機械基礎(chǔ) 課件 項目二 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

項目二平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析學(xué)習(xí)導(dǎo)航知識目標：能力目標：掌握機構(gòu)的組成。掌握平面機構(gòu)運動簡圖的繪制方法。掌握機構(gòu)自由度的計算方法。會區(qū)分運動副的類型。會繪制平面機構(gòu)運動簡圖。會判斷機構(gòu)是否具有確定的運動。項目二平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析任務(wù)一機構(gòu)的組成任務(wù)三平面機構(gòu)的自由度任務(wù)四計算自由度時的特殊情況任務(wù)二

平面機構(gòu)的運動簡圖

1.機器概述機架曲軸連桿活塞進氣閥排氣閥推桿凸輪大齒輪小齒輪動畫單缸內(nèi)燃機1.機器概述顎式破碎機功用：壓碎物料組成：見右圖大帶輪4電動機1V帶3小帶輪2肘板7定顎板8動顎板6偏心軸5動畫2.機器功能驅(qū)動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)潤滑、顯示、照明等輔助部分操縱與控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器2.機器功能控制器(控制)電動機(原動)帶(傳動)減速器(傳動)波輪(執(zhí)行)分析自動洗衣機的組成：3.機器和機構(gòu)的定義

機器的主要特征：

1.它們都是人為實體（構(gòu)件）的組合。

2.各個運動實體（構(gòu)件）之間具有確定的相對運動。

3.能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人類完成有用的機械功。具有以上3個特征的實物組合稱為機器。而僅具備前兩個特征的稱為機構(gòu)。機器由機構(gòu)組成，從運動學(xué)角度分析，兩者無差異。工程上將機器和機構(gòu)統(tǒng)稱為機械。3.機器和機構(gòu)的定義凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)齒輪機構(gòu)

如圖所示的齒輪機構(gòu)，其運動特點是把高速轉(zhuǎn)動變?yōu)榈退俎D(zhuǎn)動或者相反。如圖所示的凸輪機構(gòu)，它利用凸輪的輪廓曲線使從動件做周期性的有規(guī)律的移動或擺動。4.構(gòu)件和零件的定義

構(gòu)件，是指機構(gòu)的基本運動單元。它可以是單一的零件，也可以是幾個零件聯(lián)接而成的運動單元。

零件是組成機器的最小制造單元。

部件是機器的裝配單元。4.構(gòu)件和零件的定義4.構(gòu)件和零件的定義動畫內(nèi)燃機連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋第2章平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機械一般由若干個常用機構(gòu)組成，而機構(gòu)是由兩個以上具有確定相對運動的構(gòu)件組成的。若組成機構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或平行平面中運動，則稱該機構(gòu)為平面機構(gòu)。工程中常見的機構(gòu)大多屬于平面機構(gòu)，本章僅討論平面機構(gòu)。任務(wù)一機構(gòu)的組成學(xué)習(xí)要點掌握運動副的分類及構(gòu)件組成。2.1.1基本概念2.1.2運動副及其分類機構(gòu)中的構(gòu)件有三類：固定不動的構(gòu)件稱為機架（或固定構(gòu)件）；按給定的運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件稱為原動件；機構(gòu)中其他活動構(gòu)件稱為從動件。從動件的運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律及運動副的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸。構(gòu)件的受力狀況及運動特點與構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，下面介紹幾種常見的構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

2.1.1基本概念如圖所示，圖(a)~圖(c)為含有兩個轉(zhuǎn)動副元素的桿狀構(gòu)件，圖(d)~圖(f)為含有三個轉(zhuǎn)動副元素的桿狀構(gòu)件。桿件的形狀主要取決于機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證運動時不發(fā)生干涉。具有轉(zhuǎn)動副元素的桿狀構(gòu)件1桿狀構(gòu)件具有轉(zhuǎn)動副元素的桿狀構(gòu)件

2.1.1基本概念設(shè)計時為了保證桿件受力時具有足夠的強度和剛度，其截面形狀可以設(shè)計成不同形式，常見的有如圖所示的幾種。具有轉(zhuǎn)動副元素的桿狀構(gòu)件1桿狀構(gòu)件截面形狀

2.1.1基本概念具有移動副元素和轉(zhuǎn)動副元素的構(gòu)件2單缸內(nèi)燃機構(gòu)造簡圖

2.1.1基本概念2.1.2運動副及其分類自由度1運動構(gòu)件相對于參考系所具有的獨立運動的數(shù)目，稱為構(gòu)件的自由度。

任一做平面運動的自由構(gòu)件有三個獨立的運動。

自由構(gòu)件的自由度動畫2.1.2運動副及其分類約束2當兩構(gòu)件組成運動副后，它們之間的某些相對運動受到限制，對于相對運動所加的限制稱為約束。每加上一個約束，自由構(gòu)件便失去一個自由度。

運動副的約束數(shù)目和約束特點取決于運動副是低副還是高副。2.1.2運動副及其分類運動副的概念3兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的連接稱為運動副。兩構(gòu)件只能在同一平面內(nèi)做相對運動的運動副稱為平面運動副。機構(gòu)是具有確定相對運動的多構(gòu)件組合體，為了傳遞運動和動力，各構(gòu)件之間必須以一定的方式連接起來，并且具有確定的相對運動。兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的連接稱為運動副。2.1.2運動副及其分類平面運動副的分類4按兩構(gòu)件間接觸性質(zhì)不同，平面運動副通?？煞譃榈透焙透吒?。(1)低副兩構(gòu)件形成面與面接觸的運動副稱為低副，又分轉(zhuǎn)動副和移動副。動畫動畫2.1.2運動副及其分類平面運動副的分類4(2)高副

兩構(gòu)件以點或線的形式相接觸而組成的運動副稱為高副。動畫動畫動畫2.1.2運動副及其分類運動副分類舉例限制自由度數(shù)量限制作用低副（面接觸）轉(zhuǎn)動副（圓柱面）2個限制兩個平移移動副（平面）限制一個轉(zhuǎn)動和一個法線平移高副（點線接觸）齒輪副1個限制法線平移凸輪副任務(wù)二平面機構(gòu)的運動簡圖學(xué)習(xí)要點認識平面機構(gòu)的運動簡圖。掌握機構(gòu)運動簡圖的符號及繪畫方法。2.2.1機構(gòu)運動簡圖的概念2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.1機構(gòu)運動簡圖的概念在研究機構(gòu)運動特性時，為使問題簡化，可不考慮構(gòu)件和運動副的實際結(jié)構(gòu)，只考慮與運動有關(guān)的構(gòu)件數(shù)目、運動副類型及相對位置。用規(guī)定的線條和符號表示構(gòu)件的運動副，并按一定的比例確定運動副的相對位置及與運動有關(guān)的尺寸，這種表明機構(gòu)的組成和各構(gòu)件間運動關(guān)系的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。不嚴格按比例繪制的機構(gòu)運動簡圖稱為機構(gòu)示意圖。2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制表明機構(gòu)的組成和各構(gòu)件間運動關(guān)系的簡單圖形，稱為機構(gòu)運動簡圖。平面機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟：

(1)分析機構(gòu)的組成，確定機架、原動件和從動件。

(2)由原動件開始，依次分析構(gòu)件間的相對運動形式，確定運動副的類型和數(shù)目。

(3)選擇適當?shù)囊晥D平面和原動件位置，以便清楚地表達各構(gòu)件間的運動關(guān)系。通常選擇與構(gòu)件運動平面平行的平面作為投影面。

(4)選擇適當?shù)谋壤擀蘬=構(gòu)件實際長度/構(gòu)件圖樣長度。(5)標記原動件。2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制例2-1繪制如圖所示的顎式破碎機主體機構(gòu)的運動簡圖。顎式破碎機主體機構(gòu)2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制例2-1繪制如圖所示的顎式破碎機主體機構(gòu)的運動簡圖。解

(1)由圖可知，顆式破碎機主體機構(gòu)由機架1、偏心軸2(如圖(b)所示)、動顆3、肘板4組成。機構(gòu)運動由帶輪J輸人，帶輪J與偏心軸2固連成一體(屬于同一構(gòu)件)，繞轉(zhuǎn)動中心A轉(zhuǎn)動，故偏心軸2為原動件。動領(lǐng)3和肘板4為從動件，動顆3通過肘板4與機架相連，并在偏心軸2的帶動下做平面運動將礦石打碎，故動顆3和肘板4為從動件。

(2)偏心軸2與機架1、偏心軸2與動領(lǐng)3、動領(lǐng)3與肘板4、肘板4與機架1均構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，其轉(zhuǎn)動中心分別為A、B、C、D。選擇構(gòu)件的運動平面為視圖平面，圖(c)所示的機構(gòu)運動瞬時位置為原動件位置。2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制

例2-2繪制如圖所示單缸內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖。已知LAB=75mm，LBC=300mm。

單缸內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖2.2.2平面機構(gòu)運動簡圖的繪制解(1)在內(nèi)燃機中，活塞為原動件，曲軸AB為工作構(gòu)件?；钊耐鶑?fù)運動經(jīng)連桿BC變換為曲軸AB的旋轉(zhuǎn)運動。

(2)活塞與缸體(機架)組成移動副，與連桿BC在C點組成轉(zhuǎn)動副;曲軸與缸體在A點組成轉(zhuǎn)動副，與連桿BC在B點組成轉(zhuǎn)動副。

(3)選長度比例尺μl=0.01m/mm，按規(guī)定符號繪制機構(gòu)運動簡圖，如圖所示?；钊拇笮∨c運動無關(guān)，可酌定。任務(wù)三平面機構(gòu)的自由度學(xué)習(xí)要點掌握自由度與約束的概念。會計算機構(gòu)自由度并判斷機構(gòu)運動的確定性。2.3.1機構(gòu)自由度的計算2.3.2機構(gòu)具有確定運動的條件2.3.1機構(gòu)自由度的計算設(shè)一個平面機構(gòu)由N個構(gòu)件組成，其中必有一個構(gòu)件為機架，則活動構(gòu)件數(shù)為n=N-1。它們在未組成運動副之前，共有3n個自由度。用運動副連接后便引入了約束，減少了自由度。若機構(gòu)中有PL個低副、PH個高副。則平面機構(gòu)的自由度F的計算公式為F=3n-2PL-PH因此，當機構(gòu)中原動件數(shù)等于機構(gòu)自由度數(shù)時，機構(gòu)中各構(gòu)件就會具有確定的相對運動。2.3.1機構(gòu)自由度的計算計算顎式破碎機的自由度。2.3.2機構(gòu)具有確定運動的條件當F≤0時F=3n-2PL-PH=3×2-2×3-0=0剛性結(jié)構(gòu)不可動，不是機構(gòu)動畫當F＞0，P＞F時F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1機構(gòu)卡死或損壞2.3.2機構(gòu)具有確定運動的條件動畫F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2當F＞0，P＜F時機構(gòu)運動不確定2.3.2機構(gòu)具有確定運動的條件由上述分析可知，機構(gòu)的自由度數(shù)目、原動件數(shù)目與機構(gòu)運動特性之間有著密切的聯(lián)系。自由度數(shù)目原動件數(shù)目結(jié)論F≤0－機構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間沒有相對運動，不能構(gòu)成機構(gòu)F＞0P＞F會導(dǎo)致機構(gòu)的薄弱構(gòu)件損壞P＜F機構(gòu)的運動不確定，從動件首先沿阻力小的方向運動P=F機構(gòu)中各構(gòu)件具有確定的相對運動表機構(gòu)具有確定運動的判斷方法動畫2.3.2機構(gòu)具有確定運動的條件任務(wù)四計算自由度時的特殊情況學(xué)習(xí)要點掌握復(fù)合鉸鏈的識別和應(yīng)對方法。掌握局部自由度的識別和應(yīng)對方法。掌握虛約束的識別和應(yīng)對方法。2.4.1復(fù)合鉸鏈2.4.2局部自由度2.4.3

虛約束2.4.1復(fù)合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件在同一處以同軸線的轉(zhuǎn)動副相連，稱為復(fù)合鉸鏈。一般地，k個構(gòu)件形成復(fù)合鉸鏈應(yīng)具有（k-1）個轉(zhuǎn)動副，計算自由度時應(yīng)注意找出復(fù)合鉸鏈。復(fù)合鉸鏈動畫動畫2.4.1復(fù)合鉸鏈

如圖所示為直線機構(gòu)，其構(gòu)件的長為AF=FE，AD=AB，BC=

CD=DE=EB，當構(gòu)件FE搖動時，C點的軌跡為垂直于AF的直線。該機構(gòu)在A、B、D、E四點均為由三個構(gòu)件組成軸線重合的兩個轉(zhuǎn)動副，即復(fù)合鉸鏈。該機構(gòu)n=7，PL=10，PH=0，其自由度為：F=3n-2PL-PH=3×7-2×10-0=1

直線機構(gòu)2.4.1復(fù)合鉸鏈2.4.2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。這些構(gòu)件所產(chǎn)生的這種局部運動的自由度稱為局部自由度。

在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)略去不計。

該機構(gòu)的自由度為F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=1動畫凸輪機構(gòu)局部與整體動畫2.4.2局部自由度2.4.3虛約束

機構(gòu)中與其他約束重復(fù)而對機構(gòu)運動不起新的限制作用的約束，稱為虛約束。計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)除去不計。

虛約束常出現(xiàn)在下列場合:

(1)兩構(gòu)件間形成多個具有相同作用的運動副。

①兩構(gòu)件在同一軸線上組成多個轉(zhuǎn)動副。計算機構(gòu)自由度時應(yīng)按一個轉(zhuǎn)動副計算。兩構(gòu)件組成多個運動副動畫動畫②兩構(gòu)件組成多處接觸點公法線重合的高副同樣應(yīng)只考慮一處高副，其余為虛約束。

③兩構(gòu)件組成多個導(dǎo)路平行或重合的移動副。

計算自由度時應(yīng)只算作一個移動副。兩構(gòu)件組成多個運動副2.4.3虛約束(2)兩構(gòu)件上