平面機構的結構分析(2).ppt

第一章 平面機構的結構分析,基本要求:,1、熟練掌握機構運動簡圖的繪制方法。 能夠將實際機構或機構的結構圖繪制成機構運動簡圖；能看懂各種復雜機構的機構運動簡圖；能用機構運動簡圖表達自己的設計構思。 2、掌握運動鏈成為機構的條件。 3、熟練掌握機構自由度的計算方法。 能準確識別出機構中存在的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束， 計算機構自由度。 4、掌握機構的組成原理和結構分析的方法。 了解高副低代的方法；會判斷桿組、桿組的級別和機構的級別。,主要內容： 1-1 研究機構結構的目的 1-2 運動副、運動鏈和機構 1-3 平面機構運動簡圖 1-4 平面機構的自由度 1-5 平面機構的組成原理和結構分析,1-1 研究機構結構的目的,1、在于探討機構運動的可能性及其具有確定運動的條件。 2、將機構按結構加以分類，并按這種分類來建立運動分析和動力分析的一般方法。 3、了解機構組成原理 ，指出合理設計機構和創(chuàng)造新機構的途徑。,1-2 運動副、運動鏈和機構,一、運動副 運動副：兩構件直接接觸所形成的可動聯(lián)接。 運動副元素：兩構件直接接觸而構成運動副的點、線、面部分。,1-2 運動副、運動鏈和機構,構件的自由度：構件所具有的獨立運動的數(shù)目。 約束：運動副對構件的獨立運動所加的限制。 二、運動副的分類： 1按運動副的接觸形式分： 低副：構件與構件之間為面接觸，其接觸部分的壓強較低。 高副：構件與構件之間為點、線接觸，其接觸部分的壓強較高。,1-2 運動副、運動鏈和機構,2按相對運動的形式分 平面運動副：兩構件之間的相對運動為平面運動。 空間運動副：兩構件之間的相對運動為空間運動。,平面運動副,空間運動副,1-2 運動副、運動鏈和機構,3按運動副引入的約束數(shù)分類 引入1個約束的運動副稱為1級副，引入2個約束的運動副稱為2級副，引入3個約束的運動副稱為3級副，引入4個約束的運動副稱為4級副， 引入5個約束的運動副稱為5級副 。 4. 按接觸部分的幾何形狀分 （如圖）,1-2 運動副、運動鏈和機構,5、自由度、運動副約束 理論力學可知，構件作任意復雜平面運動時，其運動可分解為三個獨立運動：沿x軸的移動，沿y軸的移動和繞垂直于XOY平面的軸A轉動。 自由度：把構件所具有的獨立運動的數(shù)目(或確定構件位置的獨立參變量的數(shù)目)稱為自由度。,作平面運動的自由構件具有三個自由度,1-2 運動副、運動鏈和機構,運動副約束：把對獨立運動所加的限制稱為約束。每加上一個約束，構件便失去一個自由度；加上兩個約束，構件便失去兩個自由度。 約束的多少和約束的特點完全取決于運動副的型式。 移動副：具有兩個約束 轉動副：具有兩個約束 高副：具有一個約束,1-2 運動副、運動鏈和機構,三、運動鏈 定義：兩個以上構件以運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。 1、閉鏈組成運動鏈的每個構件至少包含兩個運動副元素，則構件形成封閉系統(tǒng)，這種運動鏈稱為閉鏈。 2、開鏈如果運動鏈中有的構件只包含一個運動副元素，便稱為開鏈。 如圖所示,1-2 運動副、運動鏈和機構,四、機構 運動鏈中出現(xiàn)稱之為機架的固定(或相對固定)的構件時，運動鏈被稱為機構， 平面機構：組成機構的各構件都在同一平面 或相互平行平面內運動。 空間機構：組成機構的各構件至少有一個構件不在同一平面或相互平行平面內運動。 構成： 1、機架固定不動的構件 2、原動件具有獨立運動的構件（運動規(guī)律已知 的構件） 3、從動件除機架和原動件以外的其余構件,1-3 平面機構運動簡圖,一、機構運動簡圖 1、定義：用國家標準規(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（各運動副之間的相對位置關系），繪制出表示機構的簡明圖形。它與原機械具有完全相同運動特性。 機構示意圖：為了表明機械的組成狀況和結構特征，不嚴格按比例繪制的簡圖。,1-3 平面機構運動簡圖,2、作用 （1）現(xiàn)有機械分析 （2）新機械總體方案的設計 3、表示方法 用規(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。 二、運動副和構件的符號,1-3 平面機構運動簡圖,三、機構運動簡圖的繪制 方法：1、認清機構的結構和運動情況 （確定構件的數(shù)目，運動副的數(shù) 目和類型，找出主動件） 2、選擇適當?shù)耐队懊?3、選擇適當比例尺 4、用規(guī)定的符號和線條畫出圖形 （從主動件開始畫） 例1：繪制小型壓力機的機構運動簡圖,移動副,平面低副,轉動副：構成運動副的兩構件只能繞某一軸線作相對轉動。,移動副：構成運動副的兩構件只能沿某一軸線作相對移動。,轉動副,線接觸,點接觸,圓柱副,球面副,球面與圓柱副,螺旋副,圓柱與平面副,原動件 傳動部分 執(zhí)行部分 1 2 3 4 7 8 1 6 5 4 7 8,工作原理,1、分析機械的動作原理、組成情況和運動情況 工作原理 2、 沿著運動傳遞路線，分析兩構件間相對運動的性質，以確定運動副的類型和數(shù)目 轉動副： 偏心輪1和桿件2 桿件2和桿件3 桿件3和桿件4 滑塊7和壓桿8 槽凸輪6齒輪6和機座9 桿件4和滾子5 機座9和偏心輪1齒輪1 移動副 桿件3和機座9 桿件4和滑塊7 壓桿8和機座9 高副 齒輪1和齒輪6 滾子5和槽凸輪6,3. 適當?shù)剡x擇運動簡圖的視圖平面 4. 選擇適當比例尺 5. 畫簡圖 并從原動件開始，按傳動順序標出各構件的編號和運動副的代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動方向。如圖,1-3 平面機構運動簡圖,作業(yè)：P498 11至14,7/10/2019,1-4 平面機構的自由度,一、平面機構自由度,1、定義：機構中各構件相對于機架的所 能有的獨立運動的數(shù)目稱為機構中自由度。 2、計算公式 設某一平面機構，除機架外共有n個活動構件。通過PL個低副和PH個高副聯(lián)接各構件。n個活動構件在未用運動副聯(lián)接之前共具有3n個自由度，當用PL個低副和PH個高副聯(lián)接之后，便受到2PL+PH個約束。故機構自由度，應為活動構件自由度的總數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差，即 F = 3n - 2PL - PH,二、機構具有確定運動的條件,舉例： 圖a所示： n=2 PL=3 PH=0 F=3n-2PL-PH = 0 各構件間已無相對運動，只構成了一 個剛性桁架，因而不能成為機構 圖b所示 n=3 PL=5 PH=0 F=3n-2PL-PH = -1 已成為超靜定桁架了，也不能成為機 構。,圖c所示 n=3 PL=4 PH=0 F=3n-2PL-PH = 1 若取構件1為原動件，則從動畫演示中可以看出，構件1每轉過一個角度，構件2和構件3便有一個確定的相對運動，也就是說這個運動鏈能成為機構。 如果同時使構件3 也成為原動件，則從動畫演示可以看出，運動鏈內部的運動關系將發(fā)生矛盾，最薄弱的構件將損壞 。,說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構，原動件的數(shù)目不可多于運動鏈的自由度數(shù)。,圖(d)所示 n=4 PL=5 PH=0 F=3n-2PL-PH = 2 若同時取構件1和構件4作為原動件，則由動畫演示可以看出，構件2和構件3 具有確定的運動，即該運動鏈能成為機構。 如果只取構件1作為原動件，則由動畫演示可以看出，其余三個活動構件2、3、4的運動不能確定，只能作無規(guī)則的運動。,說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構，原動件的數(shù)目不可少于運動鏈的自由度數(shù)。,二、機構具有確定運動的條件,由上可知： 1）F0 如原動件數(shù)大于機構自由度數(shù)損壞 如原動件數(shù)大于機構自由度數(shù)運動 不確定 綜上所述：機構具有確定的運動條件是 機構自由度數(shù)大于零，且原動件的數(shù)目等于機構的自由度數(shù)目。,三、計算機構自由度的注意事項,1.復合鉸鏈 例1：計算圖示搖篩機構的自由度：,計算是否正確？ 搖篩機構中，構件2、3、4同在C 處組成轉動副。因此此機構的自由度為：,搖篩機構,搖篩機構C 處側視圖,注意事項,定義：兩個以上構件在同一處以轉動副相連接，所構成的運動副稱為復合鉸鏈。 解決問題的方法：若有K個構件在同一處組成復合鉸鏈，則其構成的轉動副數(shù)目應為（K-1）個。,2.局部自由度 計算機構自由度：,(a) F=2,(b) F=1,圖a F=3X3-2X3-1=2,圖b,注意事項,定義：若機構中某些構件所具有的自由度僅與其自身的局部運動有關，并不影響其他構件的運動，則稱這種自由度為局部自由度。 局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子；軸承中的滾珠。 解決的方法：計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結在一起，視為一個構件。,注意事項,3.虛約束 定義：在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束可能與其他運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的重復約束稱為虛約束。,計算圖示機構自由度：,注意事項,虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合：,a.兩構件之間構成多個運動副時,b.兩構件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變時,c.聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合時,d.機構中對運動不起作用的對稱部分,注意事項,結論： 采用虛約束是為了改善構件的受力情況；增加構件的剛性；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要，在結構設計中被廣泛使用。 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，則虛約束將變成有效約束，而使機構不能運動。,典型例題 在下圖所示機構中，構件AB, EF, CD相互平行且相等，試計算該機構的自由度。,分析：注意機構中的復合鉸鏈、局部自由度及虛約束。,解：去掉機構中的局部自由度和虛約束，則：,作業(yè)： P498 11至 14 113 114,1-5 平面機構的組成原理和結構分析,一 、平面機構的高副低代,概念：用低副代替高副 目的：為了使平面低副機構結構分析和運動分析的方法適用于含有高副的平面機構。 高副低代必須滿足的條件： 1.替代前后機構自由度不變 2.替代前后瞬時速度、加速度不變,方法：用兩個轉動副和一個構件來代替一個高副，這兩個轉動副分別處在高副兩輪廓接觸點的曲率中心。,注意：對于一般的高副機構，在不同位置有不同的瞬時替代機構。經(jīng)高副低代后的平面機構，可視為平面低副機構。,請高副低代下圖所示的機構。,二、平面機構組成原理,任何機構中都包含原動件、機架和從動件系統(tǒng)三部分。由于機架的自由度為零，每個原動件的自由度為1，而機構的自由度等于原動件數(shù)，所以，從動件系統(tǒng)的自由度必然為零。 1.桿組（阿蘇爾組） 不可再分的自由度為零的構件組合稱為基本桿組，簡稱桿組 。,若桿組中有n個活動構件、pL個低副，則有：,pL和n必須為整數(shù)。,II級桿組：,不包含封閉多邊形、只包含兩副構件的桿組。,III級桿組:,包含具有三個運動副元素的剛性構件(或三個構件組成的三角形)的桿組稱為級組。,包含四個構件組成的四邊形的桿組稱為級組；其余依此類推。,級組,級組,機構的級別由桿組的最高級別決定。,2.機構的組成原理： 把若干個自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上，就可組成新的機構，其自由度數(shù)目與原動件的數(shù)目相等。,觀察八桿機構的組成過程：,三、機構的結構分析,機構的結構分析就是將已知機構分解為原動件、機架、桿組，并確定機構的級別。 拆桿組時應遵循的原則： （1）從遠離原動件的構件開始拆組； （2）試拆時，按二級組試拆，若無法拆除，再試拆高一級別的桿組； （3）每拆除一個桿組后，機構的剩余部分仍應是一個完整的機構。（流程圖）,I級機構：由一個原動件和一個相對固定的機架所組成的機構。 注意事項：同一個運動鏈，當原動件更換時，機構的級別也有可能改變。 例題 ：試計算圖示沖壓機構的自由度，并分析在下列情況下組成機構的基本桿組及機構的級別： （1）當以構件1為原動件時； （2）當以構件6為原動件時。,解： （1）機構的自由度計算：,（2）分析當構件1作為原動件時機構的組成情況。首先從傳動路線上離原動件最遠的構件4開始拆桿組，先拆下由構件4，5和轉動副K，L，M組成的級桿組，接著依次拆下3個級桿組：構件6，7和轉動副J，I，H；構件8，9和轉動副C，F(xiàn)，G；構件2，3和轉動副B，D及移動副E；最后剩下由原動件1和機架10組成的級機構，如圖b所示。由于組成該機構的基本桿組的最高級別是級桿組，故該機構為級機構。,（3）分析當構件6為原動件時機構的組成情況。首先從傳動路線上離原動件最遠的構件3（沖頭）開始試拆桿組。先試拆級組。從圖中可以看出，如果拆除構件3，2、移動副E、轉動副D和轉動副B，則構件1,和轉動副C均