機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析課件

1、機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,1,第一章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,本章教學(xué)內(nèi)容, 1-1 研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的 1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu) 1-3 平面機構(gòu)運動簡圖 1-4 平面機構(gòu)的自由度 1-5 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,2,1、研究平面機構(gòu)具有確定運動的條件； 2、對機構(gòu)進(jìn)行分類并按其分類來建立運動分析和動力分析的一般方法； 3、了解平面機構(gòu)組成的基本原理； 4、如何正確繪制常用機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖。,1-1 研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,3,一、運動副 運動副：指兩構(gòu)件直接接觸形成的可動聯(lián)接。 運動副元素：參與接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面。,1

2、-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,4,運動副元素不外乎為點、線、面。,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,5,構(gòu)件的自由度：指一個構(gòu)件相對另一個構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動的數(shù)目。 一個自由構(gòu)件在空間具有6個自由度。作平面運動的自由構(gòu)件具有3個自由度。,約束：指通過運動副聯(lián)接的兩構(gòu)件之間的某些相對獨立運動所受到的限制。 運動副引入的約束數(shù)=兩構(gòu)件自由度減少的數(shù)目。,構(gòu)件的自由度與約束,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,6,低副：面接觸的運動副。,轉(zhuǎn)動副：兩構(gòu)件只作相對轉(zhuǎn)動的運動副。 移動副：兩構(gòu)件只作相對移動的運動副。,轉(zhuǎn)動副,移動副,按照接觸特性把運動副分為低副和高副。,機械原理平面機構(gòu)的

3、結(jié)構(gòu)分析,7,1個低副 帶來2個約束,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,8,慣性篩機構(gòu),機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,9,齒輪副,凸輪副,高副：點接觸或線接觸的運動副。,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,10,1個高副 帶來1個約束,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,11,按運動副的運動空間分:,平面運動副：指構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件之間的相對運動為平面運動的運動副。 空間運動副：指構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件之間的相對運動為空間運動的運動副。,只講平面運動副。,球面副,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,12,二、運動鏈,運動鏈：指兩個以上的構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。,平面運動鏈：各構(gòu)件間的相對運動為平面運動的運動鏈。 空間運動

4、鏈：各構(gòu)件間的相對運動為空間運動的運動鏈。,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,13, 閉鏈: 運動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)。, 開鏈: 運動鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)。,平面運動鏈,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,14,空間運動鏈,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,15,三、機構(gòu),機構(gòu):在運動鏈中將一構(gòu)件加以固定, 而其余構(gòu)件都具有確定的運動，則運動鏈便成為機構(gòu)。,機架,原動件,機構(gòu)運動鏈?,機架,原動件,原動件,機架 原動件 從動件,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,16, 平面機構(gòu): 機構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運動為平面運動。 空間機構(gòu): 機構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運動為空間運動。,依據(jù)機構(gòu)的運動是平面運動還是空間

5、運動分為：,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,17,1-3 機構(gòu)運動簡圖,內(nèi)燃機,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,18,一、 機構(gòu)運動簡圖的定義及作用,機構(gòu)的示意圖：指僅僅以構(gòu)件和運動副的符號表示機構(gòu)，不要求嚴(yán)格地按比例而繪制的簡圖。,1、機構(gòu)運動簡圖：不考慮那些與運動無關(guān)的因素，僅僅用簡單的線條和規(guī)定的符號來代表構(gòu)件和運動副，并按一定比例表示運動副的相對位置。這種能準(zhǔn)確表達(dá)機構(gòu)運動特性的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。,作用：利用機構(gòu)運動簡圖可以對機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運動和動力等的分析。,2、常用運動副的符號,3、構(gòu)件的表示方法,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,21,凹槽凸輪,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,22,步驟：

6、 1、首先要搞清楚所繪制機械的結(jié)構(gòu)和動作原理。確定機構(gòu)中的機架、原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分； 2、從原動件開始，按照運動傳遞的順序給構(gòu)件編號，并逐一分析每兩個構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目; 3、恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面：一般選擇與機械的多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的平面作為投影面； 4、選擇適當(dāng)?shù)谋壤? 定出各運動副之間的相對位置，用規(guī)定的簡單線條和各種運動副符號, 將機構(gòu)運動簡圖畫出來； 5、標(biāo)出原動件。,二、機構(gòu)運動簡圖的繪制,例1 繪制小型壓力機的機構(gòu)運動簡圖,沖床,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,25,例1：繪制圖示顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖,分析：該機構(gòu)有6個構(gòu)件和7個轉(zhuǎn)動副。,6

7、,顎式破碎機,1-4 平面機構(gòu)的自由度,一、平面機構(gòu)的自由度 機構(gòu)的自由度：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架所具有的獨立運動的數(shù)目。,平面自由構(gòu)件：3個自由度 平面低副：引入2個約束 平面高副：引入1個約束 假設(shè)平面機構(gòu)有n個活動構(gòu)件： 3n個自由度 有PL個低副和PH個高副： 引入(2 PL+PH)約束,平面機構(gòu)的自由度計算公式： F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pL - pH,二、機構(gòu)具有確定運動的條件,F=3n-2 pl ph =33 - 24-0=1,四桿機構(gòu),給定一個獨立運動參數(shù)： 其余構(gòu)件有確定運動。,機構(gòu)中給定獨立運動參數(shù)的構(gòu)件為原動件。,五桿機構(gòu),給定一個獨立運動參數(shù)： 機構(gòu)

8、沒有確定運動。,機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為機構(gòu)的自由度。,給定兩個獨立運動參數(shù)： 機構(gòu)有確定運動。,F=3n-2 pl ph =34 - 25-0=2,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,29,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,30,機構(gòu)的自由度F、原動件的數(shù)目與機構(gòu)運動特性之間的關(guān)系：,1）F0時 剛性桁架，構(gòu)件間不能產(chǎn)生相對運動。 2）F0時，F(xiàn)原動件數(shù)，機構(gòu)運動不確定（能動但是亂動）； F=原動件數(shù)，機構(gòu)具有確定運動。, 結(jié)論,例2,例2、例3,三、計算機構(gòu)自由度應(yīng)注意的事項,（1）復(fù)合鉸鏈: 兩個以上構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接即構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。m個構(gòu)件以復(fù)合鉸鏈聯(lián)接所構(gòu)成的轉(zhuǎn)

9、動副數(shù)為(m-1)個。,復(fù)合鉸鏈,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,32,八桿機構(gòu).avi,例 3,解：F=3n-2 pl ph =37 - 26-0=9,解：F=3n-2 pl ph =37 - 210-0=1,例4,準(zhǔn)確識別復(fù)合鉸鏈舉例 關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,兩個轉(zhuǎn)動副,例5（P499 1-6）,解：F=3n-2 pl ph =33 - 23-1=2,方法：假想構(gòu)件2和3焊成一體,F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1,（2）局部自由度 機構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運動并不影響其他構(gòu)件的運動, 把這種局部

10、運動的自由度稱為局部自由度。,注意：計算機構(gòu)自由度時, 應(yīng)將局部自由度除去不計。,例4,凸輪,例6,（3）虛約束 指機構(gòu)在某些特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，有些運動副帶入的約束對機構(gòu)運動實際上起不到獨立的約束作用, 這些對機構(gòu)運動實際上不起約束作用的約束稱為虛約束。,注意：在計算自由度時，應(yīng)將虛約束除去不計。,去除虛約束的方法： 不計引起虛約束的附加構(gòu)件和運動副數(shù)。 F=3n-2 pl ph,虛約束常出現(xiàn)的情況：,1）機構(gòu)運動過程中, 某兩構(gòu)件上的兩點之間的距離始終保持不變, 將此兩點以構(gòu)件相聯(lián), 則將帶入1個虛約束。,F=3n-2 pl ph =33 - 24-0=1,F=3n-2 pl ph

11、=34 - 26-0=0,虛約束1,F=3n-2 pl ph =34 - 26-0=0,當(dāng)構(gòu)件上某點的軌跡為直線時，若在該點鉸接一個滑塊并使其導(dǎo)路與該直線重合，此時也引入一個虛約束。（機構(gòu)中兩構(gòu)件未聯(lián)接前的聯(lián)接點軌跡重合, 則該聯(lián)接引入虛約束。）,正確計算： 不計引起虛約束的附加構(gòu)件和運動副數(shù)。 F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1,橢圓儀,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,38,只有一個運動副起約束作用,其它各處均為虛約束;,2） 兩構(gòu)件在幾處接觸而構(gòu)成移動副且導(dǎo)路互相平行或重合。 3）兩個構(gòu)件組成在幾處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副且各轉(zhuǎn)動副的軸線是重合的。,演軸承支撐,4）某些不影響機構(gòu)運動的對稱部分

12、或重復(fù)部分所帶入的約束為虛約束。,對稱機構(gòu)1、2,目的： 為了傳遞較大功率，保持機構(gòu)受力平衡。,5） 若兩構(gòu)件在多處相接觸構(gòu)成平面高副，且各接觸點處的公法線重合,則只能算一個平面高副。若公法線方向不重合，將提供2個約束。,有一處為虛約束,此兩種情況沒有虛約束,等徑凸輪,小結(jié),存在于轉(zhuǎn)動副處 正確處理方法：復(fù)合鉸鏈處有m個構(gòu)件則有(m-1)個轉(zhuǎn)動副, 復(fù)合鉸鏈,局部自由度,常發(fā)生在為減小高副磨損而將滑動摩擦變成滾動摩擦所增加的滾子處。 正確處理方法：將滾子和桿焊接為一體，計算自由度時將局部自由度減去。, 虛約束,存在于特定的幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下。 正確處理方法：將引起虛約束的構(gòu)件和運動副除去不計

13、。,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,42,例5：計算大篩機構(gòu)自由度,復(fù)合鉸鏈？ 局部自由度？ 虛約束？,n = 7 PL = 9 PH = 1 F = 37 - 29 1 = 2,一、平面機構(gòu)的低副代替高副法,15 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析, 平面機構(gòu)中高副低代的目的 為了使平面低副機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析和運動分析的方法適用于所有平面機構(gòu)，需要進(jìn)行平面機構(gòu)的高副低代。 高副低代的含義 根據(jù)一定條件對平面高副機構(gòu)的中高副虛擬地用低副來代替的方法。 高副低代的條件： 代替前后機構(gòu)的自由度不變； 代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度不變。,高副低代方法,結(jié)論：用一個含有兩個低副的虛擬構(gòu)件來代替高副，且兩低副位置

14、分別在兩高副兩元素接觸點處的曲率中心。,分析：高副：提供1個約束 低副：提供2個約束,高副兩元素均為圓弧,高副元素為非圓曲線,瞬時替代機構(gòu),機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,45,高副兩元素之一為直線，則轉(zhuǎn)動副演化為移動副。,幾種特殊情況：,用1個滑塊+1個移動副+1個轉(zhuǎn)動副代替。,因其曲率中心在無窮遠(yuǎn)處，則其中的一個轉(zhuǎn)動副變?yōu)橐苿痈保?機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,46,高副兩元素之一為一點，點的曲率半徑為零。,用1個構(gòu)件+2個轉(zhuǎn)動副（其中接觸點為1個構(gòu)件的曲率中心）代替。,因其曲率半徑為零，其中一個轉(zhuǎn)動副就在該點處。,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,47,二、機構(gòu)的組成原理,1、基本桿組：從動件系統(tǒng)中

15、若干個不能再拆的、自由度為零的構(gòu)件組稱為機構(gòu)的基本桿組。,機架 機架自由度數(shù)=0(靜止） 原動件 原動件數(shù)=自由度數(shù) 從動件 從動件自由度=0,基本桿組的分類,對于全低副的桿組： n個構(gòu)件、pL個低副,n和pl為整數(shù) n=2,4,6,根據(jù)n的取值基本桿組分為以下幾種情況： （1）只包含兩副構(gòu)件的桿組稱為級桿組 n=2，PL=3 常見級桿組的形式為,（2）包含具有三個運動副的剛性構(gòu)件的桿組稱為 級桿組 n=4, ，PL=6,（3） IV級桿組 結(jié)構(gòu)特點：有兩個三副桿，且4個構(gòu)件構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)。,常見的三種形式為,更高級別的桿組,機構(gòu)組成原理指把若干個自由度為零基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上，就

16、可以組成自由度數(shù)與原動件數(shù)相等的新機構(gòu)。,2. 機構(gòu)的組成原理,機構(gòu)組成過程, 機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)遵循的原則 利用機構(gòu)組成原理進(jìn)行機構(gòu)創(chuàng)新時，在滿足相同工作要求的條件下，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單、桿組的級別越低、構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)越少越好。,見圖 1-23,注意：在桿組并聯(lián)時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。圖,機械原理平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,51,平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類, II級機構(gòu) 指機構(gòu)中基本桿組的最高級別為II級的機構(gòu)。 III級機構(gòu) 指機構(gòu)中基本桿組的最高級別為III級的機構(gòu)。 級機構(gòu) 只由機架和原動件組成的機構(gòu)稱為級的機構(gòu)。 （杠桿機構(gòu)、斜面機構(gòu)）, 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分類的依據(jù)： 根據(jù)機構(gòu)中基本桿組的級別進(jìn)行分類。,結(jié)構(gòu)分析目的：了解機構(gòu)的組成，確定機構(gòu)的級別。,三、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：把機構(gòu)分解為基本桿組、機架和原動件。,桿組拆分要領(lǐng)（原則）： 1）首先 2）從離原動件最遠(yuǎn)的構(gòu)件開始試拆，先拆II級組，若不成，再拆III級組，每拆出一個桿組后，機構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個與原機構(gòu)有相同自由度的機構(gòu)，直到只剩原動件為止。 3）桿組的增減不應(yīng)改變機構(gòu)的自由度。,機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析步驟 1、正確計算機構(gòu)的自由度； 2、根據(jù)機構(gòu)拆分原則進(jìn)行拆分； 3、