圖上所示，可動件個(gè)數(shù)為9，低副12個(gè)，高副2個(gè)例1：復(fù)合鉸鏈局部自由度兩者之一為虛約束五、典型例題解析：第三十七頁，共53頁。F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=1§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）分析：例2：動畫第三十八頁，共53頁。F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1§1-3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）分析：例3：動畫第三十九頁，共53頁?！?-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用

一、速度瞬心及其求法1.速度瞬心(瞬心)的概念速度瞬心(瞬心)——在每一瞬時(shí),在平面上運(yùn)動的剛體都唯一存在速度為零的點(diǎn)，此點(diǎn)稱為瞬時(shí)速度中心，簡稱瞬心

。第四十頁，共53頁。實(shí)際上瞬心是這兩個(gè)剛體瞬時(shí)相對速度為零的重合點(diǎn)，即絕對速度相等的重合點(diǎn)。如果兩構(gòu)件都是運(yùn)動的，其瞬心稱為相對瞬心。如果兩構(gòu)件中有一個(gè)是靜止的，其瞬心稱為絕對瞬心。

2.機(jī)構(gòu)瞬心的數(shù)目由于作相對運(yùn)動的任意兩個(gè)構(gòu)件都有一個(gè)瞬心，如果一個(gè)機(jī)構(gòu)中含有K個(gè)構(gòu)件，則其瞬心數(shù)目N為§1-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用第四十一頁，共53頁。3.瞬心的求法直接接觸構(gòu)件的速度瞬心（P15上面一段話及圖1-19）§1-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用第四十二頁，共53頁。不直接接觸的構(gòu)件的速度瞬心：三心定理——作平面相對運(yùn)動的三個(gè)構(gòu)件共有三個(gè)瞬心，它們位于同一直線上。（證明見書P15，反證法）§1-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用2143P12P14P34P23P24P13第四十三頁，共53頁?！?-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用再看例子：標(biāo)出下圖所示機(jī)構(gòu)所有的瞬心。MVm1234P12P14P23P13P34∞P24第四十四頁，共53頁?！?-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用二、瞬心在速度分析上的應(yīng)用

利用瞬心進(jìn)行速度分析，可求出兩構(gòu)件的角速度之比，構(gòu)件的角速度及構(gòu)件上某點(diǎn)的線速度。1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)如圖所示，P24為構(gòu)件4和構(gòu)件2的等速重合點(diǎn)，而構(gòu)件4和構(gòu)件2分別繞絕對瞬心P14和P12轉(zhuǎn)動，因此有2143P12P14P34P23P24第四十五頁，共53頁。上式表明：作平面相對運(yùn)動的兩構(gòu)件，在已知兩構(gòu)件絕對瞬心的情況下，只要定出相對瞬心位置，就可求出二者的角速度比。即角速度比等于二構(gòu)件的相對瞬心至其絕對瞬心之距離的反比。如果P24在P14和P12的同一側(cè)，則ω2和ω4方向相同。如果P24在P14和P12之間，則ω2和ω4方向相反。如再知一構(gòu)件的角速度，可求出另一構(gòu)件的角速度大小和方向?！?-4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析上的應(yīng)用第四十六頁，共53頁。2.齒輪或擺動從動件凸輪機(jī)構(gòu)如圖所示為相嚙合的兩齒輪，可以利用相對瞬