機械設(shè)計的基本與實踐項目二平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

1、1.機器的特征2. 零件、構(gòu)件、部件各為何種單元體3.零件、構(gòu)件、機構(gòu)、機器的關(guān)系4.零件設(shè)計的常用計算準則5.機械設(shè)計之傳統(tǒng)設(shè)計方法的種類6.零件設(shè)計的基本要求7.機械設(shè)計的基本要求8.何謂失效9.機構(gòu)的特征回顧：項目二 分析平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動任務(wù)任務(wù)1 1 繪制平面機構(gòu)運動簡圖繪制平面機構(gòu)運動簡圖任務(wù)描述：任務(wù)描述： 內(nèi)燃機的曲柄連桿機構(gòu)是比較典型的平面運動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2.11所示，試繪制此內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的運動簡圖。 我們在進行運動機構(gòu)的設(shè)計時，都需將具體的機構(gòu)組成部分抽象成簡單的運動學模型，繪制出機構(gòu)的運動簡圖。繪制平面機構(gòu)運動簡圖要求熟悉運動副的概念，掌握各種平面運動副和構(gòu)件的

2、一般表示方法。構(gòu)件和構(gòu)件之間既要相互連接（接觸）在一起，又要有相對運動。而兩構(gòu)件之間這種可動的連接（接觸）就稱為運動副。（下一個定義）一、一、 運動副運動副資訊資訊二、運動副的種類二、運動副的種類1.1.低副低副(又包括兩種.)運動副中兩個構(gòu)件的接觸無外乎點線面接觸.通常把面接觸的稱為低副,點或線接觸的稱為高副.則運動副總的來說分為兩大類.（1)1)轉(zhuǎn)動副：轉(zhuǎn)動副：（又稱回轉(zhuǎn)副 鉸鏈）兩個構(gòu)件只能做相對轉(zhuǎn)動。（2)2)移動副移動副(兩個構(gòu)件只能做相對移動。)3.3.高副高副凸輪副兩構(gòu)件以點或線接觸而構(gòu)成的運動副稱為高副。齒輪副1.低副和高副均為平面運動副,即兩個構(gòu)件是在一個平面內(nèi)作相對運動的.

3、2.與平面運動副相對的是空間運動副,空間運動副中的兩個構(gòu)件的運動不是平面運動,而是空間運動,常用的空間運動副是螺旋副和球形鉸鏈副.（僅作了解）注意：3.從動件：機構(gòu)中除了原動件之外的其余可動件2.原動件：機構(gòu)中輸入運動的構(gòu)件。舉例：單缸內(nèi)燃機的曲柄滑塊機構(gòu)。 1.機架：機構(gòu)中相對固定不動的構(gòu)件。注意：汽缸體（為了研究方便，必須選一個構(gòu)件作為機架。）機構(gòu)中所組成的運動副的的構(gòu)件，從運動的觀點來看，構(gòu)件又分為三類。三、構(gòu)件種類：三、構(gòu)件種類：四、機構(gòu)運動簡圖四、機構(gòu)運動簡圖用規(guī)定的線條和符號表示構(gòu)件和運動副，并按照一定的比例來表達出各運動副間的相對位置的簡圖。在研究機構(gòu)的運動時，不需要了解機構(gòu)的真

4、實外形和具體結(jié)構(gòu)，只需要簡明的表達機構(gòu)之間的傳動原理，于是人們發(fā)展應(yīng)用了運動簡圖。和運動有關(guān)的：和運動有關(guān)的：運動副的類型、數(shù)目、相對位置、構(gòu)件數(shù)目和運動無關(guān)的：和運動無關(guān)的：構(gòu)件外形、截面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目、運動副的具體構(gòu)造五、平面機構(gòu)的表示方法五、平面機構(gòu)的表示方法1.構(gòu)件構(gòu)件均用線段或小方塊等來表示,畫有斜線的表示機架。2.2.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副 表示如下圖，圖a表示圖面垂直于回轉(zhuǎn)軸線，圖b表示圖面不垂直回轉(zhuǎn)軸線。當一個構(gòu)件上有多個轉(zhuǎn)動副時,應(yīng)把交接處涂黑或在其內(nèi)畫上斜線.注意：兩構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)動副之圓圈的圓心必須與轉(zhuǎn)動副的回轉(zhuǎn)軸線重合。注意：3. 3. 移動副移動副兩構(gòu)件組成移動副

5、，其導路必須與相對移動方向一致。4. 4. 高副高副 兩構(gòu)件組成平面高副時，其運動簡圖中應(yīng)畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出其節(jié)圓。表2-1六、繪制機械運動簡圖的步驟六、繪制機械運動簡圖的步驟1.認真研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及動作原理，分清固定件，確定主 動件,其余則都為從動件。2.循著運動傳遞的路線，搞清各構(gòu)件相對運動的性質(zhì)，確 定運動副的種類。3.測量出運動副間的相對位置。4.選擇合適的視圖平面和比例尺，用規(guī)定的符號和線條表示構(gòu)件和 運動副，繪制機構(gòu)運動簡圖。注意事項:（1）必須嚴格按照比例,準確表達各個運動副之間的相對位置,.（2）各個構(gòu)件用阿

6、拉伯數(shù)字表示,各個運動副用大寫英文字母表示,要表示出原動件和機架,機架需畫上剖面線,原動件的運動若為轉(zhuǎn)動,用帶箭頭的圓弧表示,若為移動,用帶箭頭的直線表示,箭頭指示運動方向.繪制內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)運動簡圖任務(wù)實施任務(wù)實施氣缸體氣缸體1活塞活塞2進氣閥進氣閥3排氣閥排氣閥4連桿連桿5曲軸曲軸6凸輪凸輪7頂桿頂桿8齒輪齒輪10解：（1）分析運動，確定構(gòu)件的類型和數(shù)量。 （2）確定運動副的類型和數(shù)目。 （3）選擇視圖平面，選取比例尺，根據(jù)機構(gòu)運動尺寸，定出各運動副間的相對位置。 （4）畫出各運動副和機構(gòu)符號，并表示出各構(gòu)件。任務(wù)實施任務(wù)實施 試繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖試繪制鄂式破碎機的機構(gòu)運動簡圖練

7、習練習解：（1）認真研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及動作原理，分清固定件，確定主動件,其余則都為從動件。圖示的顎式破碎機中，帶輪5和偏心軸2固接在一起繞軸心A轉(zhuǎn)動，偏心軸2帶動顎3繞軸心B相對轉(zhuǎn)動，動顎3與機架1之間裝有肘板4，動顎運動時就可不斷地破碎礦石。由此可知，機架1、原動件（偏心軸）2、從動件為（動顎）3和肘板4，四個構(gòu)件組成平面四桿機構(gòu)。（2）循著運動傳遞的路線，搞清各構(gòu)件相對運動的性質(zhì)，確定運動副的種類。偏心軸2與機架1繞軸心A相對轉(zhuǎn)動，偏心軸2與動顎3繞軸心B相對轉(zhuǎn)動，動顎3與肘板4繞軸心C相對轉(zhuǎn)動，肘板4與機架1繞軸心D相對轉(zhuǎn)動 。由此可知，整個機構(gòu)有A、B、C、D四個轉(zhuǎn)動副。（3）測量出運動

8、副間的相對位置。 （4）選擇視圖平面、比例尺，繪制機構(gòu)運動簡圖對于平面機構(gòu)，選構(gòu)件運動平面為視圖平面，因其已可將平面機構(gòu)表達清楚，故不需再選輔助視圖平面。所以本例選擇圖所在平面為視圖平面。根據(jù)圖紙的大小、實際機構(gòu)的大小和能清楚表達機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，選擇長度比例尺。在圖中，過機架A、D兩點作坐標系xAy，畫轉(zhuǎn)動副A、B、C、D，各轉(zhuǎn)動副間距離按比例計算。原動件2與y軸的夾角可自行決定。用簡單線條連成構(gòu)件2、3、4及機架1，在原動件2上標注帶箭頭的圓弧，在機架1上畫出斜線，便得到如圖所示的機構(gòu)運動簡圖。1.何謂運動副？2. 平面運動副的種類有哪些？3.從運動的觀點來看，構(gòu)件可分為哪些種類？4.運動

9、簡圖的繪制步驟。5.平面高副在運動簡圖中應(yīng)如何畫出？回顧：(兩個構(gòu)件通過運動副連接以后，一部分運動就受到限制。這種限制稱為約束。而把沒有限制掉的那部分運動稱為自由度，自由度的計算對于研究機構(gòu)的運動非常重要。)任務(wù)2 計算平面機構(gòu)的自由度 大篩機構(gòu)是用于分選的一種理想設(shè)備，廣泛應(yīng)用在煤炭、化工、建筑等領(lǐng)域設(shè)備，試計算大篩機構(gòu)的自由度。任務(wù)描述：任務(wù)描述：大篩機構(gòu)一、約束（運動副對成副的兩個構(gòu)件間的相對運動所加的限制稱為約束。）二、自由度(構(gòu)件具有的可能的獨立運動的數(shù)目稱為自由度。)三、一個做平面運動的構(gòu)件，如果不加任何限制（未用運動副與其它構(gòu)件連接），則其具有幾個自由度呢。（即有幾種運動的可能？

10、）資訊資訊那么，兩個構(gòu)件通過運動副連接以后，一部分運動就受到限制，運動的可能性就會減少。即引入了約束，其自由度減少了。分析一下，轉(zhuǎn)動副移動副平面高副各引入了幾個約束，保留了幾個自由度。1.1.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副限制兩個自由度（即引入兩個約束）：（兩個移動）保留一個自由度（轉(zhuǎn)動）限制兩個自由度（即引入兩個約束）：（一個移動，一個轉(zhuǎn)動）保留一個自由度（移動 ）2.2.移動副移動副3.3.高副高副限制一個自由度（即引入一個約束）：（一個移動）保留兩個自由度（一個移動，一個轉(zhuǎn)動）（由轉(zhuǎn)動副 移動副 高副推出）引入1個約束將減少一個自由度，對于平面機構(gòu)而言，約束和自由度的和恒為3。兩個構(gòu)件之間，組成平面低副則

11、保留一個自由度，組成平面高副則保留兩個自由度，那么多個構(gòu)件組成機構(gòu)后，會保留幾個自由度呢？因構(gòu)件較多，直接看不出，必須計算。四、約束與自由度四、約束與自由度五、自由度的計算五、自由度的計算 設(shè)一個平面機構(gòu)包含 N 個構(gòu)件,其中 1 個構(gòu)件為機架，設(shè)有n 個活動構(gòu)件，則 n=N-1，另外設(shè)有 PL 個低副和 Ph個高副。在未用運動副連接前， 1 個活動構(gòu)件有 3 個自由度，n個活動構(gòu)件有 3 n個自由度，在用運動副連接后， 1 個低副引進 2 個約束，即減少了2 個自由度，則有PL 個低副就減少了2 PL 個自由度， 1 個高副引進 1 個約束，即減少了1個自由度，則有Ph 個高副就減少了Ph個

12、自由度，因此該機構(gòu)的自由度 F 應(yīng)為 F=3n-2PL-Phn = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 - 2Pl - Ph =33 - 24 - 0= 1 六、平面機構(gòu)的自由度的計算實例六、平面機構(gòu)的自由度的計算實例v計算實例1 解：v計算實例2 n =5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n 2PL Ph = 35 27 0= 1解：實例分析： 七、七、 機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件如此麻煩，算自由度有何意義？自由度的計算對于研究機構(gòu)的運動非常重要。2.分析：自由度數(shù)=0，機構(gòu)無運動1.算自由度數(shù)F = 3n 2PL Ph

13、=32-23-0=0不能產(chǎn)生運動（無運動的可能） 1.算自由度數(shù)F = 3n 2PL Ph=33-24-0=12.給定一個原動件，各構(gòu)件之間有無確定的相對運動？巧分析：給定原動件一個任意位置，從動件都有確定的位置，不會再亂動。則此機構(gòu)各構(gòu)件之間具有確定的相對運動圖示給定原動件一個任意位置，各構(gòu)件都有確定的位置，即有確定的相對運動。自由度為1的機構(gòu)，給定一個原動件，各構(gòu)件之間有確定的相對運動，原動件數(shù)和自由度數(shù)的關(guān)系？（原動件數(shù)=自由度數(shù)）。3.給定兩個原動件，機構(gòu)會怎樣？會產(chǎn)生破壞。巧分析：圖示自由度為1的機構(gòu)，給定兩個原動件，機構(gòu)會產(chǎn)生破壞。原動件數(shù)和自由度數(shù)的關(guān)系？（原動件數(shù)自由度數(shù)）。實

14、例分析： 1.算自由度數(shù)F = 3n 2PL Ph=34-25-0=22.給定一個原動件，各構(gòu)件之間有無確定的相對運動？巧分析：給定原動件一個任意位置，從動件無確定的位置，還可以亂動。則此機構(gòu)各構(gòu)件之間不具有確定的相對運動。 圖示自由度為2的機構(gòu)，給定一個原動件，各構(gòu)件之間無確定的相對運動，還亂動。原動件數(shù)和自由度數(shù)的關(guān)系？（原動件數(shù)自由度數(shù)）。3.給定兩個原動件，機構(gòu)會怎樣？巧分析：給定兩個原動件各一個任意位置，從動件都有確定的位置，不會再亂動。則此機構(gòu)各構(gòu)件之間具有確定的相對運動。圖示自由度為2的機構(gòu)，給定兩個原動件，各構(gòu)件之間有確定的相對運動，原動件數(shù)和自由度數(shù)的關(guān)系？（原動件數(shù)=自由度

15、數(shù)）。4.給定三個原動件，機構(gòu)會怎樣？會產(chǎn)生破壞。巧分析：圖示自由度為2的機構(gòu)，給定3個原動件，機構(gòu)會產(chǎn)生破壞。原動件數(shù)和自由度數(shù)的關(guān)系？（原動件數(shù)自由度數(shù)）。實例分析： 結(jié)論：結(jié)論： 原動件數(shù)自由度數(shù)，機構(gòu)無確定運動 原動件數(shù)自由度數(shù)，機構(gòu)在薄弱處損壞 通過實例分析可得，機構(gòu)具有確定相對運動的條件是：通過實例分析可得，機構(gòu)具有確定相對運動的條件是：原動件數(shù)原動件數(shù)= =自由度數(shù)自由度數(shù) 且自由度且自由度0 0自由度數(shù)=0，機構(gòu)無運動 原動件數(shù)=自由度數(shù)，機構(gòu)有確定運動 八、八、 自由度計算時的注意事項自由度計算時的注意事項 1.1.復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈兩個以上構(gòu)件在同一軸線處用轉(zhuǎn)動副連接，就形成

16、了復(fù)合鉸鏈。自由度的計算比較復(fù)雜，計算時必須特別細心。尤其以下幾種情況，特別容易出錯，計算時必須特別注意。三個構(gòu)件在同一軸線處，兩個轉(zhuǎn)動副。推理：m個構(gòu)件時，有m 1個轉(zhuǎn)動副。 復(fù)合鉸鏈處理方法：復(fù)合鉸鏈處理方法：慣性篩機構(gòu)（1）計算:C處為復(fù)合鉸鏈n = 5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n - 2Pl Ph= 35 -27 0 = 1（2）處理方法：計算中注意觀察是否有復(fù)合鉸鏈，以免漏算轉(zhuǎn)動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤。復(fù)合鉸鏈計算實例：復(fù)合鉸鏈計算實例：復(fù)合鉸鏈的識別：復(fù)合鉸鏈的識別：2.局部自由度局部自由度（多余自由度）（多余自由度）個別構(gòu)件所具有的，不影響整個機構(gòu)運動的自由度稱為

17、局部自由度。（1）計算：n = 3, Pl =3, Ph =1F = 33 - 23 1 = 2但此機構(gòu)在給定一個原動件時，具有確定運動。故此計算是錯誤的。滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個機構(gòu)的運動，屬局部自由度。沒對運動起作用，沒產(chǎn)生約束，即未對自由度產(chǎn)生影響。只是減少了摩擦。 應(yīng)除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構(gòu)件。注意：實際結(jié)構(gòu)上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計算中不計入，并非實際拆除。（2）正確：n = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 32 - 22 1 = 1局部自由度處理方法：局部自由度處理方法： n = 4, Pl =6, Ph = 0 在機構(gòu)中與其他運動

18、副在機構(gòu)中與其他運動副作用重復(fù)，而對構(gòu)件間的相作用重復(fù)，而對構(gòu)件間的相對運動不起獨立限制作用的對運動不起獨立限制作用的約束。圖中構(gòu)件約束。圖中構(gòu)件2和轉(zhuǎn)動副和轉(zhuǎn)動副E、F引入的約束是虛約束。引入的約束是虛約束。與實際不符 F = 34 -26 0 = 03.虛約束（也稱為重復(fù)約束。）虛約束（也稱為重復(fù)約束。）（1）虛約束：）虛約束：重復(fù)出現(xiàn)的，對機構(gòu)運動不起獨立限制作用的約束。即：此約束與其它約束作用相同，沒有它運動也不會改變。，（2 2）虛約束常見情況及處理）虛約束常見情況及處理處理：計算中只計入一個移動副。處理：計算中只計入一個移動副。 虛約束常見情況及處理：虛約束常見情況及處理：正確：n

19、 = 3, Pl =4, Ph =0F = 33 - 24 0 = 1錯誤：n = 3, Pl =5, Ph =0F = 33 - 25 0 = -1計算中只計入一個移動副。計算中只計入一個移動副。兩構(gòu)件組成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線重合，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余為虛約束。（圖示兩個軸承支撐一根軸，只能看作一個回轉(zhuǎn)副。） 處理：處理：計算中只計入一個轉(zhuǎn)動副。計算中只計入一個轉(zhuǎn)動副。處理：計算中應(yīng)只考慮一處約束，將其余約束去除。處理：計算中應(yīng)只考慮一處約束，將其余約束去除。兩構(gòu)件組成多個高副，且各個高副接觸點處的公法線重合，將產(chǎn)生虛約束。正確：n = 2, Pl =2, Ph =1F = 32 -

20、 22 1 = 1錯誤：n = 2, Pl =2, Ph =2F = 32 - 22 2 = 0虛約束常見情況及處理：虛約束常見情況及處理：處理：計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。處理：計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。兩構(gòu)件兩點間未組成運動副前距離保持不變，兩點間用另一構(gòu)件連接時，將產(chǎn)生虛約束。正確：n = 3, Pl =4, Ph =0F = 33 - 24 0 = 1錯誤：n = 4, Pl =6, Ph =0F = 33 - 26 0 = 0處理：計算中應(yīng)將對稱部分除去不計。處理：計算中應(yīng)將對稱部分除去不計。（將構(gòu)件（將構(gòu)件2和和1個轉(zhuǎn)動副個轉(zhuǎn)動副2個高副去

21、除。）個高副去除。）機構(gòu)中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。機構(gòu)中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。錯誤：n = 5, Pl =5, Ph =4F = 35 - 25 4 = 1正確：n = 4, Pl =4, Ph =2F = 34 - 24 2 = 2而給機構(gòu)一個原動件，機構(gòu)并沒有確定運動，動不了。1.與機構(gòu)的運動無關(guān)，但可以改善機構(gòu)的受力情況，增強機構(gòu)工作的穩(wěn)定性 。2.應(yīng)當注意，對于虛約束，從機構(gòu)的運動觀點來看是多余的，但能增加機構(gòu)的剛性，改善其受力狀況，因而被廣泛采用。但是虛約束對機構(gòu)的幾何條件要求較高，因此對機構(gòu)的加工和裝配提出了較高的要求。而且其形式形形色色，

22、計算時注意辨別。3.應(yīng)當注意，計算時先看有無復(fù)合鉸鏈局部自由度虛約束后，再套公式計算。注：虛約束對機構(gòu)的影響注：虛約束對機構(gòu)的影響自由度計算實例：自由度計算實例：正確：n = 3, Pl =4, Ph =0F = 33 - 24 0 = 1計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及與此構(gòu)件有關(guān)的運動副一起除去不計。即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及與此構(gòu)件有關(guān)的2個運動副除去不計。九、計算平面機構(gòu)自由度的實用意義九、計算平面機構(gòu)自由度的實用意義1.1.判定機構(gòu)的運動設(shè)計方案是否合理判定機構(gòu)的運動設(shè)計方案是否合理2.2.修改設(shè)計方案修改設(shè)計方案（1 1） F=0:F=0:增加一構(gòu)件帶進一平面低副增加一構(gòu)件帶進一平面低副（2 2） FF原動件數(shù)目：增加一構(gòu)件帶進兩平面低副原動件數(shù)目：增加一構(gòu)件帶進兩平面低副 增加原動件數(shù)目增加原動件數(shù)目3.3.判定機構(gòu)運動簡圖是否正確判定機構(gòu)運動簡圖是否正確計劃決策計劃決策 1.進行自愿分組。 2.學習相關(guān)知識。 3.明確工作思路。 4.討論任務(wù)實施注意事項。 5.完成任務(wù)。 6.檢查評價。1.計算公式n：機