機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第四章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及自由度

第四章常用機(jī)構(gòu)§4.1概述左圖為單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，它是由氣缸體1、活塞2、進(jìn)氣閥3、排氣閥4、連桿5、曲軸6、凸輪7、頂桿8、齒輪10等所組成?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的連續(xù)運(yùn)動。凸輪和頂桿是用來起閉進(jìn)氣閥和排氣閥的。三個齒輪保證進(jìn)氣、排氣閥和活塞之間形成有一定節(jié)奏的動作，將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)換為曲軸轉(zhuǎn)動的機(jī)械能。氣缸體1活塞2進(jìn)氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10§4.1概述§4.1概述如圖所示的牛頭刨床是由電動機(jī)1、小齒輪2、與大齒輪固定在一起的曲軸3、滑塊4和6、導(dǎo)桿5、刨頭7、工作臺8、絲桿9、床身10以及其他圖中未畫出的輔助部分所組成。當(dāng)電動機(jī)經(jīng)膠帶傳動并通過齒輪使曲軸回轉(zhuǎn)時，導(dǎo)桿作平面復(fù)雜運(yùn)動。刨頭便帶著刨刀作往復(fù)直線移動，從而產(chǎn)生刨削動作。同時，動力還通過其他輔助部分帶動絲桿作間歇回轉(zhuǎn)，使工作臺橫向移動，從而實現(xiàn)工件的進(jìn)給§4.1概述§4.1概述一、機(jī)器的特性：1、它們都是由各種材料做成的制造單元（零件）經(jīng)過裝配而成的各個運(yùn)動單元（構(gòu)件）的組合體。2、各個運(yùn)動單元之間具有確定的相對運(yùn)動。3、在生產(chǎn)過程中，它們能代替或減輕人的勞動，完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械功能機(jī)器：是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，用來完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能。§4.1概述二、構(gòu)件、零件與機(jī)構(gòu)：零件：基本的制造單元，構(gòu)件：基本的運(yùn)動單元，它可由一個或多個零件組成。機(jī)構(gòu)：機(jī)器的組成部分，能實現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動的各構(gòu)件所組成的基本組合體，機(jī)器由若干個機(jī)構(gòu)組成，如右圖內(nèi)燃機(jī)就包含了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)等三個不同的機(jī)構(gòu)。又如縫紉機(jī)的踏板為連桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)只具有機(jī)器的前兩個特征?！?.1概述§4.1概述三、機(jī)器的分類：工作機(jī)：用來完成有用功的機(jī)器；如各種機(jī)床、起重機(jī)、挖掘機(jī)、發(fā)電機(jī)等等原動機(jī)：將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器，如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動機(jī)等。機(jī)組：工程中大多數(shù)是工作機(jī)和原動機(jī)相互配合應(yīng)用，又是加上獨(dú)立的傳動裝置（齒輪減速機(jī)等）§4.2.1平面機(jī)構(gòu)的組成一、構(gòu)件及其自由度一個自由構(gòu)件作平面運(yùn)動時，具有三個獨(dú)立運(yùn)動；沿x軸和y軸的移動以及繞垂直于xOy平面內(nèi)任一點A轉(zhuǎn)動。一個作平面運(yùn)動的自由構(gòu)件具有三個自由度。運(yùn)動副：機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件直接接觸的可動聯(lián)接。約束：兩構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)接后，彼此的相對運(yùn)動受到某些限制。運(yùn)動副元素：兩構(gòu)件上參加接觸而構(gòu)成運(yùn)動的部分，如點、線、面。二、運(yùn)動副與約束兩構(gòu)件組成的運(yùn)動副，不外乎是通過點、線、面接觸來實現(xiàn)的。三、運(yùn)動副的分類與符號根據(jù)運(yùn)動副的接觸形式，運(yùn)動副歸為兩類1）低副：面接觸的運(yùn)動副。轉(zhuǎn)動副具有一個獨(dú)立相對轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副。三、運(yùn)動副的分類與符號移動副轉(zhuǎn)動副和移動副都是面接觸，引入兩個約束，也就是限制自由構(gòu)件的兩個自由度，只保留了一個自由度。具有沿一個方向獨(dú)立相對獨(dú)立移動的運(yùn)動副。2）高副：點或線接觸的運(yùn)動副。1）平面運(yùn)動副：組成運(yùn)動副兩構(gòu)件間作相對平面運(yùn)動，如轉(zhuǎn)動副、移動副、凸輪副、齒輪副。也可將運(yùn)動副分為平面運(yùn)動副和空間運(yùn)動副：2）空間運(yùn)動副：組成運(yùn)動副兩構(gòu)件間作相對空間運(yùn)動。如螺旋副，球面副。四、運(yùn)動鏈兩個以上構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動鏈（簡稱閉鏈）開式運(yùn)動鏈（簡稱開鏈）平面閉式運(yùn)動鏈空間閉式運(yùn)動鏈平面開式運(yùn)動鏈空間開式運(yùn)動鏈平面運(yùn)動鏈空間運(yùn)動鏈按運(yùn)動分按結(jié)構(gòu)分運(yùn)動鏈但當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)動的機(jī)械上時則是運(yùn)動的。

——按給定已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件；五、機(jī)構(gòu)具有固定構(gòu)件的運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架原動件從動件——機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件；——機(jī)構(gòu)中其余活動構(gòu)件。平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)常分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)兩類，其中平面機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)一般機(jī)架相對地面固定不動，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運(yùn)動規(guī)律決定于原動件的運(yùn)動規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的尺寸。機(jī)架原動件從動件機(jī)架從動件原動件§4.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖是用規(guī)定的運(yùn)動副符號及代表構(gòu)件的線條來表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，并按一定的比例畫成的簡單圖形。并利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖對機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和動力等分析。運(yùn)動簡圖的繪制方法：1弄清楚所要繪制機(jī)械的結(jié)構(gòu)和動作原理；2從原動件開始，按照運(yùn)動傳遞的順序，仔細(xì)分析各構(gòu)件相對運(yùn)動的性質(zhì)，確定運(yùn)動副的類型及數(shù)目；3合理選擇視圖平面，通常選擇與大多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面相平行的平面為視圖平面4選取適當(dāng)?shù)拈L度比例尺，以線條和運(yùn)動副規(guī)定符號表示構(gòu)件和運(yùn)動副，按一定的順序進(jìn)行繪圖。5在簡圖上標(biāo)明機(jī)架、構(gòu)件序號、原動件、繪圖比例等；243B1ADC§4.2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度機(jī)構(gòu)是用來傳遞運(yùn)動和力的，不僅機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件相對于機(jī)架能運(yùn)動，而且當(dāng)給定一個或數(shù)個獨(dú)立運(yùn)動時各構(gòu)件的運(yùn)動是確定的。那么，我們把機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對于機(jī)架的所能有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。

一、平面機(jī)構(gòu)件的自由度兩構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)接后，彼此的相對運(yùn)動受到某些約束。每個低副引入兩個約束，每個高副引入一個約束。設(shè)某平面機(jī)構(gòu)，除機(jī)架外共有n個活動構(gòu)件，又有pL個低副和pH個高副，根據(jù)自由構(gòu)件的自由度、運(yùn)動副引入的約束，活動構(gòu)件之間的關(guān)系，可以得出平面機(jī)構(gòu)自由度的計算公式如下：平面機(jī)構(gòu)的自由度

F=3n-2PL–PH活動構(gòu)件的數(shù)目低副數(shù)目高副數(shù)目F=3×3–2×4=1F=3×4–2×5=2n=3PL=4n=4PL=5此機(jī)構(gòu)共有5個活動構(gòu)件（構(gòu)件1、2、3、4、6），7個低副（即轉(zhuǎn)動副A、B、C、D、E、F及移動副E），而沒有高副，因此可求得其自由度為F＝3n－2PL－PH=3×5-2×7=1例：試計算偏心輪傳動機(jī)構(gòu)的自由度。二、平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件F＝1原動件＝1運(yùn)動確定F＝2原動件＝1運(yùn)動不確定F＝1原動件＝2損壞F=3×3–2×5=-1(超靜定桁架)F=3×2-2×3=0(桁架)n=2PL=3n=3Pl=5F＝2原動件＝2運(yùn)動確定

平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件：F≤0時，機(jī)構(gòu)蛻化成剛性桁架，構(gòu)件之間不可能產(chǎn)生相對運(yùn)動。2)F≥1時，原動件數(shù)大于機(jī)構(gòu)自由度，機(jī)構(gòu)遭到破壞；原動件數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由度，機(jī)構(gòu)運(yùn)動不確定。只有當(dāng)原動件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)時，機(jī)構(gòu)才有確定的運(yùn)動。三、計算機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的幾種情況1）復(fù)合鉸鏈由三個或三個以上構(gòu)件組成的軸線重合的轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈。由m個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)含有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。

F=3×7–2×10=1n=7Pl=102)局部自由度局部自由度：機(jī)構(gòu)中個別構(gòu)件不影響其它構(gòu)件運(yùn)動，即對整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動無關(guān)的自由度。ABC321F=23-22-11=1n=3Pl=3Ph=1n=2Pl=2Ph=1ABC321在計算自由度時，拿掉這個局部自由度，即可將滾子與裝滾子的構(gòu)件固接在一起。43）虛約束

1、虛約束：在機(jī)構(gòu)中與其他運(yùn)動副作用重復(fù)，而對構(gòu)件間的相對運(yùn)動不起獨(dú)立限制作用的約束。將具有虛約束運(yùn)動副的構(gòu)件連同它所帶入的與機(jī)構(gòu)運(yùn)動無關(guān)的運(yùn)動副一并不計。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(yùn)動副時；b.兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運(yùn)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；虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合：d.機(jī)構(gòu)中對運(yùn)動不起作用的對稱部分。e.兩構(gòu)件組成若干個軸線互相重合的轉(zhuǎn)動副.