機械工程學(xué)第04章.ppt

1、第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，由張策主編，機械原理與機械設(shè)計(第一部分)，機械工業(yè)出版社，2004年，黃等主編，機械原理，高等教育出版社，1997年，其他與機械原理相關(guān)的書籍，第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，本章重點介紹了構(gòu)件、運動副、機構(gòu)、自由度和約束等概念。這個機制有條件決定運動。平面機構(gòu)自由度的計算。注：本章只研究平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。第一節(jié)概述了第二節(jié)運動副及其分類，第三節(jié)平面機構(gòu)的運動簡圖，第四節(jié)平面機構(gòu)的自由度，第五節(jié)平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析，第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，第一節(jié)概述了機構(gòu)、部件和零件機構(gòu)是機械裝置，它們傳遞運動和力或引導(dǎo)部件上的點按照給定的軌跡運動。獨立運動單元、獨立制造單元、內(nèi)燃機

2、、儀表機構(gòu)、運動副、第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、由四個桿組成的裝置，當(dāng)桿1用作原動機并作出給定的獨立運動時，桿2和3與之作出確定的運動。這四根棒構(gòu)成了一種機制。第四章是機制的結(jié)構(gòu)分析。對于由五個桿組成的裝置，當(dāng)桿1作為原始運動部件并且進(jìn)行給定的獨立運動時，桿2、3和4的運動是不確定的。在這種情況下，五個小節(jié)的組合不能稱為一個機制。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，研究機構(gòu)的目的是探索機構(gòu)運動的可能性和決定運動的條件；對機構(gòu)進(jìn)行分類，建立相應(yīng)的運動和動力學(xué)分析的一般方法；正確繪制機構(gòu)運動圖；熟悉構(gòu)件組合機制的規(guī)則，理解機制的組合原則。第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，氣缸體、活塞、連桿、曲軸、曲柄連桿機構(gòu)、齒輪系、凸輪機構(gòu)

3、、部分連桿體1、連桿頭2、軸套3、軸瓦4和5、螺桿6、螺母7、開口銷8、部件連桿，第四章旋轉(zhuǎn)副、齒輪副、移動副，第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，運動副的要素構(gòu)成運動副的點、線、面。運動對元素的幾何形狀決定了兩個分量的相對運動形式。根據(jù)相對運動是平面運動還是空間運動，運動副的分類可以分為平面運動副和空間運動副。這本書主要討論平面運動副。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，以及各自由度構(gòu)件的獨立運動次數(shù)。約束對組件的獨立移動施加限制。三個獨立參數(shù)：x，y，第4章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，平面運動副的分類：低副：兩個部件之間有表面接觸的運動副。旋轉(zhuǎn)對的移動對有兩個約束。高副：兩個構(gòu)件之間點接觸或線接觸的運動副。有一個限制。運動

4、鏈，機構(gòu)，第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，平面低副，旋轉(zhuǎn)副(曲面接觸)，移動副(平面接觸)，第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，平面高副，凸輪高副(點接觸)，齒輪高副(線接觸)，第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，第3節(jié)平面機構(gòu)的運動圖，這表明在機構(gòu)中不按比例繪制的草圖稱為機構(gòu)示意圖。注意：該機構(gòu)的運動草圖與原機構(gòu)具有相同的運動特性！第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，繪制了機構(gòu)的運動圖，分析了機器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并沿著運動傳遞路線，找出了原運動部件、工作執(zhí)行部件和機架。確定部件的數(shù)量、運動副的數(shù)量、類型和相對位置。選擇元件的運動平面作為草圖的投影平面。選擇合適的長度比例，確定運動副的位置，用第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，常用平面運動副表示，第4章機

5、構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，實例：油泵機構(gòu)1盤2柱塞3部件4框架、A、B、C、1、2、3、實例2、實例3、實例1、4、第4章機構(gòu)第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，實例2:畫出偏心輪傳動機構(gòu)運動示意圖，第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，第4章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，實例3:圖解沖床。圍繞固定中心A旋轉(zhuǎn)的菱形盤1是原動機，其在點B處與滑塊2鉸接?；瑝K2推動叉3圍繞固定軸C旋轉(zhuǎn)。叉3和盤4是相同的部件。當(dāng)圓盤4旋轉(zhuǎn)時，沖頭6被連桿5沖壓。試畫出其機構(gòu)的運動圖。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，第四節(jié)是平面機構(gòu)的自由度，閉合鏈的每個成員至少有兩個運動副；封閉系統(tǒng)的開鏈的某些部件在開始和結(jié)束時只包含一個運動副；第四章是機構(gòu)的結(jié)

6、構(gòu)分析，機構(gòu)框架：固定構(gòu)件；通常相對于地面固定。運動者：根據(jù)已知運動定律獨立運動的成員；通常由轉(zhuǎn)向箭頭表示。從動件：其他可移動部件；它的運動規(guī)律由原動機的運動規(guī)律、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和部件的尺寸決定。返回，第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，機構(gòu)中每個部件相對于框架的獨立運動次數(shù)的自由度。以鉸鏈四桿機構(gòu)為例。因此，機構(gòu)的自由度是指可動構(gòu)件的總自由度數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差：F=3n-2PL-PH，第4章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，有條件地觀察機構(gòu)有確定的運動：1)自由度等于1，鉸接四桿機構(gòu)2)自由度等于2，鉸接五桿機構(gòu)3)自由度小于或等于0，桁架結(jié)論：當(dāng)F0，當(dāng)F0，原動機的數(shù)量為F，機構(gòu)原動機的數(shù)量f，機構(gòu)的運動是不

7、確定的；原動機的數(shù)量f，機構(gòu)有明確的運動。例如：牛頭刨床，第4章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，計算機構(gòu)自由度時的注意事項？當(dāng)同一軸上的兩個以上的構(gòu)件通過旋轉(zhuǎn)對連接時，形成復(fù)合鉸鏈。局部自由度在某些機構(gòu)中，某些部件的局部運動不影響其他部件的運動。這些局部運動的自由度稱為局部自由度。在虛擬約束機制中，一些運動副引入的約束可能與其他運動副的約束重復(fù)，因此在實踐中沒有約束效應(yīng)，這種約束就是虛擬約束。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)了機構(gòu)自由度計算中的注意事項，以及旋轉(zhuǎn)副中存在的正確處理方法：復(fù)合鉸鏈處有m個構(gòu)件，旋轉(zhuǎn)副有(m-1)個，復(fù)合鉸鏈和局部自由度往往發(fā)生在滾子處，在滾子處滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，以減少高副的磨損

8、。正確的處理方法：計算自由度時，減去局部自由度。虛擬約束存在于特定的幾何或結(jié)構(gòu)條件下。正確的處理方法：消除導(dǎo)致虛擬約束的組件和運動副。第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，示例：計算圖示機構(gòu)的自由度。N=3 PL=4 PH=0 F=33-24-0=1，1，2，3，4，虛約束，例1，例2，例3，第4章，機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，3，4，以構(gòu)件4為導(dǎo)入構(gòu)件1 (x1，y1，1)和導(dǎo)入構(gòu)件2 (x2，y2，2)與框架4鉸接形成旋轉(zhuǎn)副，引入兩個約束，構(gòu)件1相對于框架4的獨立移動次數(shù)只有1。那么F=3-2。以同樣的方式，引入了部件3，其與部件2鉸接以形成旋轉(zhuǎn)對，并且引入了兩個約束。部件3相對于框架4的獨立運動次數(shù)是1，F(xiàn)=(3-2

9、) (3-2) (3-2)。最后，部件3與框架4鉸接，以第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，鉸鏈四桿機構(gòu)，F(xiàn)=1，對于構(gòu)件1的每個旋轉(zhuǎn)位置，構(gòu)件2和3都有一個確定的位置，所以當(dāng)有一個原動機時，自由度等于1的機構(gòu)的運動是確定的。如果部件3也是原動機，也就是說，部件3可以在由部件1確定位置之后獨立移動，這是不能實現(xiàn)的，并且如果部件3被迫獨立移動，機構(gòu)將被損壞。在第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，鉸鏈五桿機構(gòu)，如果只使用部件1作為原動機，部件2，3和4的運動位置對于部件1的每個獨立運動是不確定的。如果構(gòu)件1和4作為原動機，可以看出，對于每個組(1和2)，構(gòu)件2和3具有確定的對應(yīng)位置，即，機構(gòu)的運動是確定的。第四章，機構(gòu)的

10、結(jié)構(gòu)分析，1)自由度F=0，這是一個靜定桁架，所有構(gòu)件不能產(chǎn)生相對運動。2)自由度F=-1，這是一個有太多約束的超靜定桁架。第四章是機制的結(jié)構(gòu)分析。圖為牛頭刨床初步設(shè)計方案。動力從齒輪1輸入，滑枕5通過齒輪機構(gòu)1、2和導(dǎo)桿機構(gòu)3、4來回移動，達(dá)到滑行的目的。試著分析它是否能達(dá)到設(shè)計意圖。第四章：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與求解：制作機構(gòu)的運動圖。當(dāng)n=5，PL=7，PH=1，自由度F=35-27-1=0時，表明機構(gòu)不能運動。因為構(gòu)件3和構(gòu)件5的鉸接點C不能同時實現(xiàn)沿水平方向的直線運動和圍繞點A的圓弧運動。第四章是機理的結(jié)構(gòu)分析，n=6，pl=8，ph=1，f=36-28-1=1，6，6，6，6，n=5，p

11、l=6，ph=2，f=35-。第四章是機制的結(jié)構(gòu)分析。由m個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈有(m -1)個轉(zhuǎn)動副。注意：復(fù)合鉸鏈只存在于旋轉(zhuǎn)副中！第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析計算機構(gòu)自由度時不考慮局部自由度。帶有滾子從動件的凸輪機構(gòu)如圖所示。除去局部自由度后，n=2，PL=2，PH=1，F(xiàn)=32-22-1=1。在第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析中，在計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)剔除具有虛擬約束的運動副和部件。虛擬約束的幾種情況發(fā)生：1)連接點的軌跡重合；2)當(dāng)不同部件上的兩個點之間的距離保持不變時，通過在兩個點之間添加一個部件和兩個旋轉(zhuǎn)對而引入的約束是虛擬約束。第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，3)當(dāng)兩個部件組成多個運動副，并且它們的導(dǎo)軌

12、相互平行時；或者，當(dāng)兩個構(gòu)件形成多個旋轉(zhuǎn)副并且它們的軸彼此重合時，只有一個移動副或旋轉(zhuǎn)副工作，其余的被視為虛擬約束。也就是說，兩個構(gòu)件在幾個地方接觸形成一個運動副。在第四章中，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析表明，n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1，兩個構(gòu)件在幾個位置接觸形成運動副，兩個構(gòu)件在幾個位置形成轉(zhuǎn)動副，每個轉(zhuǎn)動副的軸線重合。只有一個運動副作為約束，所有其他地方都是虛擬約束；根據(jù)只有一個計算！第四章是機制的結(jié)構(gòu)分析。4)虛擬約束將出現(xiàn)在對運動沒有影響的機構(gòu)的對稱部分。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，這是旋轉(zhuǎn)副C用于連接構(gòu)件2和3的情況。因為C2和C3在連接之前的軌跡是沿著Y軸的。此

13、時，旋轉(zhuǎn)副c將引入一個虛擬約束。在計算中，部件3、旋轉(zhuǎn)對c和3以及框架移動對被移除。F=3n-2 pl ph=34-26-0=0，正確計算：F=33-24-0=1，不包括導(dǎo)致虛擬約束的附加構(gòu)件和運動副的數(shù)量。第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，f=3n-2pl ph=33-24-0=1，f=3n-2pl引入了一個虛約束，它是正確的：n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1。第四章：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，例1:計算包裝機送紙機構(gòu)的自由度，并進(jìn)行判斷在計算自由度之前，直接刪除虛擬約束和局部自由度：n=6 pL=7 pH=3 F=3n-2pL-pH=1，第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，例2:計算圖形機構(gòu)

14、的自由度。如果存在復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛擬約束，則應(yīng)明確指出。帶箭頭的組件是原動機。復(fù)合鉸鏈、局部自由度、1虛擬約束、復(fù)合鉸鏈、第4章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、例3:計算圖形機構(gòu)的自由度。分析：該機構(gòu)有五個活動件和七個轉(zhuǎn)動副，即低副和無高副。因此，該機構(gòu)的自由度為F=3n-2pl pH35-27-0=1。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，第五章是平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析。為了便于分析包含高副的平面機構(gòu)，機構(gòu)中的高副由虛擬低副和根據(jù)特定條件的部件的適當(dāng)組合代替。更換高副和低代前后機構(gòu)的自由度、瞬時速度和瞬時加速度保持不變。第四章是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，高副低代的方法：用一個有兩個低副的虛擬部件代替高副，兩個低副分別

15、位于兩個高副和兩個元件的接觸點的曲率中心。第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，在接觸點的法線上找出接觸點的曲率中心K1和K2，用鉸接四桿機構(gòu)O1K1K2O2瞬間代替原來的高副機構(gòu)。第四章，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)兩個接觸輪廓中的一個為直線時，直線的曲率中心趨于無窮大，轉(zhuǎn)動副演化為運動副。第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析當(dāng)兩個接觸輪廓中的一個是點時，它的曲率半徑為零，轉(zhuǎn)動副在該點。第四章機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，兩個接觸輪廓分別為直線和點。第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，常見的高副和低代類型第四章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析最簡單的零自由度不能拆卸的構(gòu)件組稱為機構(gòu)的基本桿組。機構(gòu)的組成原理任何機構(gòu)都可以看作是由幾個基本桿組組成的結(jié)構(gòu)，這些桿組依次與原動機和機架相連。機構(gòu)的自由度f=F主動桿，1個框架的自由度為0，幾個基本桿組的自由度為0。第4章：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，如果基本桿組的成員數(shù)為n，下副數(shù)為P1，則可以得到F3n2PL0，所以n 2 4 6 PL 3 6 9，級桿組，級桿組，一個機構(gòu)的級別取決于其基本桿組中的最高級別，如級別機構(gòu)。第四章：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，八桿機構(gòu)的組成，第四章：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。注意：桿組的所有外部運動副不能平行連接到一個構(gòu)件，因為這種連接將使桿組和連接的零件形成桁架。如圖所示，它不能增加條組。第四章是機制的結(jié)構(gòu)分析。平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析將已知機構(gòu)分解為原動機、框架