機械原理自由度課件

1、第第1章章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 基本要求及重點、難點基本要求及重點、難點 運動副及其分運動副及其分類類 平面機構(gòu)運動簡圖平面機構(gòu)運動簡圖 平面機構(gòu)的自由度計算平面機構(gòu)的自由度計算 基本要求和重點基本要求和重點 了解研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的、機構(gòu)的組成，了解研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的、機構(gòu)的組成，熟練掌握運動簡圖的繪制和機構(gòu)自由度的熟練掌握運動簡圖的繪制和機構(gòu)自由度的計算，會進行平面機構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分計算，會進行平面機構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析析 1.1 研究機構(gòu)的目的研究機構(gòu)的目的1、探討機構(gòu)運動的可能性和確定性、探討機構(gòu)運動的可能性和確定性2、對機構(gòu)按結(jié)構(gòu)進行分類，并建立運、對機構(gòu)按結(jié)構(gòu)進行

2、分類，并建立運動分析和動力分析的一般方法動分析和動力分析的一般方法3、了解機構(gòu)的組成原理、了解機構(gòu)的組成原理4、繪制機構(gòu)運動簡圖、繪制機構(gòu)運動簡圖1.2 運動副、運動鏈和機構(gòu)運動副、運動鏈和機構(gòu)1、運動副：兩個構(gòu)件直接接觸形成的可動聯(lián)接。、運動副：兩個構(gòu)件直接接觸形成的可動聯(lián)接。2、運動副元素：兩構(gòu)件構(gòu)成運動副時直接接觸的點、運動副元素：兩構(gòu)件構(gòu)成運動副時直接接觸的點、線、面部分。線、面部分。自由度和約束自由度和約束 自由度：構(gòu)件具有的獨立運動的數(shù)目自由度：構(gòu)件具有的獨立運動的數(shù)目（確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目（確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目 約束：對獨立運動所加的限制約束：對獨立運動所加的

3、限制 3、運動副分類：、運動副分類：（1）按運動副的接觸形式分為低幅和高副）按運動副的接觸形式分為低幅和高副低幅：面與面接觸的運動副；接觸面壓強較低。低幅：面與面接觸的運動副；接觸面壓強較低。高副：點或線接觸的運動副。接觸面壓強較高，易磨損。高副：點或線接觸的運動副。接觸面壓強較高，易磨損。 常見低幅常見低幅 常見高副常見高副（2）按相對運動形式分平面副和空間副按相對運動形式分平面副和空間副 平面副平面副 空間副空間副運動鏈運動鏈 由兩個或兩個以上構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而由兩個或兩個以上構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。分兩類：閉式和開式。構(gòu)成的系統(tǒng)。分兩類：閉式和開式。開式運動鏈開式運動鏈機構(gòu)機構(gòu)

4、 原動件：按給定運動規(guī)律獨原動件：按給定運動規(guī)律獨力運動的構(gòu)件。力運動的構(gòu)件。 從動件：其余的活動構(gòu)件。從動件：其余的活動構(gòu)件。 機架：固定不動的構(gòu)件。機架：固定不動的構(gòu)件。機構(gòu)分類：閉式鏈機構(gòu)和開式鏈機構(gòu)。機構(gòu)分類：閉式鏈機構(gòu)和開式鏈機構(gòu)。1.2 平面機構(gòu)的運動簡圖平面機構(gòu)的運動簡圖 必須與原機構(gòu)具有完全相同的運動特性，它不僅可必須與原機構(gòu)具有完全相同的運動特性，它不僅可以用來表示機構(gòu)的運動情況，而且還可以根據(jù)機構(gòu)簡圖以用來表示機構(gòu)的運動情況，而且還可以根據(jù)機構(gòu)簡圖對機構(gòu)進行運動分析和受力分析，它是一種用簡單線條對機構(gòu)進行運動分析和受力分析，它是一種用簡單線條和符號表示機構(gòu)的工程圖形語言。應(yīng)

5、表明：和符號表示機構(gòu)的工程圖形語言。應(yīng)表明：機構(gòu)的種機構(gòu)的種類，構(gòu)件的數(shù)目及相互傳動的路線，運動副的種類、數(shù)類，構(gòu)件的數(shù)目及相互傳動的路線，運動副的種類、數(shù)目。目。沒有嚴格按比例繪制的簡圖稱為機構(gòu)示意圖。沒有嚴格按比例繪制的簡圖稱為機構(gòu)示意圖。1.2.1 機構(gòu)運動簡圖及其用途機構(gòu)運動簡圖及其用途機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖用國標規(guī)定用國標規(guī)定的簡單符號和線條表示運動副和構(gòu)的簡單符號和線條表示運動副和構(gòu)件，并按一定的比例表示運動副的件，并按一定的比例表示運動副的位置，這種用來說明機構(gòu)各構(gòu)件間位置，這種用來說明機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的圖形，稱為機相對運動關(guān)系的圖形，稱為機構(gòu)運構(gòu)運動簡圖。動簡圖。運動

6、副與構(gòu)件的表示方法運動副與構(gòu)件的表示方法 2. 運動副的表示方法運動副的表示方法 3. 構(gòu)件的表示方法構(gòu)件的表示方法 轉(zhuǎn)動副符號 移動副符號 高副符號 1. 構(gòu)件的種類構(gòu)件的種類 1 1）固定件或機架；）固定件或機架；2 2）原動件；）原動件；3 3）從動件）從動件*必須有一個機架，至少有一個原動件，其余為活動構(gòu)件。必須有一個機架，至少有一個原動件，其余為活動構(gòu)件。 用途：用途：分析現(xiàn)有機械，構(gòu)思設(shè)計新機械。分析現(xiàn)有機械，構(gòu)思設(shè)計新機械。 其他零部件的表示方法可參看其他零部件的表示方法可參看GB446084“機構(gòu)運機構(gòu)運動簡圖符號動簡圖符號”。 繪制小型壓力機機構(gòu)運動簡圖繪制小型壓力機機構(gòu)運動

7、簡圖1.3 平面機構(gòu)的自由度平面機構(gòu)的自由度 自由度自由度可能出現(xiàn)的獨立運動稱為構(gòu)件的自由度。可能出現(xiàn)的獨立運動稱為構(gòu)件的自由度。 設(shè)平面機構(gòu)共有設(shè)平面機構(gòu)共有N N個構(gòu)件，低副和高副數(shù)目分別為個構(gòu)件，低副和高副數(shù)目分別為P PL L和和P PH H，如將機構(gòu)中某一構(gòu)件固定為機架，則機構(gòu)中的活動構(gòu)件數(shù)為如將機構(gòu)中某一構(gòu)件固定為機架，則機構(gòu)中的活動構(gòu)件數(shù)為n n= =N N1 1。由于活動構(gòu)件給機構(gòu)帶進。由于活動構(gòu)件給機構(gòu)帶進3 3n n個自由度，而機構(gòu)中全部個自由度，而機構(gòu)中全部運動副所引入的約束總數(shù)為運動副所引入的約束總數(shù)為2 2 P PL L + P + PH H。因此活動構(gòu)件的自由度。因

8、此活動構(gòu)件的自由度總數(shù)減去由運動副引入的約束總數(shù)就是該機構(gòu)的自由度，用總數(shù)減去由運動副引入的約束總數(shù)就是該機構(gòu)的自由度，用F F表示，即表示，即 HL23PPnF1.3.1 平面機構(gòu)自由度及其計算公式平面機構(gòu)自由度及其計算公式 1.3.2 機構(gòu)具有確定相對運動的條件機構(gòu)具有確定相對運動的條件 機構(gòu)具有確定相對運動的條件機構(gòu)具有確定相對運動的條件: 機構(gòu)的自由度等于原動件個數(shù)。機構(gòu)的自由度等于原動件個數(shù)。原動件活原動件活塞，自由塞，自由度為度為1。將直線運將直線運動變位往動變位往復(fù)擺動。復(fù)擺動。1.3.3 計算平面機構(gòu)自由度的注意事項計算平面機構(gòu)自由度的注意事項 1復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈 兩個以上的構(gòu)

9、件在同一軸線上用轉(zhuǎn)兩個以上的構(gòu)件在同一軸線上用轉(zhuǎn)動副連接起來形成復(fù)合鉸鏈。由動副連接起來形成復(fù)合鉸鏈。由K K個構(gòu)個構(gòu)件匯交成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當包含件匯交成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當包含( (K K1)1)個個回轉(zhuǎn)副。計算時不可漏算。回轉(zhuǎn)副。計算時不可漏算。 計算自由度計算自由度17*25*323HLppnFA為復(fù)合鉸鏈為復(fù)合鉸鏈例：計算圖所示圓盤鋸主體例：計算圖所示圓盤鋸主體機構(gòu)的自由度。機構(gòu)的自由度。 解解 機構(gòu)中有機構(gòu)中有7 7個活動構(gòu)件，個活動構(gòu)件，n n =7=7， E E，B B，C C，D D 4 4處處都是都是3 3個構(gòu)件匯交成的復(fù)個構(gòu)件匯交成的復(fù)合鉸鏈，各有二個回轉(zhuǎn)合鉸鏈，各有二個回轉(zhuǎn)副，故

10、副，故P PL L=10=10。11027323HLPPnFF F與機構(gòu)原動件個數(shù)相等。因此，當原動件與機構(gòu)原動件個數(shù)相等。因此，當原動件8 8轉(zhuǎn)動時，圓盤中心轉(zhuǎn)動時，圓盤中心E E將確定地沿直線將確定地沿直線EEEE移動。移動。 2局部自由度局部自由度 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)，并不影響其它構(gòu)件的運動，則稱該自由度為局部動有關(guān)，并不影響其它構(gòu)件的運動，則稱該自由度為局部自由度。自由度。 發(fā)生場合：有滾子的地方，就一定有局部自由度發(fā)生場合：有滾子的地方，就一定有局部自由度 解決方法：將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，將解

11、決方法：將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，將二者視為一個構(gòu)件。二者視為一個構(gòu)件。 3虛約束虛約束 在特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運動副所引入的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它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨約束可能與其它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)約束為序約束立限制作用的重復(fù)約束為序約束 ，計算自由度時去掉。計算自由度時去掉。 虛約束經(jīng)常出現(xiàn)場合：虛約束經(jīng)常出現(xiàn)場合：（1 1）兩構(gòu)件構(gòu)成多個運動副時）兩構(gòu)件構(gòu)成多個運動副時兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，但其軸線相重合：為了改善構(gòu)件兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，但其軸線相重合：為了改善構(gòu)件受力情況。受力情

12、況。兩構(gòu)件構(gòu)成多個運動副時，但其導(dǎo)路相互平行或重兩構(gòu)件構(gòu)成多個運動副時，但其導(dǎo)路相互平行或重合：為了改善構(gòu)件受力情況。合：為了改善構(gòu)件受力情況。兩構(gòu)件組成多個平面高副，但接觸點之兩構(gòu)件組成多個平面高副，但接觸點之間的距離為常數(shù)間的距離為常數(shù)（2）兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過）兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變。程中始終保持不變。（3）聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的）聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合軌跡重合（4）機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分）機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分計算圖示大篩機構(gòu)的自由度計算圖示大篩機構(gòu)的自由度復(fù)合鉸鏈：復(fù)合鉸鏈：C點；局部自由度：滾在點；局部自由度

13、：滾在9與活塞與活塞4視為一體；視為一體；虛約束：與虛約束：與兩處移動副，去掉一個虛約束；彈簧兩處移動副，去掉一個虛約束；彈簧10不影響機構(gòu)自由度，去掉。不影響機構(gòu)自由度，去掉。得機構(gòu)得機構(gòu)1.4 機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析1.4.1 平面機構(gòu)的高副低代平面機構(gòu)的高副低代 根據(jù)一定條件對機構(gòu)中的高副以低副代替，根據(jù)一定條件對機構(gòu)中的高副以低副代替，稱為高副低代。稱為高副低代。 代替條件：代替前后機構(gòu)自由度不變；瞬時代替條件：代替前后機構(gòu)自由度不變；瞬時度和瞬時加速度不變。度和瞬時加速度不變。 方法：一個構(gòu)件加兩個低幅。方法：一個構(gòu)件加兩個低幅。構(gòu)件：過接觸構(gòu)件：過接觸點法

14、線，兩個低幅：即為接觸點圓弧曲率中心。點法線，兩個低幅：即為接觸點圓弧曲率中心。 高副接觸有三種：圓弧和圓弧接觸；點和圓高副接觸有三種：圓弧和圓弧接觸；點和圓弧接觸；線和圓弧接觸?；〗佑|；線和圓弧接觸。1、圓弧和圓弧接觸、圓弧和圓弧接觸（1）圓形曲線：）圓形曲線：圖示，兩構(gòu)件在圖示，兩構(gòu)件在c點構(gòu)成高副，機構(gòu)點構(gòu)成高副，機構(gòu)在運動過程中，在運動過程中，AO1、BO、O1O長度不變，用一桿長度不變，用一桿O1O加兩副加兩副O(jiān)1和和O代替了原高副代替了原高副C。（2）非圓形曲線）非圓形曲線由于曲線各處曲率中心的位置不同，故在機構(gòu)運動中隨著由于曲線各處曲率中心的位置不同，故在機構(gòu)運動中隨著接觸點的改

15、變，曲率中心接觸點的改變，曲率中心OO1相對于構(gòu)件相對于構(gòu)件1、2的位置及的位置及OO1間的距離也會隨之改變。因此對于一般的高副機構(gòu)，間的距離也會隨之改變。因此對于一般的高副機構(gòu)，在不同的位置有不同的瞬時替代機構(gòu)。在不同的位置有不同的瞬時替代機構(gòu)。實例實例如果是一對齒輪，如何替代？如果是一對齒輪，如何替代？2、點和圓弧接觸、點和圓弧接觸2、直線和圓弧接觸、直線和圓弧接觸1.4.2 機構(gòu)的組成原理（低副機構(gòu)）機構(gòu)的組成原理（低副機構(gòu)） 任何機構(gòu)中都包含原動件、機架和從動件系任何機構(gòu)中都包含原動件、機架和從動件系統(tǒng)三部分，而原動件的個數(shù)與自由度相等，所以統(tǒng)三部分，而原動件的個數(shù)與自由度相等，所以去

16、掉原動件，從動件系統(tǒng)的自由度為零。去掉原動件，從動件系統(tǒng)的自由度為零。 桿組：從動件系統(tǒng)可分解成若干個不可再分桿組：從動件系統(tǒng)可分解成若干個不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合，稱為基本桿組。簡稱的自由度為零的構(gòu)件組合，稱為基本桿組。簡稱桿組。桿組。 分類：從動件系統(tǒng)的自由度分類：從動件系統(tǒng)的自由度F=3n-2PL=01）n=2，PL=3 -二類桿組（二桿三副）二類桿組（二桿三副）2）n=4，PL=6 -多類桿組（四桿六副）多類桿組（四桿六副）更高級別的基本桿組在實際機構(gòu)中很少遇到。更高級別的基本桿組在實際機構(gòu)中很少遇到。常見二級桿組：常見二級桿組：常見多級桿組：常見多級桿組：最常見的是如左最常見的是如左圖所示的三級圖所示的三級桿組。其特征桿組。其特征是具有一個三是具有一個三副構(gòu)件，而每副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所聯(lián)接個內(nèi)副所聯(lián)接的分支機構(gòu)是的分支機構(gòu)是雙福機構(gòu)。雙福機構(gòu)。機構(gòu)的組成原理：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)接到把若干個自由