第2章機構的組成和結構分析

第2章機構的組成和結構分析主要內容構件、運動副、運動鏈、機構的概念；機構運動簡圖；機構自由度的計算及機構具有確定運動的條件，計算自由度時的幾個本卷須知；平面機構的組成原理與結構分析。根本要求了解機構的組成，搞清運動副、運動鏈、約束和自由度等根本概念；能繪制常用機構的機構運動簡圖；能計算平面機構的自由度；

理解平面機構的組成原理，能對平面機構進行結構分析。1精選ppt

2.1.1構件機械的獨立運動單元，傳遞運動和力的載體。實例：內燃機中的缸體、活塞、連桿、曲軸等。內燃機連桿2.1機構的組成2精選ppt

一個構件大多由幾個零件剛性連接組成。實例：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連接組成。連桿體連桿蓋螺栓墊圈螺母連桿襯套軸瓦零件是機械的制造單元。3精選ppt2.1.2運動副兩個構件以一定幾何形狀和尺寸的外表相互接觸所形成的可動連接。運動副元素—兩個構件上相互接觸而構成運動副的外表。約束—運動副對構件間的相對運動自由度所施加的限制。(avi)運動副元素4精選ppt機構是由運動副逐一連接各個構件組成的。(avi)(avi)5精選ppt特點具有較多的自由度，易于構件的自動調整，保持靜定特性。接觸應力大，易變形、易磨損、承載能力低。制造比較困難。適用場合結構簡單，運動精度要求較高，受力較小。構件的不同接觸形式點接觸

點接觸，f

5,s

1線接觸，f

4,s

2線接觸6精選ppt面接觸

特點相當于多點接觸，承載能力較高，應用廣泛。運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準確確定，需要較高的制造精度。保證運動副可靠工作的措施●提高外表硬度●正確選用材料●添加潤滑劑●參加中間體,將滑動摩擦改為滾動摩擦7精選ppt運動副的分類●按運動副引入的約束數(shù)分類I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副?！癜催\動副的接觸形式分類面與面接觸的運動副—低副點、線接觸的運動副—高副●按兩構件相對運動的形式分類平面運動副空間運動副●按接觸局部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。8精選ppt柱面高副(avi)

★運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。球面高副(avi)9精選ppt移動副(avi)球面低副(avi)回轉副(avi)★運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。10精選ppt螺旋副(avi)圓柱套筒副(avi)★空間運動副球銷副(avi)11精選ppt

★平面運動副——應用最廣泛。平面運動副的約束數(shù)為1

s

2A.低副移動副(avi)轉動副(avi)齒輪副(avi)凸輪副(avi)B.高副12精選ppt運動副的封閉

保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉?！?/p>

幾何封閉

●

力封閉彈簧力封閉重力封閉幾何封閉13精選ppt常用運動副的符號運動副符號兩運動構件構成的運動副轉動副移動副121212121212212121平面運動副兩構件之一為固定時的運動副121222112211222112運動副名稱14精選ppt平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運動副122112平面運動副2115精選ppt

2.1.3運動鏈

構件通過運動副的連接而構成的相對可動的系統(tǒng)。開式運動鏈(avi)閉式運動鏈(avi)開式運動鏈廣泛應用于機械手和機器人中。16精選ppt2.1.4機構

運動鏈中的某一構件加以固定成為機架，稱此運動鏈為機構。其余構件運動是否確定？機構滿足條件在另一個（或幾個）構件上加上已知運動21341432運動鏈

4132固定一個構件機構(avi)17精選ppt曲柄滑塊機構曲柄搖塊機構轉動導桿機構

運動鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機構的重要手段。運動鏈的設計只關注構件數(shù)和連接這些構件的運動副的數(shù)量和類型，所以又稱為機構的型數(shù)綜合。

同一運動鏈可以生成的不同機構431CAB21423ABC1432ABCAB124318精選ppt至少1個1個

構件的類型原動件—機構中按給定運動規(guī)律運動的構件，也稱為輸入構件。從動件—其余的可動構件。具有預期的運動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構件或執(zhí)行構件。機架—固定不動的構件。機構機架

原動件

從動件系統(tǒng)19精選ppt

根據(jù)機構中各構件的相對運動是否在同一平面或平行平面內，可將機構分為平面機構和空間機構?？臻gRSRC機構球面4R機構空間RSSP機構平面機構是我們的主要研究對象。20精選ppt

2.2.1.機構運動簡圖的定義

機構運動簡圖是從運動學角度出發(fā)，將實際機械中與運動無關的因素加以抽象和簡化后，得到的反映實際機械的運動特性和運動傳遞關系的圖形。機構運動簡圖應滿足的條件：

⑴構件數(shù)目與實際機構相同；⑵運動副的性質、數(shù)目與實際機構相符；⑶運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構成比例。

機構示意圖為不嚴格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的結構特征。2.2機構運動簡圖21精選ppt構件的表示方法

桿、軸構件固定構件同一構件22精選ppt三副構件

兩副構件

構件的表示方法23精選ppt

畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質。24精選ppt常用機構運動簡圖符號〔摘自GB/T4460-1984〕在機架上的電機齒輪齒條傳動圓錐齒輪傳動帶傳動25精選ppt鏈傳動圓柱桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動常用機構運動簡圖符號〔續(xù)〕26精選ppt常用機構運動簡圖符號〔續(xù)〕內嚙合圓柱齒輪傳動棘輪機構27精選ppt2.2.2繪制機構運動簡圖的步驟1.分析機構的運動路線在繪制機構運動簡圖時，首先確定機構的原動件和執(zhí)行件，兩者之間為傳動部份，由此確定出組成機構的所有構件；構件之間的是連接，即運動副，從而確定構件間運動副的類型。2.選擇適宜的投影面一般選擇與多數(shù)構件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同局部選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上。3.保證運動副之間的相對位置——準確性選擇適當?shù)谋壤撸鶕?jù)機構的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，然后用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構件上的運動副符號用簡單線條連接起來——機構的運動簡圖。28精選ppt繪制破碎機機構的運動簡圖選取比例尺μl

(avi)29精選ppt試繪制該機構運動簡圖(avi)30精選ppt1.機構的自由度計算機構的自由度—機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)〔廣義坐標〕的數(shù)目。

2.3機構自由度的計算空間運動31精選ppt

平面機構，其自由度計算公式為：空間機構自由度：構件總自由度6nI級副約束數(shù)p1II級副約束數(shù)2p2III級副約束數(shù)3p3IV級副約束數(shù)4p4V級副約束數(shù)5p5考察由N個構件組成的機構，活動構件數(shù)

n=N-1。32精選ppt機構自由度計算舉例例1縫紉機腳踏板機構自由度計算例2

曲柄滑塊機構自由度計算分析：n

3，p5

2，p4

1，p3

1計算：F

6

3

(3

1

4

1

5

2)

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構件間的相對位置關系就確定了。

分析：n

3，pL

4，pH

0計算：F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構件間的相對位置關系就確定了。

曲柄滑塊機構1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板機構33精選ppt

2.

機構具有確定運動的條件機構能否具有確定的運動，是提出新的設計方案時，自行評價方案可行性的關鍵步驟。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

5

1約束過多，成為超靜定桁架，不能運動。

F

3n

2pL

pH

3

2

2

3

0為一剛性桁架，不能運動。

機構具有確定運動的首要條件：機構自由度必須大于零。AB12C3平面三構件機構1243ADBCE平面四構件機構34精選ppt

在F

0的條件下，進一步判斷機構是否具有確定的運動。

平面五桿機構

F

3n

2pL

pH

3

4

2

5

2原動件數(shù)

F,機構內部的運動關系不確定。機構沒有確定運動。

原動件數(shù)

F,機構內部各構件運動關系確定。

機構有確定運動。35精選ppt

平面四桿機構

F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1原動件數(shù)

F，機構內部的運動關系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構件將會損壞。機構沒有確定運動。

原動件數(shù)

F，機構內部各構件運動關系確定。

機構有確定運動。36精選ppt

機構具有確定運動的條件是：機構的原動件的數(shù)目等于機構的自由度的數(shù)目。

當機構不滿足這個條件時：〔1〕如果機構的原動件數(shù)小于機構的自由度數(shù)，機構的運動不確定；〔2〕如果原動件數(shù)大于機構的自由度數(shù)，將導致機構最薄弱環(huán)節(jié)損壞。

結論37精選ppt

3.計算機構自由度時應注意的問題

舉例直線機構自由度計算

解

n

7，pL

6，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

6

9錯誤的結果！12345678ABCDEF(avi)38精選ppt

計算錯誤的原因：12345678ABCDEF兩個轉動副(avi)(avi)39精選ppt

●復合鉸鏈

定義：兩個以上的構件在同一處以轉動副連接所構成的運動副。k個構件組成的復合鉸鏈，有(k-1)個轉動副。

12345678ABCDEF

正確計算

B、C、D、E處為復合鉸鏈，轉動副數(shù)均為2。

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

140精選ppt

準確識別復合鉸鏈舉例關鍵：分辨清楚哪幾個構件在同一處形成了轉動副1231342123441321432312兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副41精選ppt

未考慮局部自由度時的機構自由度計算。F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2●局部自由度

定義：機構中某些構件所具有的僅與其自身的局部運動有關、并不影響其他構件運動的自由度。

考慮局部自由度時的機構自由度計算。

設想將滾子與從動件焊成一體F

3

2

2

2

1

1計算時減去局部自由度FP

F

3

3

2

3

1

1(局部自由度)

1(avi)42精選ppt●虛約束定義：機構中不起獨立限制作用的重復約束。(avi)(avi)43精選pptF=3n-2pL=3x4-2x6=0???CB311DMN245AF=3n-2pL=3x3-2x4=131DC24BA(avi)(avi)計算具有虛約束的機構的自由度時，應先將機構中引入虛約束的運動副或運動鏈局部除去。44精選ppt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，那么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EE'(avi)45精選ppt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，那么只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。(avi)46精選ppt3)如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此時假設用具有兩個轉動副的附加構件來連接這兩個點，那么將會引入一個虛約束。F=3n-2p-p=3*4-2*6=0???帶虛約束的桿機構(avi)47精選ppt4)機構中對運動起重復限制作用的對稱局部也往往會引入虛約束。帶虛約束的行星輪系2'2"231(avi)48精選ppt

虛約束的作用⑴改善構件的受力情況，分擔載荷或平衡慣性力，如多個行星輪。⑵增加結構剛度，如曲軸與軸承、機床導軌。⑶提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性，如機車車輪聯(lián)動機構。注意：機構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，那么虛約束將變成實際有效的約束，從而使機構不能運動。49精選pptB2I9C3A1J6H87DE4FG5例3計算包裝機送紙機構的自由度

分析活動構件數(shù)A1B2C3J6G5H89IFn

9復合鉸鏈虛約束運動副D1處

去掉局部自由度和虛約束局部自由度n

6，pL

7，pH

3滾子3、8繞自身軸線的轉動7ED42個轉動副桿9和運動副F、I引入一個虛約束F

3n

2pL

pH

3

6

2

7

1

3

150精選ppt2.4平面機構的組成原理與結構分析2.4.1.平面機構的組成原理——根本桿組法根本思路驅動桿組根本桿組

機構由原動件和機架組成，自由度等于機構自由度不可再分的自由度為零的構件組合核心問題：如何獲得各種F0的根本桿組？51精選ppt機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。機架原動件從動件組52精選ppt從動件組當把該機構的機架和原動件拆去后，那么余下的從動件組為：這個從動件組的自由度為零，即：n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=0這個從動件組還可以分解成假設干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。53精選ppt分解？？還能進一步分解嗎？？？還能進一步分解嗎？n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=054精選ppt這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。通常把這樣的從動件組稱為：根本桿組根本桿組的概念非常重要，它是機構分析的重要的理論根底。機構的組成原理：任何機構都可以看作是由假設干個根本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的。55精選ppt如果根本桿組的運動副全為低副，那么根本桿組自由度的計算公式為：

由于活動構件數(shù)n和低副數(shù)Pl都必須是整數(shù)，所以n應是2的倍數(shù)，Pl應是3的倍數(shù)。也就是說，在一個根本桿組中，其構件數(shù)和低副數(shù)有以下關系：n=2,Pl=3n=4,Pl=6n=6,Pl=9F=3n-2Pl=0n=2Pl/3

2.4.2平面機構的結構分類

56精選ppt

⑴n

2，pL

3的雙桿組(II級組)內接運動副外接運動副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組57精選ppt⑵n

4，pL

6的多桿組①III級組

結構特點有一個三副構件，而每個內副所連接的分支構件是兩副構件。58精選ppt②IV級組

不同級別的桿組，其構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成的機構可能實現(xiàn)的運動規(guī)律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。常用II級組和III級組結構特點具有兩個三副構件，桿組的四個內副形成四邊形。59精選ppt例：牛頭刨床主機構的組成原理牛頭刨床主機構3C245BADE163C245BADE16a)3C2BA1645DEb)(avi)60精選ppt2.4.3平面機構的結構分析在對已有的機構或已設計完畢的機構進行運動分析和力分析時，通常需要對機構進行結構分析。問題核心正確劃分出機構組成的根本桿組

步驟⑴計算機構的自由度，確定原動件。⑵從傳動關系上離原動件最遠的輸出構件開始，依次進行試拆。試拆時，先按II級組試拆，假設無法撤除，再試拆高一級別的桿組。⑶按所有根本桿組中的最高級別桿組確定該機構的類別，作為對機構進行運動分析和受力分析時，選擇相應方法的依據(jù)。61精選ppt

機構結構分析舉例EF45GIH67J

BC2D3A1871245683GEFJIHABCD

機構級別III級機構III級組II級組62精選ppt5IH7G

BC2A1

機構級別II級機構注意機構的級別與原動件的選擇有關。71245683GEF