第2章機械設計中的機構結構學問題-2013

1、第第2章章 機械機構學機械機構學第第2 2章章 機械設計中的機構結構學問題機械設計中的機構結構學問題2.1 機構的組成及運動簡圖的繪制機構的組成及運動簡圖的繪制2.1.1 機構的組成要素機構的組成要素1. 運動副運動副機構中兩構件直接接觸的可動聯(lián)接。機構中兩構件直接接觸的可動聯(lián)接。 運動副元素：兩構件上參加接觸而構成運運動副元素：兩構件上參加接觸而構成運動副的部分，如點、線、面。動副的部分，如點、線、面。第第2章章 機械機構學機械機構學機構中具有確定運動的單元體機構中具有確定運動的單元體 ；(它可以是一個零件或多個零件組合而成。它可以是一個零件或多個零件組合而成。)零件零件加工的單元體加工的單

2、元體2. 構件構件根據(jù)構件含有運動副元素的數(shù)根據(jù)構件含有運動副元素的數(shù)量量, 構件可分為構件可分為: 三副元素構件三副元素構件二副元素構件二副元素構件第第2章章 機械機構學機械機構學3. 運動鏈運動鏈運動鏈分為閉式運動鏈和開式運動鏈兩種運動鏈分為閉式運動鏈和開式運動鏈兩種兩個以上的構件通過運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。兩個以上的構件通過運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。第第2章章 機械機構學機械機構學4. 機構機構 將運動鏈中的一個構件固定作為參考系將運動鏈中的一個構件固定作為參考系, 另一另一個或幾個構件按給定的運動規(guī)律相對于固定構件運個或幾個構件按給定的運動規(guī)律相對于固定構件運動動, 且其

3、余構件都具有確定運動時且其余構件都具有確定運動時, 運動鏈則成了機運動鏈則成了機構構機構中固定不動的構件稱為機架機構中固定不動的構件稱為機架 機構中按給定運動規(guī)律運動的構件稱為原動件機構中按給定運動規(guī)律運動的構件稱為原動件(主動件主動件)其余隨原動件運動的構件稱為從動件。其余隨原動件運動的構件稱為從動件。第第2章章 機械機構學機械機構學零件、構件、機構、機器之間的關系零件- 一個獨立加工的單元體。構件-相對運動的單元體。機構-若干構件組成。機器-若干機構組成。第第2章章 機械機構學機械機構學2.1.2 運動副的分類運動副的分類1. 根據(jù)運動副引入的約束數(shù)分類根據(jù)運動副引入的約束數(shù)分類約束約束:

4、 :兩構件用運動副聯(lián)接后，彼此的相對運動受到兩構件用運動副聯(lián)接后，彼此的相對運動受到某些限制。某些限制。第第2章章 機械機構學機械機構學按引入的約束數(shù)分有：按引入的約束數(shù)分有： I級副、級副、II級副、級副、III級副、級副、IV級副、級副、V級副。級副。I級副級副II級副級副III級副級副第第2章章 機械機構學機械機構學IV級副級副V級副級副1V級副級副2V級副級副3第第2章章 機械機構學機械機構學2. 根據(jù)構成運動副的兩構件的接觸情況分類根據(jù)構成運動副的兩構件的接觸情況分類理論上以面接觸的運動副稱為低理論上以面接觸的運動副稱為低副副 點或線接觸的運動副稱為高副點或線接觸的運動副稱為高副第第

5、2章章 機械機構學機械機構學3. 根據(jù)運動副兩元素間相對運動的形式分類根據(jù)運動副兩元素間相對運動的形式分類平面運動副平面運動平面運動副平面運動(Plannar kinematic pair)平面機構全部由平面運動副組成的機構。平面機構全部由平面運動副組成的機構。空間運動副空間運動空間運動副空間運動(Spatial kinematic pair )例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關節(jié)。例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關節(jié)?？臻g機構至少含有一個空間運動副的機構?？臻g機構至少含有一個空間運動副的機構。第第2章章 機械機構學機械機構學常用運動副的符號常用運動副的符號運動副運動副名稱名稱運動副符號運

6、動副符號兩運動構件構成的運動副兩運動構件構成的運動副轉轉動動副副移移動動副副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副兩構件之一為固定時的運動副122121平平面面運運動動副副第第2章章 機械機構學機械機構學平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球銷銷副副121212空空間間運運動動副副121212第第2章章 機械機構學機械機構學2.1.3 機構運動簡圖的繪制機構運動簡圖的繪制 實際機構往往是由外形和結構都很復雜的構件所組成。實際機構往往是由外形和結構都很復雜的構件所組成。但構件的運動只取決于運動副的類型和機構的運動尺寸但構件

7、的運動只取決于運動副的類型和機構的運動尺寸(各各運動副相對位置尺寸運動副相對位置尺寸) , 與構件的外形、斷面尺寸、固聯(lián)方與構件的外形、斷面尺寸、固聯(lián)方式、組成構件的零件數(shù)目及運動副的具體結構等無關式、組成構件的零件數(shù)目及運動副的具體結構等無關 為了便于研究機構的組成原理和運動為了便于研究機構的組成原理和運動, 可以不考可以不考慮構件、運動副的外形和具體構造慮構件、運動副的外形和具體構造, 只用簡單的線條只用簡單的線條和規(guī)定符號代表構件和運動副和規(guī)定符號代表構件和運動副, 并按比例確定各運動并按比例確定各運動副位置副位置, 表示機構的組成和傳動情況。這種能夠表達表示機構的組成和傳動情況。這種能

8、夠表達機構運動特性的簡明圖形稱為機構運動簡圖。機構運動特性的簡明圖形稱為機構運動簡圖。第第2章章 機械機構學機械機構學移動副轉動副第第2章章 機械機構學機械機構學一般構件的表示方法一般構件的表示方法 桿、軸構件桿、軸構件固定構件固定構件同一構件同一構件第第2章章 機械機構學機械機構學三副構件三副構件 兩副構件兩副構件 一般構件的表示方法一般構件的表示方法 第第2章章 機械機構學機械機構學2 2、兩個構件組成移動副時：、兩個構件組成移動副時：3 3、凸輪高副、凸輪高副1 1、兩個構件組成轉動副時：、兩個構件組成轉動副時：第第2章章 機械機構學機械機構學4、齒輪高副齒輪高副第第2章章 機械機構學機

9、械機構學注意事項注意事項:畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質。第第2章章 機械機構學機械機構學(1)分析機械的動作原理、組成情況和運動情況分析機械的動作原理、組成情況和運動情況, 確定其原動確定其原動件、機架、執(zhí)行部分和傳動部分。件、機架、執(zhí)行部分和傳動部分。(2) 沿著運動傳遞路線沿著運動傳遞路線, 分析構件間相對運動的性質分析構件間相對運動的性質, 確定運確定運動副的類型和數(shù)目。動副的類型和數(shù)目。(3) 恰當?shù)剡x擇視圖平面恰當?shù)剡x擇視圖平面, 通常可選擇機械中多數(shù)構件的運動通?？蛇x擇機械中多數(shù)構件的運動平面為視圖平面。平面為

10、視圖平面。(4) 選擇適當?shù)谋壤哌x擇適當?shù)谋壤? 定出各運動副的相對位置定出各運動副的相對位置, 并用各運并用各運動副、常用機構的簡圖符號和線條動副、常用機構的簡圖符號和線條, 繪制機構運動簡圖。繪制機構運動簡圖。(5) 從原動件開始從原動件開始, 按傳動順序標出各構件的編號和運動副的按傳動順序標出各構件的編號和運動副的代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動方向。代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動方向。機構運動簡圖的繪制步驟機構運動簡圖的繪制步驟:第第2章章 機械機構學機械機構學小型壓力機的運動簡圖小型壓力機的運動簡圖第第2章章 機械機構學機械機構學第第2章章 機械機構學機械機構學偏心泵偏

11、心泵 動畫1234第第2章章 機械機構學機械機構學2.2 運動鏈成為機構的條件和機構自由度運動鏈成為機構的條件和機構自由度2.2.1 平面運動鏈的自由度平面運動鏈的自由度 對于一個運動鏈對于一個運動鏈, 各構件相對于一參照坐標系所需獨各構件相對于一參照坐標系所需獨立運動的參變量數(shù)目立運動的參變量數(shù)目, 稱為運動鏈的自由度。它取決于運稱為運動鏈的自由度。它取決于運動鏈中構件的數(shù)目以及連接各構件的運動副類型和數(shù)目。動鏈中構件的數(shù)目以及連接各構件的運動副類型和數(shù)目。F 3n2LPHP第第2章章 機械機構學機械機構學運動鏈成為機構的條件為運動鏈成為機構的條件為: 取運動鏈中一個構件取運動鏈中一個構件作

12、為機架作為機架, 運動鏈相對機架的自由度必須大于運動鏈相對機架的自由度必須大于零零, 且原動件數(shù)目等于運動鏈的自由度數(shù)。且原動件數(shù)目等于運動鏈的自由度數(shù)。滿足以上條件的運動鏈即為機構。滿足以上條件的運動鏈即為機構。1F 1、當、當 、原動件數(shù)、原動件數(shù)=機構的自由度數(shù)，則機構具有確定機構的自由度數(shù)，則機構具有確定相對運動；相對運動；0F 2、當、當、機構不能產生相對運動；、機構不能產生相對運動； 3、當、當 F 0 、原動件數(shù)、原動件數(shù) 機構的自由度數(shù)，運動不確定。機構的自由度數(shù)，運動不確定。第第2章章 機械機構學機械機構學由由m個構件組成的復合鉸鏈，個構件組成的復合鉸鏈，共有共有(m-1)個

13、轉動副。個轉動副。1 復合鉸鏈復合鉸鏈 2.2.3 計算機構計算機構( 運動鏈運動鏈) 自由度時應注意的問題自由度時應注意的問題32 3 52 60 3lhFnpp 1 07253 23hlppnF第第2章章 機械機構學機械機構學 準確識別復合鉸鏈舉例準確識別復合鉸鏈舉例關鍵：關鍵：分辨清楚哪幾個構件在同一處形成了轉動副分辨清楚哪幾個構件在同一處形成了轉動副 1231342123441321432312兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副第第2章章 機械機構學機械機構學計算圖示圓盤鋸機構的自由度計算圖示圓盤鋸機

14、構的自由度圓盤鋸機構圓盤鋸機構 動畫解：活動構件數(shù)解：活動構件數(shù)n=低副數(shù)低副數(shù)PL= 6F=3n 2PL PH =37 260 =9DFECAB56471238F=3n 2PL PH =37 2100 =110第第2章章 機械機構學機械機構學F 2、局部自由度、局部自由度(多余自由度多余自由度)計算圖示兩種滾子凸輪機構的自由度計算圖示兩種滾子凸輪機構的自由度對于凸輪機構：對于凸輪機構：33231 12 第第2章章 機械機構學機械機構學F 32221 11 去掉滾子后，凸輪機構：去掉滾子后，凸輪機構：出現(xiàn)有滾子的場合，計算時應去掉。出現(xiàn)有滾子的場合，計算時應去掉。滾子的作用：滾子的作用： 滑動

15、摩擦滑動摩擦滾動摩擦。滾動摩擦。第第2章章 機械機構學機械機構學3、虛約束、虛約束(重復約束重復約束) 平面機構的虛約束常出現(xiàn)于下列情況平面機構的虛約束常出現(xiàn)于下列情況:（1）聯(lián)接點的軌跡相重合）聯(lián)接點的軌跡相重合（2）兩個構件構成多個移動副其導路相互平行或重合）兩個構件構成多個移動副其導路相互平行或重合34260F 32221 11F 33241F 第第2章章 機械機構學機械機構學 虛約束虛約束( (Redundant constraint, , Passive constraint) ) 定義定義：機構中不起獨立限制作用的重復約束：機構中不起獨立限制作用的重復約束。 計算具有虛約束的機構的

16、自由度時，應先將計算具有虛約束的機構的自由度時，應先將機構中引入虛約束的運動副或運動鏈部分除去。機構中引入虛約束的運動副或運動鏈部分除去。虛約束發(fā)生的場合虛約束發(fā)生的場合 兩構件間構成多個運動副兩構件間構成多個運動副兩構件構成多個兩構件構成多個導路平行的移動副導路平行的移動副兩構件構成多個兩構件構成多個軸線重合的轉動副軸線重合的轉動副第第2章章 機械機構學機械機構學52134EF5 兩構件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變兩構件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變 未去掉虛約束時未去掉虛約束時F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 3241EF 附加的構件附加的構件5和其兩端的轉

17、動副和其兩端的轉動副E、F提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一個約束，但這個約束對機構的運動不起實際即引入了一個約束，但這個約束對機構的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1?第第2章章 機械機構學機械機構學 聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合 附加的構件附加的構件4和其兩端的轉動副和其兩端的轉動副E、F以及附加的構件以及附加的構件1和和其兩端的轉動副其兩端的轉動副A、B提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一個約束，但這個約束對機構的運

18、動不起實際即引入了一個約束，但這個約束對機構的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 11234ABDFEC43125ABCD平行四邊形機構平行四邊形機構橢圓儀機構橢圓儀機構1構件構件2和和4在在E點軌跡重合點軌跡重合構件構件1和和2在在B點軌跡重合點軌跡重合橢圓儀機構橢圓儀機構2第第2章章 機械機構學機械機構學1B342A 機構中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分機構中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分 對稱布置的兩個行星輪對稱布置的兩個行星輪2 和和2 以及相應的兩個轉動副以及相應的兩個轉動副D、C和和4個平面高副提供

19、的自由度個平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了兩個虛約束。即引入了兩個虛約束。 未去掉虛約束時未去掉虛約束時F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1輪系輪系 去掉虛約束后去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 11234ADBC2 2 第第2章章 機械機構學機械機構學 虛約束的作用虛約束的作用 改善構件的受力情況，分擔載荷或改善構件的受力情況，分擔載荷或平衡慣性力平衡慣性力，如多，如多個行星輪。個行星輪。 增加增加結構剛度結構剛度，如軸與軸承、機床導軌。，如軸與軸承、機床導軌。 提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性，如機車

20、車輪聯(lián)動機，如機車車輪聯(lián)動機構。構。 注意：機構中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)注意：機構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，則虛約束將變成實際有效的的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成實際有效的約束，從而使機構不能運動。約束，從而使機構不能運動。第第2章章 機械機構學機械機構學計算圖示大篩機構的自由度計算圖示大篩機構的自由度F = 3 n - 2 P5 - P4 = 37 - 29 - 1 = 2第第2章章 機械機構學機械機構學局部自由度局部自由度復合鉸鏈復合鉸鏈虛約束虛約束n=8Pl=11Ph=1F=1例題例題第第2章章 機械機構學機械機構學一、平面機

21、構的低副代替高副（高副低化）一、平面機構的低副代替高副（高副低化）目的目的：便于分析機構的結構和運動特性。：便于分析機構的結構和運動特性。方法方法：用帶有二個轉動副的一個構件聯(lián)接于高副接觸點的曲率中：用帶有二個轉動副的一個構件聯(lián)接于高副接觸點的曲率中 心上即可。心上即可。條件條件:(1):(1)結構條件結構條件: :增加一個構件及二個低副代替一個高副；增加一個構件及二個低副代替一個高副； (2) (2)運動條件運動條件: :加入的運動副中心分別位于二高副元素接觸點加入的運動副中心分別位于二高副元素接觸點 的的曲率中心。保持瞬時運動不變曲率中心。保持瞬時運動不變( (自由度不變、瞬時速度不自由度

22、不變、瞬時速度不 變、瞬時加速度不變變、瞬時加速度不變) )2.3 平面機構的組成原理和結構分析平面機構的組成原理和結構分析2.3.1 平面機構的高副低代平面機構的高副低代第第2章章 機械機構學機械機構學各種類型的高副低代各種類型的高副低代: :1 1、接觸高副為曲線、接觸高副為曲線曲線曲線第第2章章 機械機構學機械機構學2 2、接觸高副為曲線、接觸高副為曲線尖頂尖頂?shù)诘?章章 機械機構學機械機構學3 3、接觸高副為曲線、接觸高副為曲線平底平底第第2章章 機械機構學機械機構學4、齒輪高副、齒輪高副第第2章章 機械機構學機械機構學32LHFnPP1、桿組的定義：、桿組的定義：桿組桿組自由度為零，

23、且不可再拆的最簡單的運動鏈。自由度為零，且不可再拆的最簡單的運動鏈。自由度計算公式：自由度計算公式：2.3.2 平面機構的組成原理平面機構的組成原理 機構的原動件數(shù)必須等于機構的自由度數(shù)機構的原動件數(shù)必須等于機構的自由度數(shù), 故機構從故機構從動件系統(tǒng)的自由度數(shù)為零。動件系統(tǒng)的自由度數(shù)為零。 若將從動件系統(tǒng)分解成不可再分解的自由度為零的若將從動件系統(tǒng)分解成不可再分解的自由度為零的運動鏈運動鏈, 這種運動鏈稱為基本桿組這種運動鏈稱為基本桿組, 簡稱桿組。簡稱桿組。第第2章章 機械機構學機械機構學32LPn32LFnP0 由于高副可以低化由于高副可以低化,所以高副不考慮所以高副不考慮,如有高副如有高

24、副,用低副代替。所用低副代替。所以低副機構的自由度計算公式為：以低副機構的自由度計算公式為：則：則：因為構件數(shù)和運動副數(shù)必須是整數(shù)；因為構件數(shù)和運動副數(shù)必須是整數(shù)；所以可得一系列類型的桿組；所以可得一系列類型的桿組；常用的前兩種類型的桿組常用的前兩種類型的桿組兩個構件三個低副兩個構件三個低副四個構件六個低副四個構件六個低副nLP2 4 6 3 6 9 第第2章章 機械機構學機械機構學兩個構件三個低副的類型：兩個構件三個低副的類型：四個構件六個低副的類型：四個構件六個低副的類型：第第2章章 機械機構學機械機構學由于桿組的形式很多，所以將它分類。由于桿組的形式很多，所以將它分類。2、桿組分類、桿組

25、分類按桿組中最高多邊形的邊數(shù)來命名桿組的級別。按桿組中最高多邊形的邊數(shù)來命名桿組的級別。級級級級級級機構的組成原理：機構的組成原理：（原動件與機架）（原動件與機架） （若干個基本桿組）（若干個基本桿組）第第2章章 機械機構學機械機構學基本桿組應滿足的條件基本桿組應滿足的條件F 3n 2pL 0 即即 n (2 3)pL 基本桿組的構件數(shù)基本桿組的構件數(shù)n 2，4，6，基本桿組的運動副數(shù)基本桿組的運動副數(shù)pL 3，6，9， n 2，pL 3的雙桿組的雙桿組( (II級組級組) )內接運動副內接運動副外接運動副外接運動副R-R-R組組R-R-P組組R-P-R組組P-R-P組組R-P-P組組第第2章

26、章 機械機構學機械機構學 n 4，pL 6的多桿組的多桿組 III級組級組 結構特點結構特點 有一個三副構件，有一個三副構件，而每個內副所聯(lián)接的分而每個內副所聯(lián)接的分支構件是兩副構件。支構件是兩副構件。第第2章章 機械機構學機械機構學 IV級組級組 不同級別的桿組，其構形的難度和位置解的數(shù)量都很不不同級別的桿組，其構形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同，從而決定了由它們所構成的機構可能實現(xiàn)的運動規(guī)相同，從而決定了由它們所構成的機構可能實現(xiàn)的運動規(guī)律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。結構特點結構特點 具有兩個三副構件，桿組的四個內副形成四具有兩個三副構件，桿組的四個內副形成四邊形。邊形。第第2章章 機械機構學機械機構學最簡單的機構：最簡單的機構：級機構級機構 級機構級機構 與與級級 桿組相聯(lián)，成為桿組相聯(lián)，成為級級 機構；機構；3、機構的分類、機構的分類按組成機構中最高級別的桿組的級別來命名機構的級別。按組成機構中