機械原理第二章

1、機械原理課件第二章第1頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四2-1 機構結構分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是： 機構的組成及機構運動簡圖的畫法； 了解機構具有確定運動的條件； 研究機構的組成原理及結構分類。第2頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 是兩構件參與接觸而構成運動副的表面。 是兩構件直接接觸而構成的可動連接；2-2 機構的組成1.構件零件是機器中的一個獨立制造單元體；構件是機器中的一個獨立運動單元體,一個構件可以由一個或多個零件組成。 從運動來看，任何機器都是由若干個構件組合而成的。 任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活

2、塞2.運動副運動副運動副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導軌、兩輪齒嚙合。第3頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四3）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運動副還可分為平面運動副與空間運動副兩類。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（1）運動副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：級副、級副、級副。機構的組成(2/4)第4頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四3.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)。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（2）運

3、動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB446084）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表機構的組成(3/4)第5頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 但當機構安裝在運動的機械上時則是運動的。 按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構件；4.機構具有固定構件的運動鏈稱為機構。機 架原動件從動件機構中的固定構件。機構中其余活動構件。平面鉸鏈四桿機構 機構常分為平面機構和空間機構兩類，其中平面機構應用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構 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)律和機構的結構及構件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件機構的組成(4/4)第

4、6頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 不嚴格按比例繪出的，只表示機械結構狀況的簡圖。 根據(jù)機構的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，2-3 機構運動簡圖 在對現(xiàn)有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構運動簡圖。1.機構運動簡圖 例2-2 內(nèi)燃機機構運動簡圖。機構運動簡圖 采用運動副及常用機構運動簡圖符號和構件的表示方法，將機構運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構示意圖第7頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四用于現(xiàn)有機械或新機械原理方案的設計、分析與討論重點在于機構的運動分析構件的具體結構、組成方式等在方案設計階段并不影響 機構的運動特性運

5、動副類型表明了構件之間的聯(lián)接關系和傳動方式構件的運動尺寸是運動分析的基礎不嚴格按比例可繪制機構示意圖第8頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四舉例：（2）選定視圖平面； （3）選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構的符號，最后用簡單線條連接，即得機構運動簡圖。機構運動簡圖(2/2)2.機構運動簡圖的繪制繪制方法及步驟： （1）搞清機械的構造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構的構件數(shù)目、運動副的類別及其位置；內(nèi)燃機機構運動簡圖繪制顎式破碎機機構運動簡圖繪制第9頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四2-4 機構具有確定運動的條件一個機

6、構在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？兩個例子例2-3 鉸鏈四桿機構例2-4 鉸鏈五桿機構若給定機構一個獨立運動，則機構的運動完全確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機構一個獨立運動，則機構的運動不確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的運動完全確定。 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)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。 結論 機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)目應等于機構的自由度數(shù)目F。第10頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四如果原動件數(shù)F,則機構的運動將不確定；則會導致機構最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機構具有確定運動的條件(2/2) 結論：

7、 機構具有確定運動的條件是：機構原動件數(shù)目應等于機構的自由度的數(shù)目F。第11頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四2-5 機構自由度的計算1.平面機構自由度的計算（1）計算公式F3n(2plph)式中：n為機構的活動構件數(shù)目；pl 為機構的低副數(shù)目；ph為機構的高副數(shù)目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構F3n(2plph)3324012）鉸鏈五桿機構F3n(2plph)342502第12頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四其約束數(shù)為i(i=1,2,.5)，則2.空間機構自由度的計算（1）一般空間機構自由度的計算設一空間機構共有n個活動構件，pi個i級運動副，F(xiàn)6

8、n(5p54p43p32p2p1)6nipii=15例2-5 空間四桿機構解F6n5p54p43p363523113）內(nèi)燃機機構F3n(2plph)362731機構自由度的計算(2/4)第13頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四例2-6 楔形滑塊機構解因此機構為全移動副平面機構，故m4，則F(6m)n(5m)p5(64)2(54)31 （2）含公共約束的空間機構自由度的計算公共約束F(6m)n (im)pii=m+15 由上式可知，公共約束m=0,1,2,3,4。故相應的機構分別稱為0族、1族、2族、3族、4族機構（五類）。是指機構中所有構件均受到的共同的約束，以m表示。機

9、構自由度的計算(3/4)第14頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四（3）空間開鏈機構的自由度計算 因空間開鏈機構運動副總數(shù)p(= pi)等于其活動構件數(shù)n，i=156n (6fi)pii=15 fipii=15式中，fi為i級運動副的自由度，fi6i。例2-7 機械手開鏈機構解F(65)p5(64)p417219 因機械手具有9個自由度，故它運動的靈活性較大，可繞過障礙進入作業(yè)區(qū)。F6n ipii=15故機構自由度的計算(4/4)第15頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 如果兩構件在多處接觸而構成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運

10、動副。2-6 計算平面機構自由度時應注意的事項1.要正確計算運動副的數(shù)目 由m個構件組成的復合鉸鏈，共有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。（1）復合鉸鏈 （2）同一運動副 1）移動副，且移動方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動軸線重合； 3）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。 第16頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 是指機構中某些構件所產(chǎn)生的不影響其他構件運動的局部運動的自由度， 如果兩構件在多處接觸而構成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉(zhuǎn)動副）。（3）復合平面高副2.要除去局部自由度 局部自由度以F表示。計算平面機構自由

11、度時應注意的事項(2/6)第17頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動為一個局部自由度， 在計算機構自由度時，應將 F從計算公式中減去，即例2-8 滾子推桿凸輪機構解F3n(2plph) F故凸輪機構的自由度為F33(231)113.要除去虛約束 虛約束是指機構中某些運動副帶入的對機構運動起重復約束作用的約束，以 p表示。例2-9 平行四邊形四桿機構F3n(2plph) F33(240)01計算平面機構自由度時應注意的事項(3/6)第18頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四當增加一個構件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F，且BE AF，則F3n(2p

12、lph) F34(260)00原因：構件5 和兩個轉(zhuǎn)動副E、F 引入的一個約束為虛約束。 在計算機構的自由度時，應從機構的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p，故F3n(2plph p) F如平行四邊形五桿機構的自由度為F34(2600)01計算平面機構自由度時應注意的事項(4/6)第19頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四（1）軌跡重合的情況 在機構中，如果用轉(zhuǎn)動副連接的是兩個構件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。 例如橢圓儀機構就是這種情況（圖中：CAD90，BCBD）。 顯然，轉(zhuǎn)動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿連接兩構件上距離恒

13、定不變的兩點的情況 在機構運動過程中，如果兩構件上兩點之間的距離始終保持不變， 若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。計算平面機構自由度時應注意的事項(5/6)4機構中的虛約束常發(fā)生的幾種情況第20頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四例如圖示平行四邊形機構就屬于此種情況。 顯然，構件 5和轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結構重復的情況 在機構中，不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。 顯然，從機構運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p

14、2。計算平面機構自由度時應注意的事項(6/6)第21頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 2-7 虛約束對機構工作性能的影響 及機構結構的合理設計1.虛約束對機構工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構運動的影響 虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構的性能。例如平行四邊形機構， 若誤差較小，則機構裝配困難，應力將增大，運動不靈活； 若誤差較大，則機構無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構件的受力情況；增加機構的剛度；保證機械通過某些特殊位置。第22頁，共46頁，2022年，5月20日，2點

15、43分，星期四 機構中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。 結論 從保證機構運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應盡量減少機構的虛約束。因此，虛約束的多少是機構性能的一個重要指標。2.機構結構的合理設計 機構結構的合理設計是指在不影響機構其他性能的前提下，通過運動副類型的合理選擇和裝配來盡可能減少虛約束的問題。 （1) 族別虛約束 將某些機構視為0族機構時機構所存在的虛約束的數(shù)目，以p表示， 則 pFF0式中：F 為機構的實際自由度；F0為機構被視為0族機構時的自由度數(shù)目。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(2/4)第23頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43

16、分，星期四例2-10 平面鉸鏈四桿機構F(6m)n(5m)p5(63)3(53)41F06n5p563542故 pFF01(2)3 顯然，這三個族別虛約束存在的條件是：所有鉸鏈的軸線要彼此平行。若不滿足上述條件，則機構將變成為F02的結構了。（2）消除或減少族別虛約束的方法 通過合理選擇和配置運動副的類型來消除或減少機構中族別虛約束。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(3/4)第24頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四例2-11 鉸鏈四桿機構 將轉(zhuǎn)動副B、C改為球面副和球銷副，則機構變?yōu)?族機構，即無族別虛約束。F6n5p54p43p3635241311例2-1

17、2 曲柄滑塊機構 將轉(zhuǎn)動副C變?yōu)榍蛎娓保瑒t此機構可減少2個族別虛約束。例2-13 正切機構 將其低副用高副替代，即變?yōu)楹c接觸的高副機構，則此機構中無虛約束。 虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(4/4)第25頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四 任何機構都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構成的。 不能再拆的最簡單的自由度為零的構件組，稱阿蘇爾或桿組。2-8 平面機構的組成原理、結構 分類及結構分析1.平面機構的組成原理例2-14 顎式碎礦機1）基本桿組： 2）機構組成原理：例2-15 顎式碎礦機 注意 在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動

18、副接于同一構件上，否則將起不到增加桿組的作用。第26頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四（1）基本桿組的條件3n2plph0式中n、pl及ph分別為基本桿組中的構件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。全為低副桿組的條件3n2pl0或 n/2pl/3 （2）桿組的基本類型1）級桿組由2個構件和3個低副構成的桿組。2）級桿組由4個構件和6個低副構成的桿組。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(2/4)第27頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四3.平面機構的結構分析（1）分析的目的了解機構的組成，確定機構的級別。（2）分析的方法1）先計算機構的自由度，并確定原動件； 2）從

19、遠離原動件的構件先試拆級組，若不成；再拆級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構的級別。（3）舉例破碎機機構的結構分析：1）若取機構1為原動件時， 此機構為級機構。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(3/4)第28頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四2）若取構件5為原動件時，先試拆級桿組， 顯然，這種拆法不成。再試拆級組，。 故此機構為級機構。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(4/4)第29頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四2-9 平面機構中的高副低代高副低代 機構中的高副以低副來代替的方法。（1）高副低代應滿足的條件：1）代替前后

20、機構的自由度完全相同；2）代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。（2）高副低代的方法：圓弧高副機構非圓弧高副機構第30頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四結論： 在平面機構中進行高副低代時，為了使代替前后機構的自由度、瞬時速度和加速度都保持不變， 只要用一個虛擬的構件分別與兩高副構件在接觸點的曲率中心處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)就行了。 若高副兩元素之一為直線，則低代時虛擬構件這一端的轉(zhuǎn)動副將轉(zhuǎn)化為移動副。 若高副兩元素之一為一個點，則低代時虛擬構件這一端的轉(zhuǎn)動副就在此點處。 由上述可知，在對高副機構進行分析時，可根據(jù)高副低代的方法，先將高副機構轉(zhuǎn)化為低副機構，然后再進行機構的結構

21、、運動及力分析。平面機構中的高副低代(2/2)第31頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四內(nèi)燃機及其機構運動簡圖第32頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四機構自由度計算舉例例 1 圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：動力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動導桿 3 作往復擺動，并帶動滑枕4作往復移動 ，以達到刨削加工目的。 試問圖示的構件組合是否能達到此目的？ 如果不能，該如何修改？1234第33頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四解：首先計算設計方案草圖的自由度 F = 3n-2Pl-Ph=34-26 =0改進措施：1. 增加一個低副和一

22、個活動構件；2. 用一個高副代替低副。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。1234第34頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四改進方案(2)(1)第35頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四改進方案(4)(3)第36頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四改進方案(5)(6)第37頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四改進方案(7)第38頁，共46頁，2022年，5月20日，2點43分，星期四例 2 如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。