《機(jī)械原理》第一章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

第一章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析本章教學(xué)內(nèi)容§

1-1研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的§

1-2運(yùn)動副、運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)§

1-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖§

1-4平面機(jī)構(gòu)的自由度§

1-5平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析1、研究平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件；2、對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類并按其分類來建立運(yùn)動分析和動力分析的一般方法；3、了解平面機(jī)構(gòu)組成的基本原理；4、如何正確繪制常用機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖?！?-1研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的一、運(yùn)動副

◆運(yùn)動副：指兩構(gòu)件直接接觸形成的可動聯(lián)接。

◆運(yùn)動副元素：參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動副的點(diǎn)、線、面?！?-2運(yùn)動副、運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)運(yùn)動副元素不外乎為點(diǎn)、線、面。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(dú)立運(yùn)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(yùn)動的自由構(gòu)件具有3個自由度。約束：指通過運(yùn)動副聯(lián)接的兩構(gòu)件之間的某些相對獨(dú)立運(yùn)動所受到的限制。運(yùn)動副引入的約束數(shù)=兩構(gòu)件自由度減少的數(shù)目。構(gòu)件的自由度與約束低副：面接觸的運(yùn)動副。轉(zhuǎn)動副：兩構(gòu)件只作相對轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副。移動副：兩構(gòu)件只作相對移動的運(yùn)動副。轉(zhuǎn)動副移動副按照接觸特性把運(yùn)動副分為低副和高副。1個低副帶來2個約束慣性篩機(jī)構(gòu)齒輪副凸輪副高副：點(diǎn)接觸或線接觸的運(yùn)動副。1個高副帶來1個約束按運(yùn)動副的的運(yùn)動空間間分:平面運(yùn)動副副：指構(gòu)成運(yùn)動動副的兩構(gòu)構(gòu)件之間的的相對運(yùn)動動為平面運(yùn)運(yùn)動的運(yùn)動動副。空間運(yùn)動副副：指構(gòu)成運(yùn)動動副的兩構(gòu)構(gòu)件之間的的相對運(yùn)動動為空間運(yùn)運(yùn)動的運(yùn)動動副。只講平面運(yùn)運(yùn)動副。球面副二、運(yùn)動鏈鏈運(yùn)動鏈：指兩個以上上的構(gòu)件通通過運(yùn)動副副聯(lián)接而構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)統(tǒng)?！锲矫孢\(yùn)動鏈鏈：各構(gòu)件件間的相對對運(yùn)動為平平面運(yùn)動的的運(yùn)動鏈。。★空間運(yùn)動鏈鏈：各構(gòu)件件間的相對對運(yùn)動為空空間運(yùn)動的的運(yùn)動鏈。?！镩]鏈:運(yùn)動鏈鏈的各構(gòu)件件構(gòu)成首尾尾封閉的系系統(tǒng)?！镩_鏈:運(yùn)動鏈鏈的各構(gòu)件件未構(gòu)成首首尾封閉的的系統(tǒng)。平面運(yùn)動鏈鏈2314空間運(yùn)動鏈鏈三、機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu):在運(yùn)動鏈中中將一構(gòu)件件加以固定定,而其其余構(gòu)件都都具有確定定的運(yùn)動，，則運(yùn)動鏈鏈便成為機(jī)機(jī)構(gòu)。機(jī)架原動件機(jī)構(gòu)≈運(yùn)動鏈?機(jī)架原動件原動件◆機(jī)架◆原動件◆從動件◆平面機(jī)構(gòu):機(jī)構(gòu)中各構(gòu)構(gòu)件間的相相對運(yùn)動為為平面運(yùn)動動?！艨臻g機(jī)構(gòu):機(jī)構(gòu)中各構(gòu)構(gòu)件間的相相對運(yùn)動為為空間運(yùn)動動。依據(jù)機(jī)構(gòu)的的運(yùn)動是平平面運(yùn)動還還是空間運(yùn)運(yùn)動分為：：§1-3機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡簡圖內(nèi)燃機(jī)一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡簡圖的定義義及作用機(jī)構(gòu)的示意意圖：指僅僅以構(gòu)構(gòu)件和運(yùn)動動副的符號號表示機(jī)構(gòu)構(gòu)，不要求求嚴(yán)格地按按比例而繪繪制的簡圖圖。1、機(jī)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動簡圖：：不考慮那些些與運(yùn)動無無關(guān)的因素素，僅僅用用簡單的線線條和規(guī)定定的符號來來代表構(gòu)件件和運(yùn)動副副，并按一一定比例表表示運(yùn)動副副的相對位位置。這種種能準(zhǔn)確表表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動特性的的簡單圖形形稱為機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)動簡圖圖。作用：利用機(jī)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動簡圖可可以對機(jī)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)、運(yùn)動和和動力等的的分析。2、常用運(yùn)運(yùn)動副的符符號3、構(gòu)件的的表示方法法凹槽凸輪步驟：1、首先要要搞清楚所所繪制機(jī)械械的結(jié)構(gòu)和和動作原理理。確定機(jī)機(jī)構(gòu)中的機(jī)機(jī)架、原動動部分、傳傳動部分和和執(zhí)行部分分；2、從原動動件開始，，按照運(yùn)動動傳遞的順順序給構(gòu)件件編號，并并逐一分析析每兩個構(gòu)構(gòu)件間相對對運(yùn)動的性性質(zhì)，確定定運(yùn)動副的的類型和數(shù)數(shù)目;3、恰當(dāng)?shù)氐剡x擇投影影面：一般般選擇與機(jī)機(jī)械的多數(shù)數(shù)構(gòu)件的運(yùn)運(yùn)動平面相相平行的平平面作為投投影面；4、選擇適適當(dāng)?shù)谋壤?定定出各運(yùn)動動副之間的的相對位置置，用規(guī)定定的簡單線線條和各種種運(yùn)動副符符號,將將機(jī)構(gòu)運(yùn)動動簡圖畫出出來；5、標(biāo)出原原動件。二、機(jī)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動簡圖的的繪制例1繪繪制小型型壓力機(jī)的的機(jī)構(gòu)運(yùn)動動簡圖沖床例1＇：繪制圖示示顎式破碎碎機(jī)的機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)動簡圖圖分析：該機(jī)機(jī)構(gòu)有6個個構(gòu)件和7個轉(zhuǎn)動副副。123456顎式破碎機(jī)機(jī)§1-4平平面機(jī)機(jī)構(gòu)的自由由度一、平面機(jī)機(jī)構(gòu)的自由由度機(jī)構(gòu)的自由由度：機(jī)構(gòu)構(gòu)中各構(gòu)件件相對于機(jī)機(jī)架所具有有的獨(dú)立運(yùn)運(yùn)動的數(shù)目目。平面自由構(gòu)構(gòu)件：3個個自由度平面低副：：引入2個個約束平面高副：：引入1個個約束假設(shè)平面機(jī)機(jī)構(gòu)有n個個活動構(gòu)件件：3n個自由由度有PL個低副和PH個高副：引引入(2PL+PH)約束平面機(jī)構(gòu)的的自由度計計算公式：：F=3n-(2pl+ph)=3n-2pL-pH二、機(jī)構(gòu)具具有確定運(yùn)運(yùn)動的條件件F=3n-2pl–ph=3×3-2××4-0=1四桿機(jī)構(gòu)給定一個獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動參參數(shù)：其余構(gòu)件有有確定運(yùn)動動。機(jī)構(gòu)中給定定獨(dú)立運(yùn)動動參數(shù)的構(gòu)構(gòu)件為原動動件。五桿機(jī)構(gòu)給定一個獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動參參數(shù)：機(jī)構(gòu)沒有確確定運(yùn)動。。機(jī)構(gòu)具有確確定運(yùn)動時時所必須給給定的獨(dú)立立運(yùn)動參數(shù)數(shù)的數(shù)目稱稱為機(jī)構(gòu)的的自由度。。給定兩個獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動參參數(shù)：機(jī)構(gòu)有確定定運(yùn)動。F=3n-2pl–ph=3×4-2××5-0=2

Fa=3×2-2×3=0

Fb=3×3-2×5=-1F0運(yùn)動鏈不能運(yùn)動，不成為機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)的自由由度F、原原動件的數(shù)數(shù)目與機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)動特性性之間的關(guān)關(guān)系：1）F≤0時剛剛性性桁架，構(gòu)構(gòu)件間不能能產(chǎn)生相對對運(yùn)動。2）F>0時，F(xiàn)<原動件數(shù)數(shù)，機(jī)構(gòu)遭遭到破壞；；F>原動件件數(shù)，機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)動不確確定（能動動但是亂動動）；F=原原動動件件數(shù)數(shù)，，機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)具具有有確確定定運(yùn)運(yùn)動動。?！艚Y(jié)論論例2例2＇＇、、例例3＇＇三、、計計算算機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)自自由由度度應(yīng)應(yīng)注注意意的的事事項(xiàng)項(xiàng)（1））復(fù)復(fù)合合鉸鉸鏈鏈:兩個個以以上上構(gòu)構(gòu)件件同同在在一一處處以以轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副相相聯(lián)聯(lián)接接即即構(gòu)構(gòu)成成復(fù)復(fù)合合鉸鉸鏈鏈。。m個個構(gòu)構(gòu)件件以以復(fù)復(fù)合合鉸鉸鏈鏈聯(lián)聯(lián)接接所所構(gòu)構(gòu)成成的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副數(shù)數(shù)為為(m-1)個個。。復(fù)合合鉸鉸鏈鏈八桿桿機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu).avi例3解：：F=3n-2pl–ph=3××7-2××6-0=9解：：F=3n-2pl–ph=3××7-2××10-0=1例4＇＇準(zhǔn)確確識識別別復(fù)復(fù)合合鉸鉸鏈鏈舉舉例例關(guān)鍵鍵：：分辨辨清清楚楚哪哪幾幾個個構(gòu)構(gòu)件件在在同同一一處處形形成成了了轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副123134212341321432312兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副兩個個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副例5＇＇（（P4991-6））解：：F=3n-2pl–ph=3××3-2××3-1=2方法法：：假假想想構(gòu)構(gòu)件件2和和3焊焊成成一一體體F=3n-2pl–ph=3××2-2××2-1=1（2））局部部自自由由度度機(jī)構(gòu)構(gòu)中中某某些些構(gòu)構(gòu)件件所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的局局部部運(yùn)運(yùn)動動并并不不影影響響其其他他構(gòu)構(gòu)件件的的運(yùn)運(yùn)動動,把把這這種種局局部部運(yùn)運(yùn)動動的的自自由由度度稱稱為為局局部部自自由由度度。。注意意：：計計算算機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)自自由由度度時時,應(yīng)應(yīng)將將局局部部自自由由度度除除去去不不計計。。例4凸輪輪例6＇＇（3））虛約約束束指機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)在在某某些些特特定定幾幾何何條條件件或或結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)條條件件下下，，有有些些運(yùn)運(yùn)動動副副帶帶入入的的約約束束對對機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動動實(shí)實(shí)際際上上起起不不到到獨(dú)獨(dú)立立的的約約束束作作用用,這這些些對對機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動動實(shí)實(shí)際際上上不不起起約約束束作作用用的的約約束束稱稱為為虛虛約約束束。。注意意：：在在計計算算自自由由度度時時，，應(yīng)應(yīng)將將虛虛約約束束除除去去不不計計。。去除除虛虛約約束束的的方方法法：：不計計引引起起虛虛約約束束的的附附加加構(gòu)構(gòu)件件和和運(yùn)運(yùn)動動副副數(shù)數(shù)。。F=3n-2pl–ph虛約約束束常常出出現(xiàn)現(xiàn)的的情情況況：：1））機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動動過過程程中中,某某兩兩構(gòu)構(gòu)件件上上的的兩兩點(diǎn)點(diǎn)之之間間的的距距離離始始終終保保持持不不變變,將將此此兩兩點(diǎn)點(diǎn)以以構(gòu)構(gòu)件件相相聯(lián)聯(lián),則則將將帶帶入入1個個虛虛約約束束。。F=3n-2pl–ph=3××3-2××4-0=1F=3n-2pl–ph=3××4-2××6-0=0虛約約束束1F=3n-2pl–ph=3×4-2×6-0=0當(dāng)構(gòu)件上某點(diǎn)點(diǎn)的軌跡為直直線時，若在在該點(diǎn)鉸接一一個滑塊并使使其導(dǎo)路與該該直線重合，，此時也引入入一個虛約束束。（機(jī)構(gòu)中中兩構(gòu)件未聯(lián)聯(lián)接前的聯(lián)接接點(diǎn)軌跡重合合,則該聯(lián)聯(lián)接引入虛約約束。）正確計算：●不計引起虛虛約束的附加加構(gòu)件和運(yùn)動動副數(shù)。F=3n-2pl–ph=3×3-2×4-0=1橢圓儀只有一個運(yùn)動動副起約束作作用,其它各各處均為虛約約束;2）兩構(gòu)件在在幾處接觸而而構(gòu)成移動副副且導(dǎo)路互相相平行或重合合。3）兩個構(gòu)件件組成在幾處處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副副且各轉(zhuǎn)動副副的軸線是重重合的。演軸承支撐4）某些不影影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動動的對稱部分分或重復(fù)部分分所帶入的約約束為虛約束束。對稱機(jī)構(gòu)1、2目的：為了傳遞較大大功率，保持持機(jī)構(gòu)受力平平衡。5）若兩兩構(gòu)件在多處處相接觸構(gòu)成成平面高副，，且各接觸點(diǎn)點(diǎn)處的公法線線重合,則只只能算一個平平面高副。若若公法線方向向不重合，將將提供2個約約束。有一處為虛約約束此兩種情況沒沒有虛約束等徑凸輪小結(jié)存在于轉(zhuǎn)動副副處正確處理方法法：復(fù)合鉸鏈鏈處有m個構(gòu)構(gòu)件則有(m-1)個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副◆復(fù)合鉸鉸鏈◆局部自由度度常發(fā)生在為減減小高副磨損損而將滑動摩摩擦變成滾動動摩擦所增加加的滾子處。。正確處理方法法：將滾子和和桿焊接為一一體，計算自自由度時將局局部自由度減減去。◆虛約束存在于特定的的幾何條件或或結(jié)構(gòu)條件下下。正確處理方法法：將引起虛虛約束的構(gòu)件件和運(yùn)動副除除去不計。例5：計算大大篩機(jī)構(gòu)自由由度復(fù)合鉸鏈？局部自由度？？虛約束？n=7PL=9PH=1F=3×7-2×9––1=2一、平面機(jī)構(gòu)構(gòu)的低副代替替高副法§1－5平平面機(jī)構(gòu)的組組成原理和結(jié)結(jié)構(gòu)分析◆平面機(jī)構(gòu)中高高副低代的目目的為了使平面低低副機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)分析和運(yùn)動動分析的方法法適用于所有有平面機(jī)構(gòu)，，需要進(jìn)行平平面機(jī)構(gòu)的高高副低代?！舾吒钡痛暮x根據(jù)一定條件件對平面高副副機(jī)構(gòu)的中高高副虛擬地用用低副來代替替的方法?！舾吒钡痛臈l件：①代替前后機(jī)機(jī)構(gòu)的自由度度不變；②代替前后機(jī)機(jī)構(gòu)的瞬時速速度和瞬時加加速度不變。?！舾吒钡痛椒椒ńY(jié)論：用一個含有有兩個低副的的虛擬構(gòu)件來來代替高副，，且兩低副位位置分別在兩兩高副兩元素素接觸點(diǎn)處的的曲率中心。。分析：高副：：提供1個約約束低副：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(jī)構(gòu)構(gòu)高副兩元素之之一為直線，則轉(zhuǎn)動副演演化為移動副副。幾種特殊情況況：用1個滑塊+1個移動副副+1個轉(zhuǎn)動動副代替。因其曲率中心心在無窮遠(yuǎn)處處，則其中的的一個轉(zhuǎn)動副副變?yōu)橐苿痈备?；高副兩元素之之一為一點(diǎn)，點(diǎn)的曲率半半徑為零。用1個構(gòu)件+2個轉(zhuǎn)動副副（其中接觸觸點(diǎn)為1個構(gòu)構(gòu)件的曲率中中心）代替。。因其曲率半徑徑為零，其中中一個轉(zhuǎn)動副副就在該點(diǎn)處處。二、機(jī)構(gòu)的組組成原理1、基本桿組組：從動件系系統(tǒng)中若干個個不能再拆的的、自由度為零的構(gòu)件組稱為為機(jī)構(gòu)的基本本桿組。機(jī)架機(jī)機(jī)架自由度度數(shù)=0(∵∵靜止）原動件原原動件件數(shù)=自由度度數(shù)從動件從從動動件自由度=0基本桿組的分分類對于全低副的的桿組：n個構(gòu)件、pL個低副n和pl為整數(shù)n=2,4,6…根據(jù)n的取值基本桿桿組分為以下下幾種情況：：（1）只包含含兩副構(gòu)件的的桿組稱為ⅡⅡ級桿組n=2，PL=3常見Ⅱ級桿組組的形式為（2）包含具具有三個運(yùn)動動副的剛性構(gòu)構(gòu)件的桿組稱稱為Ⅲ級桿組n=4,，，PL=6（3）IV級桿組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有有兩個三副桿桿，且4個構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成四邊邊形結(jié)構(gòu)。常見的三種形形式為更高級別的桿桿組機(jī)構(gòu)組成原理理指把若干個個自由度為零零基本桿組依依次聯(lián)接到原原動件和機(jī)架架上，就可以以組成自由度度數(shù)與原動件件數(shù)相等的新新機(jī)構(gòu)。2.機(jī)構(gòu)構(gòu)的組成原理理◆機(jī)構(gòu)組成過過程◆機(jī)構(gòu)創(chuàng)新新設(shè)計應(yīng)遵循循的原則利用機(jī)構(gòu)組成成原理進(jìn)行機(jī)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新時，，在滿足相同同工作要求的的條件下，機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越越簡單、桿組組的級別越低低、構(gòu)件數(shù)和和運(yùn)動副數(shù)越越少越好。見圖1-23注意：在桿組組并聯(lián)時，不不能將同一桿桿組的各個外外接運(yùn)動副接接于同一構(gòu)件件上，否則將將起不到增加加桿組的作用用。圖平面機(jī)構(gòu)的結(jié)結(jié)構(gòu)分類◆II級機(jī)構(gòu)指機(jī)構(gòu)中基本本桿組的最高高級別為II級的機(jī)構(gòu)。。◆III級機(jī)構(gòu)構(gòu)指機(jī)構(gòu)中基本本桿組的最高高級別為III級的機(jī)構(gòu)構(gòu)?！簪窦墮C(jī)構(gòu)只由機(jī)架和原原動件組成的的機(jī)構(gòu)稱為ⅠⅠ級的機(jī)構(gòu)。。（杠桿機(jī)構(gòu)、、斜面機(jī)構(gòu)））◆機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分類類的依據(jù)：