第4章 常用機構(gòu)

常用機構(gòu)第四章機構(gòu)是怎樣組成的？運動單元：構(gòu)件連接：運動副運動單元+連接運動鏈運動鏈+機架機構(gòu)第一節(jié)機構(gòu)運動簡圖及自由度計算一、機構(gòu)的組成1.構(gòu)件機械是機器和機構(gòu)的總稱，機器是由機構(gòu)和零件組成的，機構(gòu)是機器運動的基本組成部分，零件是機器制造的基本組成部分。從加工制造角度來看，任何機器（或機構(gòu)）都是由許多獨立制造單元體組合而成零件，這些獨立制造單元體稱為零件。氣缸體連桿曲軸齒輪活塞從運動角度來看，任何機器（或機構(gòu)）都是由許多獨立運動單元體組合而成的，這些獨立運動單元體稱為構(gòu)件。

構(gòu)件是機器的運動單元。構(gòu)件可以是一個零件；也可以是由一個以上的零件組成。圖示內(nèi)燃機中的連桿就是由單獨加工的連桿體、連桿頭、軸瓦、螺桿、螺母、軸套等零件組成的。這些零件分別加工制造，但是當(dāng)它們裝配成連桿后則作為一個整體運動，相互之間不產(chǎn)生相對運動。運動副元素是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的表面。

運動副是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動聯(lián)接；2.運動副機構(gòu)中各個構(gòu)件之間必須有確定的相對運動，因此，構(gòu)件的連接既要使兩個構(gòu)件直接接觸，又能產(chǎn)生一定的相對運動，這種直接接觸的活動連接稱為運動副。轉(zhuǎn)動副移動副齒輪副1）運動副定義3）按其相對運動形式分轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副2）按其接觸形式分高副：點線接觸的運動副低副：面接觸的運動副2)運動副的分類1）按兩個構(gòu)件運動關(guān)系分為平面運動副和空間運動副平面運動副空間運動副低副：面接觸的運動副（回轉(zhuǎn)副、移動副）高副:點、線接觸的運動副

3)運動副的表示（之一）轉(zhuǎn)動副：移動副：凸輪副：齒輪副：3.運動鏈構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而構(gòu)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(jié)構(gòu)分運動鏈運動鏈成為機構(gòu)的條件：將運動鏈的一個構(gòu)件固定，當(dāng)它的一個或幾個構(gòu)件作獨立運動時，其余構(gòu)件隨之作確定的運動，這種運動鏈便成為機構(gòu)。顯然，不能運動或無規(guī)則亂動的運動鏈都不能成為機構(gòu)。4.機構(gòu)不能產(chǎn)生運動

給定構(gòu)件1運動參數(shù)=(t)

構(gòu)件2、3的運動是確定的

但當(dāng)機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的。

——按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件；機架原動件從動件——機構(gòu)中的固定構(gòu)件；

——機構(gòu)中其余活動構(gòu)件。機構(gòu)常分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)兩類，其中平面機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。一般機架相對地面固定不動，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的尺寸。平面鉸鏈四桿機構(gòu)機架原動件從動件機構(gòu)的組成二、機構(gòu)運動簡圖1.常用平面運動副符號2.一般構(gòu)件的表示方法3.常用機構(gòu)運動簡圖符號4.機構(gòu)運動簡圖按一定比例繪制的表示機構(gòu)運動情況的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖5.繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟1、搞清機械的實際構(gòu)造、動作原理和運動情況，確定原動件、機架、傳動部件和執(zhí)行部件。2、沿運動傳遞路線，逐一分析每兩個構(gòu)件之間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目。3、恰當(dāng)選擇運動簡圖的視圖平面，通常選擇機械中多數(shù)構(gòu)件的運動平面為視圖平面。

4、選擇恰當(dāng)?shù)淖鲌D比例尺。5、確定各運動副的相對位置，用各運動副的代表符號、常用機構(gòu)運動簡圖符號和簡單線條，繪制機構(gòu)運動簡圖。6、在原動件上標(biāo)出箭頭以表示其運動方向。1234A32414繪制機構(gòu)運動簡圖實例1試?yán)L制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖繪制機構(gòu)運動簡圖實例2氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10

1）分析運動，確定構(gòu)件的類型和數(shù)量

2）確定運動副的類型和數(shù)目

3）選擇視圖平面

4）選取比例尺，根據(jù)機構(gòu)運動尺寸，定出各運動副間的相對位置

5）畫出各運動副和機構(gòu)符號，并表示出各構(gòu)件分析:1.曲柄滑塊機構(gòu)

(1)氣缸體與機架固聯(lián),是固定件;活塞在燃?xì)馔苿酉逻\動,是原動件.(2)活塞與氣缸體組成移動副;活塞與連桿,連桿與曲(柄)軸,曲軸與機架都組成回轉(zhuǎn)副上述構(gòu)件是按照氣缸體——活塞——連桿——曲柄——氣缸體的順序聯(lián)接,獨立形成一個封閉的構(gòu)件組合,因此它形成一個獨立的機構(gòu).內(nèi)燃機是由

1)活塞,連桿,曲柄與氣缸體組成曲柄滑塊機構(gòu);2)齒輪10,9與氣缸體組成齒輪機構(gòu);3)凸輪7,進氣閥頂桿8與氣缸體組成凸輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)齒輪10與曲軸6固聯(lián),它的運動由曲軸決定,所以它是原動件.

齒輪10,9與氣缸體之間的相對運動都是轉(zhuǎn)動,都組成回轉(zhuǎn)副;齒輪10,9之間的輪齒嚙合是線接觸,組成高副,從而獨立形成另一封閉的構(gòu)件組合,即齒輪機構(gòu).凸輪機構(gòu)凸輪7與齒輪9固聯(lián),它的運動由齒輪9決定,所以它是原動件.

凸輪7與氣缸體4組成回轉(zhuǎn)副,又與進氣閥頂桿8組成高副,氣閥頂桿8與氣缸體組成移動副,獨立形成另一封閉的構(gòu)件組合,即凸輪機構(gòu).一、平面機構(gòu)自由度的計算二、機構(gòu)具有確定運動的條件三、幾種特殊結(jié)構(gòu)的處理復(fù)合鉸鏈局部自由度虛約束四、小結(jié)三平面機構(gòu)的自由度一、平面機構(gòu)自由度的計算1、平面運動構(gòu)件的自由度(構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動)2、平面運動副引入的約束R(對獨立的運動所加的限制)xyＯ21與其它構(gòu)件未連之前：3用運動副與其它構(gòu)件連接后,運動副引入約束,原自由度減少xyoxyottnnR=2R=2R=1結(jié)論：平面低副引入2個約束平面高副引入1個約束3、平面機構(gòu)自由度計算公式如果：活動構(gòu)件數(shù)：n

低副數(shù)：pl

高副數(shù)：phxyＯ21未連接前總自由度：3n連接后引入的總約束數(shù)：2pl+phF=3n-(2pl+ph)機構(gòu)自由度F：F=3n-2pl-ph機構(gòu)自由度舉例：1234F=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

112345F=3n－2pl－ph

=3

－2

－450=

2F=3n－2pl－ph

=3

－2

－221=1BCAF=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

1F=3n－2pl－ph

=3

－2

－451=

1F=3n－2pl－ph

=3

4－2

5－0=2

F=3n－2pl－ph

=3

3－2

5－0=-1

F=3n－2pl－ph

=3

2－2

3－0=0

二、機構(gòu)具有確定運動的條件F=0,剛性桁架，構(gòu)件之間無相對運動原動件數(shù)小于F,各構(gòu)件無確定的相對運動原動件數(shù)大于F,在機構(gòu)的薄弱處遭到破壞結(jié)論：機構(gòu)具有確定運動的條件：1機構(gòu)自由度>02原動件數(shù)＝機構(gòu)自由度數(shù)BCABCADEAEBCDm個構(gòu)件(m>2)在同一處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副m-1個低副1、復(fù)合鉸鏈412356F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－560＝

3F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－570＝

1412356②錯對—計算在內(nèi)5232351m個構(gòu)件,m-1個鉸鏈三、幾種特殊結(jié)構(gòu)的處理F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－331＝

2F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－221＝

1錯對—排除2、局部自由度定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的獨立的局部運動,不影響機構(gòu)輸出運動的自由度局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子、軸承中的滾珠解決的方法：計算機構(gòu)自由度時，設(shè)想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視作一個構(gòu)件動畫不影響機構(gòu)運動傳遞的重復(fù)約束在特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的運動副叫虛約束虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合處理方法：計算自由度時，將虛約束（或虛約束構(gòu)件及其所帶入的運動副）去掉結(jié)論F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－123F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－231＝-1錯221＝1對—排除之一為虛約束3、虛約束虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合A兩構(gòu)件之間構(gòu)成多個運動副時B兩構(gòu)件某兩點之間的距離在運動過程中始終保持不變時C聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合時D機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分A兩構(gòu)件之間構(gòu)成多個運動副時兩構(gòu)件組合成多個轉(zhuǎn)動副，且其軸線重合兩構(gòu)件組合成多個移動副，其導(dǎo)路平行或重合兩構(gòu)件組合成若干個高副，但接觸點之間的距離為常數(shù)123123目的：為了改善構(gòu)件的受力情況F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－221＝1動畫B兩構(gòu)件某兩點之間的距離在運動中保持不變時在這兩個例子中，加與不加紅色構(gòu)件AB效果完全一樣，為虛約束計算時應(yīng)將構(gòu)件AB及其引入的約束去掉來計算412351234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－460＝

0BA錯對＝

1F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1C兩構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合在該機構(gòu)中，構(gòu)件2上的C點C2與構(gòu)件3上的C點C3軌跡重合，為虛約束計算時應(yīng)將構(gòu)件3及其引入的約束去掉來計算同理，也可將構(gòu)件4當(dāng)作虛約束，將構(gòu)件4及其引入的約束去掉來計算，效果完全一樣BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1D機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分在該機構(gòu)中，齒輪3是齒輪2的對稱部分，為虛約束計算時應(yīng)將齒輪3及其引入的約束去掉來計算同理，將齒輪2當(dāng)作虛約束去掉，完全一樣目的：為了改善構(gòu)件的受力情況F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－332＝112345動畫虛約束——結(jié)論機構(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，則虛約束將變成有效約束，而使機構(gòu)不能運動采用虛約束是為了:改善構(gòu)件的受力情況；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要在設(shè)計機械時，若為了某種需要而必須使用虛約束時，則必須嚴(yán)格保證設(shè)計、加工、裝配的精度，以滿足虛約束所需要的幾何條件123四、自由度計算小結(jié)自由度計算公式:F＝3n－2pl－ph機構(gòu)自由度＝3×活動構(gòu)件數(shù)－(2×低副數(shù)+1×高副數(shù))計算步驟:確定活動構(gòu)件數(shù)目確定運動副種類和數(shù)目確定特殊結(jié)構(gòu):局部自由度、虛約束、復(fù)合鉸鏈計算、驗證自由度幾種特殊結(jié)構(gòu)的處理:1、復(fù)合鉸鏈—計算在內(nèi)2、局部自由度—排除3、虛約束--重復(fù)約束—排除例1計算圖示機構(gòu)的自由度，如有復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，需明確指出。畫箭頭的構(gòu)件為原動件。解：分析局部自由度1個虛約束復(fù)合鉸鏈

n=8F=3n-2Pl-Ph=3

8-2

11–1=1Pl=11Ph=1例2計算圖所示機構(gòu)的自由度（若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標(biāo)出）。局部自由度虛約束例3如圖所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。計算此機構(gòu)的自由度(若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標(biāo)出）。

局部自由度復(fù)合鉸鏈虛約束復(fù)局412356789練習(xí)4局12345678練習(xí)5

第二節(jié)平面連桿機構(gòu)

定義：若干個剛性構(gòu)件用平面低副聯(lián)接而成的機構(gòu),也可稱為平面低副機構(gòu)。

優(yōu)點：1.能夠?qū)崿F(xiàn)多種運動形式的轉(zhuǎn)換，也可以實現(xiàn)各種預(yù)定的運動規(guī)律和復(fù)雜的運動軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動作要求；2.構(gòu)件間接觸面上的比壓小、易潤滑、磨損輕、適用于傳遞較大載荷的場合；3.機構(gòu)中運動副的元素形狀簡單、易于加工制造和保證精度。缺點：1.只能近似地滿足給定的運動規(guī)律和軌跡要求，且設(shè)計比較復(fù)雜；2.運動構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力難以平衡，高速時會引起較大的振動，因此常用于速度較低的場合。命名:根據(jù)所含有構(gòu)件的數(shù)目。如四桿機構(gòu)，多桿機構(gòu)(五桿機構(gòu)、六桿機構(gòu))。本章主要研究平面四桿機構(gòu)的類型、基本性質(zhì)和設(shè)計方法。

平面四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用

平面四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)(全轉(zhuǎn)動副)含有移動副的平面四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)

雙曲柄機構(gòu)

雙搖桿機構(gòu)

曲柄滑塊機構(gòu)

曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)

曲柄搖塊機構(gòu)移動導(dǎo)桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件為機架；與機架相聯(lián)的構(gòu)件為連架桿，連架桿中，能繞機架的固定鉸鏈作整周轉(zhuǎn)動的稱為曲柄，僅能在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的稱為搖桿；聯(lián)接兩連架桿且不與機架直接相聯(lián)的構(gòu)件稱為連桿。

根據(jù)兩個連架桿能否成為曲柄，鉸鏈四桿機構(gòu)可分為三種基本形式：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。曲柄搖桿機構(gòu)特點是：既能將曲柄的整周轉(zhuǎn)動變換為搖桿的往復(fù)擺動，又能將搖桿的往復(fù)擺動變換為曲柄的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。雙曲柄機構(gòu)的特點是：能將等角速度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘淖兘撬俣绒D(zhuǎn)動。

例如：攪拌機、縫紉機等。例如：慣性篩、挖掘機（平行四邊形機構(gòu)）、車門啟閉機構(gòu)（反平行四邊形機構(gòu)）等。雙搖桿機構(gòu)的特點是：兩個連架桿均為搖桿。例如：起重機、電風(fēng)扇搖頭機構(gòu)等。含有一個移動副的平面四桿機構(gòu)

1.曲柄滑塊機構(gòu)：鉸鏈四桿機構(gòu)中，擴大轉(zhuǎn)動副，使轉(zhuǎn)動副變成移動副。根據(jù)滑塊往復(fù)移動的導(dǎo)路中心線是否通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，曲柄滑塊機構(gòu)可分為對心曲柄滑塊機構(gòu)和偏置曲柄滑塊機構(gòu)。特點：可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和往復(fù)移動的變換。應(yīng)用：活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機、沖床等機械等。2.曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)12343124應(yīng)用實例：回轉(zhuǎn)式油泵（轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)）牛頭刨床的主體機構(gòu)（擺動導(dǎo)桿機構(gòu)）。取曲柄滑塊機構(gòu)的不同構(gòu)件為機架而獲得的。取構(gòu)件2為機架，構(gòu)件3為主動件，若，導(dǎo)桿1作整周運動，稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)；若，導(dǎo)桿1作往復(fù)擺動，稱為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。

2341取曲柄滑塊機構(gòu)中的連桿3為機架而得到的。當(dāng)曲柄2為原動件繞點轉(zhuǎn)動時，滑塊4繞機架3上的鉸鏈中心擺動，故稱該機構(gòu)為曲柄搖塊機構(gòu)或稱為擺動滑塊機構(gòu)。

3.曲柄搖塊機構(gòu)應(yīng)用于各種擺動式原動機和工作機中。擺缸式液壓泵、卡車車箱自動翻轉(zhuǎn)卸料機構(gòu)。取曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊4為機架而得到的。當(dāng)曲柄2轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)桿1可在固定滑塊4中往復(fù)移動，故該機構(gòu)稱為移動導(dǎo)桿機構(gòu)（或定塊機構(gòu)）。4.移動導(dǎo)桿機構(gòu)應(yīng)用實例：手壓抽水機、抽油泵等。鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件

1.最短桿與最長桿的長度之和，小于或等于其他兩桿長度之和；2.連架桿和機架中必有一個是最短桿。

①鉸鏈四桿機構(gòu)中，若最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和，則取最短桿的相鄰桿為機架時，得曲柄