平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析(2).ppt

第一章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,基本要求:,1、熟練掌握機構(gòu)運動簡圖的繪制方法。 能夠?qū)嶋H機構(gòu)或機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機構(gòu)運動簡圖；能看懂各種復(fù)雜機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖；能用機構(gòu)運動簡圖表達自己的設(shè)計構(gòu)思。 2、掌握運動鏈成為機構(gòu)的條件。 3、熟練掌握機構(gòu)自由度的計算方法。 能準(zhǔn)確識別出機構(gòu)中存在的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束， 計算機構(gòu)自由度。 4、掌握機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析的方法。 了解高副低代的方法；會判斷桿組、桿組的級別和機構(gòu)的級別。,主要內(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,1-1 研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的,1、在于探討機構(gòu)運動的可能性及其具有確定運動的條件。 2、將機構(gòu)按結(jié)構(gòu)加以分類，并按這種分類來建立運動分析和動力分析的一般方法。 3、了解機構(gòu)組成原理 ，指出合理設(shè)計機構(gòu)和創(chuàng)造新機構(gòu)的途徑。,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),一、運動副 運動副：兩構(gòu)件直接接觸所形成的可動聯(lián)接。 運動副元素：兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面部分。,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),構(gòu)件的自由度：構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目。 約束：運動副對構(gòu)件的獨立運動所加的限制。 二、運動副的分類： 1按運動副的接觸形式分： 低副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為面接觸，其接觸部分的壓強較低。 高副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為點、線接觸，其接觸部分的壓強較高。,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),2按相對運動的形式分 平面運動副：兩構(gòu)件之間的相對運動為平面運動。 空間運動副：兩構(gòu)件之間的相對運動為空間運動。,平面運動副,空間運動副,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),3按運動副引入的約束數(shù)分類 引入1個約束的運動副稱為1級副，引入2個約束的運動副稱為2級副，引入3個約束的運動副稱為3級副，引入4個約束的運動副稱為4級副， 引入5個約束的運動副稱為5級副 。 4. 按接觸部分的幾何形狀分 （如圖）,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),5、自由度、運動副約束 理論力學(xué)可知，構(gòu)件作任意復(fù)雜平面運動時，其運動可分解為三個獨立運動：沿x軸的移動，沿y軸的移動和繞垂直于XOY平面的軸A轉(zhuǎn)動。 自由度：把構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目(或確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目)稱為自由度。,作平面運動的自由構(gòu)件具有三個自由度,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),運動副約束：把對獨立運動所加的限制稱為約束。每加上一個約束，構(gòu)件便失去一個自由度；加上兩個約束，構(gòu)件便失去兩個自由度。 約束的多少和約束的特點完全取決于運動副的型式。 移動副：具有兩個約束 轉(zhuǎn)動副：具有兩個約束 高副：具有一個約束,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),三、運動鏈 定義：兩個以上構(gòu)件以運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。 1、閉鏈組成運動鏈的每個構(gòu)件至少包含兩個運動副元素，則構(gòu)件形成封閉系統(tǒng)，這種運動鏈稱為閉鏈。 2、開鏈如果運動鏈中有的構(gòu)件只包含一個運動副元素，便稱為開鏈。 如圖所示,1-2 運動副、運動鏈和機構(gòu),四、機構(gòu) 運動鏈中出現(xiàn)稱之為機架的固定(或相對固定)的構(gòu)件時，運動鏈被稱為機構(gòu)， 平面機構(gòu)：組成機構(gòu)的各構(gòu)件都在同一平面 或相互平行平面內(nèi)運動。 空間機構(gòu)：組成機構(gòu)的各構(gòu)件至少有一個構(gòu)件不在同一平面或相互平行平面內(nèi)運動。 構(gòu)成： 1、機架固定不動的構(gòu)件 2、原動件具有獨立運動的構(gòu)件（運動規(guī)律已知 的構(gòu)件） 3、從動件除機架和原動件以外的其余構(gòu)件,1-3 平面機構(gòu)運動簡圖,一、機構(gòu)運動簡圖 1、定義：用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構(gòu)件，并按一定比例尺表示機構(gòu)的運動尺寸（各運動副之間的相對位置關(guān)系），繪制出表示機構(gòu)的簡明圖形。它與原機械具有完全相同運動特性。 機構(gòu)示意圖：為了表明機械的組成狀況和結(jié)構(gòu)特征，不嚴(yán)格按比例繪制的簡圖。,1-3 平面機構(gòu)運動簡圖,2、作用 （1）現(xiàn)有機械分析 （2）新機械總體方案的設(shè)計 3、表示方法 用規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構(gòu)件，并按一定比例尺表示機構(gòu)的運動尺寸。 二、運動副和構(gòu)件的符號,1-3 平面機構(gòu)運動簡圖,三、機構(gòu)運動簡圖的繪制 方法：1、認(rèn)清機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動情況 （確定構(gòu)件的數(shù)目，運動副的數(shù) 目和類型，找出主動件） 2、選擇適當(dāng)?shù)耐队懊?3、選擇適當(dāng)比例尺 4、用規(guī)定的符號和線條畫出圖形 （從主動件開始畫） 例1：繪制小型壓力機的機構(gòu)運動簡圖,移動副,平面低副,轉(zhuǎn)動副：構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件只能繞某一軸線作相對轉(zhuǎn)動。,移動副：構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件只能沿某一軸線作相對移動。,轉(zhuǎn)動副,線接觸,點接觸,圓柱副,球面副,球面與圓柱副,螺旋副,圓柱與平面副,原動件 傳動部分 執(zhí)行部分 1 2 3 4 7 8 1 6 5 4 7 8,工作原理,1、分析機械的動作原理、組成情況和運動情況 工作原理 2、 沿著運動傳遞路線，分析兩構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，以確定運動副的類型和數(shù)目 轉(zhuǎn)動副： 偏心輪1和桿件2 桿件2和桿件3 桿件3和桿件4 滑塊7和壓桿8 槽凸輪6齒輪6和機座9 桿件4和滾子5 機座9和偏心輪1齒輪1 移動副 桿件3和機座9 桿件4和滑塊7 壓桿8和機座9 高副 齒輪1和齒輪6 滾子5和槽凸輪6,3. 適當(dāng)?shù)剡x擇運動簡圖的視圖平面 4. 選擇適當(dāng)比例尺 5. 畫簡圖 并從原動件開始，按傳動順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號和運動副的代號。在原動件上標(biāo)出箭頭以表示其運動方向。如圖,1-3 平面機構(gòu)運動簡圖,作業(yè)：P498 11至14,7/10/2019,1-4 平面機構(gòu)的自由度,一、平面機構(gòu)自由度,1、定義：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架的所 能有的獨立運動的數(shù)目稱為機構(gòu)中自由度。 2、計算公式 設(shè)某一平面機構(gòu)，除機架外共有n個活動構(gòu)件。通過PL個低副和PH個高副聯(lián)接各構(gòu)件。n個活動構(gòu)件在未用運動副聯(lián)接之前共具有3n個自由度，當(dāng)用PL個低副和PH個高副聯(lián)接之后，便受到2PL+PH個約束。故機構(gòu)自由度，應(yīng)為活動構(gòu)件自由度的總數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差，即 F = 3n - 2PL - PH,二、機構(gòu)具有確定運動的條件,舉例： 圖a所示： n=2 PL=3 PH=0 F=3n-2PL-PH = 0 各構(gòu)件間已無相對運動，只構(gòu)成了一 個剛性桁架，因而不能成為機構(gòu) 圖b所示 n=3 PL=5 PH=0 F=3n-2PL-PH = -1 已成為超靜定桁架了，也不能成為機 構(gòu)。,圖c所示 n=3 PL=4 PH=0 F=3n-2PL-PH = 1 若取構(gòu)件1為原動件，則從動畫演示中可以看出，構(gòu)件1每轉(zhuǎn)過一個角度，構(gòu)件2和構(gòu)件3便有一個確定的相對運動，也就是說這個運動鏈能成為機構(gòu)。 如果同時使構(gòu)件3 也成為原動件，則從動畫演示可以看出，運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，最薄弱的構(gòu)件將損壞 。,說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構(gòu)，原動件的數(shù)目不可多于運動鏈的自由度數(shù)。,圖(d)所示 n=4 PL=5 PH=0 F=3n-2PL-PH = 2 若同時取構(gòu)件1和構(gòu)件4作為原動件，則由動畫演示可以看出，構(gòu)件2和構(gòu)件3 具有確定的運動，即該運動鏈能成為機構(gòu)。 如果只取構(gòu)件1作為原動件，則由動畫演示可以看出，其余三個活動構(gòu)件2、3、4的運動不能確定，只能作無規(guī)則的運動。,說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構(gòu)，原動件的數(shù)目不可少于運動鏈的自由度數(shù)。,二、機構(gòu)具有確定運動的條件,由上可知： 1）F0 如原動件數(shù)大于機構(gòu)自由度數(shù)損壞 如原動件數(shù)大于機構(gòu)自由度數(shù)運動 不確定 綜上所述：機構(gòu)具有確定的運動條件是 機構(gòu)自由度數(shù)大于零，且原動件的數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。,三、計算機構(gòu)自由度的注意事項,1.復(fù)合鉸鏈 例1：計算圖示搖篩機構(gòu)的自由度：,計算是否正確？ 搖篩機構(gòu)中，構(gòu)件2、3、4同在C 處組成轉(zhuǎn)動副。因此此機構(gòu)的自由度為：,搖篩機構(gòu),搖篩機構(gòu)C 處側(cè)視圖,注意事項,定義：兩個以上構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連接，所構(gòu)成的運動副稱為復(fù)合鉸鏈。 解決問題的方法：若有K個構(gòu)件在同一處組成復(fù)合鉸鏈，則其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副數(shù)目應(yīng)為（K-1）個。,2.局部自由度 計算機構(gòu)自由度：,(a) F=2,(b) F=1,圖a F=3X3-2X3-1=2,圖b,注意事項,定義：若機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度僅與其自身的局部運動有關(guān)，并不影響其他構(gòu)件的運動，則稱這種自由度為局部自由度。 局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子；軸承中的滾珠。 解決的方法：計算機構(gòu)自由度時，設(shè)想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視為一個構(gòu)件。,注意事項,3.虛約束 定義：在特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運動副所引入的約束可能與其他運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。,計算圖示機構(gòu)自由度：,注意事項,虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合：,a.兩構(gòu)件之間構(gòu)成多個運動副時,b.兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變時,c.聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合時,d.機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分,注意事項,結(jié)論： 采用虛約束是為了改善構(gòu)件的受力情況；增加構(gòu)件的剛性；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛使用。 注意： 機構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成有效約束，而使機構(gòu)不能運動。,典型例題 在下圖所示機構(gòu)中，構(gòu)件AB, EF, CD相互平行且相等，試計算該機構(gòu)的自由度。,分析：注意機構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度及虛約束。,解：去掉機構(gòu)中的局部自由度和虛約束，則：,作業(yè)： P498 11至 14 113 114,1-5 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,一 、平面機構(gòu)的高副低代,概念：用低副代替高副 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含有高副的平面機構(gòu)。 高副低代必須滿足的條件： 1.替代前后機構(gòu)自由度不變 2.替代前后瞬時速度、加速度不變,方法：用兩個轉(zhuǎn)動副和一個構(gòu)件來代替一個高副，這兩個轉(zhuǎn)動副分別處在高副兩輪廓接觸點的曲率中心。,注意：對于一般的高副機構(gòu)，在不同位置有不同的瞬時替代機構(gòu)。經(jīng)高副低代后的平面機構(gòu)，可視為平面低副機構(gòu)。,請高副低代下圖所示的機構(gòu)。,二、平面機構(gòu)組成原理,任何機構(gòu)中都包含原動件、機架和從動件系統(tǒng)三部分。由于機架的自由度為零，每個原動件的自由度為1，而機構(gòu)的自由度等于原動件數(shù)，所以，從動件系統(tǒng)的自由度必然為零。 1.桿組（阿蘇爾組） 不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合稱為基本桿組，簡稱桿組 。,若桿組中有n個活動構(gòu)件、pL個低副，則有：,pL和n必須為整數(shù)。,II級桿組：,不包含封閉多邊形、只包含兩副構(gòu)件的桿組。,III級桿組:,包含具有三個運動副元素的剛性構(gòu)件(或三個構(gòu)件組成的三角形)的桿組稱為級組。,包含四個構(gòu)件組成的四邊形的桿組稱為級組；其余依此類推。,級組,級組,機構(gòu)的級別由桿組的最高級別決定。,2.機構(gòu)的組成原理： 把若干個自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上，就可組成新的機構(gòu)，其自由度數(shù)目與原動件的數(shù)目相等。,觀察八桿機構(gòu)的組成過程：,三、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是將已知機構(gòu)分解為原動件、機架、桿組，并確定機構(gòu)的級別。 拆桿組時應(yīng)遵循的原則： （1）從遠離原動件的構(gòu)件開始拆組； （2）試拆時，按二級組試拆，若無法拆除，再試拆高一級別的桿組； （3）每拆除一個桿組后，機構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個完整的機構(gòu)。（流程圖）,I級機構(gòu)：由一個原動件和一個相對固定的機架所組成的機構(gòu)。 注意事項：同一個運動鏈，當(dāng)原動件更換時，機構(gòu)的級別也有可能改變。 例題 ：試計算圖示沖壓機構(gòu)的自由度，并分析在下列情況下組成機構(gòu)的基本桿組及機構(gòu)的級別： （1）當(dāng)以構(gòu)件1為原動件時； （2）當(dāng)以構(gòu)件6為原動件時。,解： （1）機構(gòu)的自由度計算：,（2）分析當(dāng)構(gòu)件1作為原動件時機構(gòu)的組成情況。首先從傳動路線上離原動件最遠的構(gòu)件4開始拆桿組，先拆下由構(gòu)件4，5和轉(zhuǎn)動副K，L，M組成的級桿組，接著依次拆下3個級桿組：構(gòu)件6，7和轉(zhuǎn)動副J，I，H；構(gòu)件8，9和轉(zhuǎn)動副C，F(xiàn)，G；構(gòu)件2，3和轉(zhuǎn)動副B，D及移動副E；最后剩下由原動件1和機架10組成的級機構(gòu)，如圖b所示。由于組成該機構(gòu)的基本桿組的最高級別是級桿組，故該機構(gòu)為級機構(gòu)。,（3）分析當(dāng)構(gòu)件6為原動件時機構(gòu)的組成情況。首先從傳動路線上離原動件最遠的構(gòu)件3（沖頭）開始試拆桿組。先試拆級組。從圖中可以看出，如果拆除構(gòu)件3，2、移動副E、轉(zhuǎn)動副D和轉(zhuǎn)動副B，則構(gòu)件1,和轉(zhuǎn)動副C均