第二章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與綜合

1、第二章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)(jigu)分析與綜合 2-1 研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的 2-2 機構(gòu)的組成及其運動(yndng)簡圖的繪制 2-3 機構(gòu)自由度的計算 2-4 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析 2-5 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合共一百零三頁 本章要求了解機構(gòu)的組成(z chn)，運動副、運動鏈、約束和自由度等基本概念；能繪制常用機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖；能計算平面機構(gòu)的自由度。重點：運動副和運動鏈的概念、機構(gòu)運動簡圖的繪制、機構(gòu)具有確定運動的條件及機構(gòu)自由度的計算。難點：機構(gòu)自由度計算中有關虛約束的識別及處理。共一百零三頁2-1 研究機構(gòu)(jgu)結(jié)構(gòu)的目的1) 研究組成機構(gòu)的要素及機構(gòu)具有確定運動的條件2）研究機

2、構(gòu)的組成原理(yunl)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點對機構(gòu)進行分類共一百零三頁3）研究機構(gòu)運動簡圖的繪制，即研究如何用簡單的圖形表示機構(gòu)的結(jié)構(gòu)(jigu)和運動狀態(tài)。4）研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合方法，即研究在滿足預期運動及工作條件下，如何綜合出機構(gòu)可能的結(jié)構(gòu)型式。共一百零三頁2-2 機構(gòu)的組成及其運動(yndng)簡圖的繪制一、機構(gòu)的組成要素二、運動副的分類(fn li)三、機構(gòu)運動簡圖的繪制共一百零三頁一、機構(gòu)的組成(z chn)要素 機構(gòu)是具有(jyu)確定相對運動的構(gòu)件組合體，由構(gòu)件和運動副兩個要素組成。共一百零三頁1、構(gòu)件(gujin) 所謂構(gòu)件是指作為一個(y )整體參與機構(gòu)運動的剛性單元。共一百零三頁

3、 在機構(gòu)中，每個構(gòu)件都是以一定(ydng)的方式與其它構(gòu)件相互聯(lián)接 。共一百零三頁2、運動(yndng)副 兩構(gòu)件之間的直接接觸(jich)而又能產(chǎn)生一定相對運動的活動聯(lián)接稱為運動副。 兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的部分稱為運動副元素。或組成運動副的點、線、面稱為運動副元素。運動副元素共一百零三頁（1）自由度 一個自由構(gòu)件(gujin)作平面運動時有三個獨立運動的可能性，這種可能出現(xiàn)的獨立運動稱為自由度。共一百零三頁（2）約束(yush) 兩構(gòu)件(gujin)間的運動副所起的作用是限制構(gòu)件(gujin)間的相對運動，這種限制作用稱為約束。共一百零三頁3、運動(yndng)鏈 若干個構(gòu)件通過運動副

4、聯(lián)結(jié)組成(z chn)的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運動鏈。 如果運動鏈中的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)則稱為閉式鏈,否則稱為開式鏈。共一百零三頁機架：支承活動構(gòu)件的構(gòu)件；原動件(主動件)：運動(yndng)規(guī)律已知的構(gòu)件，又稱輸入件；從動件：隨原動件運動而運動的構(gòu)件。 機構(gòu)要按一定的要求實現(xiàn)運動的傳遞與變換，各構(gòu)件要具有(jyu)確定的運動規(guī)律。為描述其傳遞和變換關系及各構(gòu)件的位置，須選定一個構(gòu)件作為參照體，將其視為與靜止坐標固結(jié)，即取一個構(gòu)件作為機架。4、機構(gòu)共一百零三頁二、運動(yndng)副的分類1) 根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類： 把引入一個約束數(shù)的運動副稱為(chn wi)I級副，引入兩個約束數(shù)的運動

5、副稱為級副，依此類推，最末為V級副。共一百零三頁2 ) 根據(jù)構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件的接觸情況進行(jnxng)分類： 凡是以面接觸的運動副稱為低副，而以點或線相接觸的運動副稱為高副。共一百零三頁平面(pngmin)低副平面(pngmin)低副的約束數(shù)為，自由度為1。共一百零三頁低副又分為轉(zhuǎn)動副和移動(ydng)副。轉(zhuǎn)動副：允許構(gòu)件作相對轉(zhuǎn)動的運動副。移動副：允許構(gòu)件作相對移動的運動副。共一百零三頁共一百零三頁平面(pngmin)高副平面(pngmin)高副的約束數(shù)為，自由度為2。共一百零三頁3) 根據(jù)構(gòu)成運動副的兩元素間相對運動的空間形式(xngsh)進行分類： 如果運動副元素間只能相互作平面平行

6、運動，則稱之為平面運動副，否則稱為空間運動副。共一百零三頁三 機構(gòu)(jgu)運動簡圖的繪制（一）機構(gòu)運動(yndng)簡圖的定義（二）機構(gòu)運動簡圖的繪制共一百零三頁（一）機構(gòu)運動(yndng)簡圖的定義 用簡單的線條和符號代表構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構(gòu)(jgu)的組成和傳動情況。這樣繪制出的簡明圖形就稱為機構(gòu)運動簡圖。 為了表示機構(gòu)的結(jié)構(gòu)情況，不嚴格按比例繪制的機構(gòu)簡圖，稱為機構(gòu)示意圖。共一百零三頁（二）機構(gòu)(jgu)運動簡圖的繪制1、運動副的表示(biosh)方法： 機架 :共一百零三頁 低副共一百零三頁 高副共一百零三頁 2、構(gòu)件的表示(biosh)方法： 軸、桿 固

7、定(gdng)件 共一百零三頁常用機構(gòu)(jgu)運動簡圖符號共一百零三頁共一百零三頁3、機構(gòu)(jgu)運動簡圖繪制步驟1） 確定機構(gòu)中的原動部分和工作(gngzu)部分，然后再把兩者之間的傳動搞清楚，從而找出組成機構(gòu)的所有構(gòu)件并確定構(gòu)件間的運動副類型。2） 恰當?shù)剡x擇投影面。一般選擇機構(gòu)中與多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面作為繪制機構(gòu)運動簡圖的投影面。共一百零三頁3）選擇(xunz)適當?shù)谋壤?，確定各運動副之間的相對位置，用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構(gòu)件上的運動副元素用簡單(jindn)線條連接起來，即為所繪的機構(gòu)運動簡圖。共一百零三頁例1：繪制(huzh)油泵機構(gòu)運動簡圖共一百零三頁

8、例2:繪制內(nèi)燃機機構(gòu)(jgu)運動簡圖CAB12344D556共一百零三頁例3:繪制機構(gòu)(jgu)運動簡圖EI插齒機5共一百零三頁例3:繪制機構(gòu)(jgu)運動簡圖插齒機共一百零三頁牛頭刨床(ni tu po chun)結(jié)構(gòu)示意圖牛頭刨床(ni tu po chun)運動圖共一百零三頁2-3 機構(gòu)(jgu)自由度的計算一、平面(pngmin)機構(gòu)自由度的計算公式二、機構(gòu)自由度的意義及機構(gòu)具有確定運動的條件三、計算機構(gòu)自由度時應注意的事項四、空間機構(gòu)自由度簡述共一百零三頁一、平面(pngmin)機構(gòu)自由度的計算公式 設一個平面機構(gòu)有K個構(gòu)件，其中必有一個構(gòu)件為機架，機架的自由度為零，則活動件個數(shù)

9、n=K-1；這些活動構(gòu)件在未組成運動副之前(zhqin)總共有3 n個自由度，組成運動副后，自由度將減少。 若機構(gòu)中有PL個低副和PH個高副，則引入的約束數(shù)為(2PL+PH)，機構(gòu)的自由度F為:F=3n-(2PL+PH)= 3n - 2PL- PH 共一百零三頁例1：計算油泵(yubng)機構(gòu)機構(gòu)的自由度解：n=3,L =4,H =0LH34 01共一百零三頁例2：計算牛頭刨床(ni tu po chun)機構(gòu)的自由度解：LH68 11共一百零三頁二、機構(gòu)自由度的意義及機構(gòu)具有(jyu)確定運動的條件自由度：是描述或確定一個(y )機械系統(tǒng)運動或位置所必須的的獨立參數(shù)。 ABCDLH 34 0

10、1 共一百零三頁 四桿機構(gòu)的運動位置可由B、C兩點的位置確定，平面上的每個點包含兩個位置變量，所以平面四桿機構(gòu)的任意位置狀態(tài)需由四個位置變量確定。另外，四桿機構(gòu)又有三個桿長引入三個桿長約束方程。四個位置變量需滿足三個約束方程，故只有一個變量是獨立(dl)的，說明平面四桿機構(gòu)的位置需要一個獨立參數(shù)，即有一個自由度。ABCD共一百零三頁 一般，機構(gòu)約束方程的數(shù)目總小于機構(gòu)運動位置變量的數(shù)目；要解出確定(qudng)的變量，必須引入附加的獨立方程，需引入方程的個數(shù)等于位置變量數(shù)與獨立約束方程間的差值，這個差值便是機構(gòu)的自由度。 共一百零三頁 設構(gòu)件1為原動件，參變量1表示構(gòu)件1的獨立運動，則由圖可見

11、，每給出一個1的數(shù)值，從動件2、3便有一個確定的位置。因此(ync)，這個自由度等于1的機構(gòu)，在具有一個原動件時的運動是確定的。 共一百零三頁五桿機構(gòu)(jgu) F=3*4-2*5=2AEBCD共一百零三頁 該機構(gòu)(jgu)的自由度為2，應當有2個原動件，若取構(gòu)件1和構(gòu)件4為原動件，1和4分別表示構(gòu)件1和4的獨立運動。每給定一組1和4的數(shù)值，從動件2、3便有一個確定的相應位置。因此，這個自由度等于2的機構(gòu)在具有兩個原動件時運動是確定的。 共一百零三頁小 結(jié) 機構(gòu)的自由度數(shù)目和機構(gòu)原動件的數(shù)目與機構(gòu)的運動(yndng)有著密切的關系：1) 若機構(gòu)自由度F0，則機構(gòu)不能運動桁架（桁架）。n=2,P

12、l=3,F=0231共一百零三頁2) 若0且與原動件數(shù)相等，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是確定的；這就是機構(gòu)具有(jyu)確定運動的條件。n=3,Pl=4,F=114123ABCD共一百零三頁3) 若0，而原動件數(shù)0，而原動件數(shù)(jin sh)F，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。共一百零三頁 機構(gòu)并非是構(gòu)件的任意拼湊組合，而機構(gòu)自由度、原動件數(shù)目與機構(gòu)運動(yndng)有著密切的關系。 機構(gòu)(jgu)的自由度數(shù)=機構(gòu)(jgu)的原動件數(shù) 機構(gòu)具有確定運動的條件：共一百零三頁三、計算(j sun)機構(gòu)自由度時應注意的事項1、復合鉸鏈(jiolin)2、局部自由度3、虛約束共一百零三頁1、復合(fh)鉸鏈

13、 由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成(guchng)的重合轉(zhuǎn)動副稱為復合鉸鏈。 由m個構(gòu)件匯集而成的復合鉸鏈應當包含（m-1）個轉(zhuǎn)動副。共一百零三頁例：計算(j sun)直線機構(gòu)的自由度解：LH710 1共一百零三頁2、局部(jb)自由度 對整個機構(gòu)（或其他構(gòu)件）運動無關的自由度稱為局部(jb)自由度。 解決的方法：計算機構(gòu)自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視作一個構(gòu)件21ACB4321ACB3?共一百零三頁3、虛約束(yush) 在機構(gòu)中不起獨立(dl)限制作用的（或著說這些約束所起的限制作用是重復的）約束稱為虛約束。 處理方法：計算自由度時，將虛約束（或虛約束構(gòu)件及其所帶入的運動副）

14、去掉共一百零三頁常見的虛約束有以下(yxi)幾種情況1) 移動副導路平行 當兩構(gòu)件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個(y )移動副起約束作用，其余都是虛約束，2CAB134共一百零三頁2) 轉(zhuǎn)動副軸線重合(chngh) 當兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉(zhuǎn)動副起作用，其余轉(zhuǎn)副都是虛約束。共一百零三頁3) 軌跡重合 如果機構(gòu)(jgu)中兩活動構(gòu)件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉(zhuǎn)動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束。共一百零三頁ABCDEF？4F5123ADBCE123ADBCE共一百零三頁 4) 機構(gòu)存在對運動起重復約束作用的對稱部

15、分(b fen) 在機構(gòu)中，某些不影響機構(gòu)運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。 共一百零三頁5) 如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面(pngmin)高副，且在接觸點處的公法線彼此重合,則只能算一個平面(pngmin)高副。共一百零三頁例：計算(j sun)內(nèi)燃機機構(gòu)的自由度解： n=5,L =6,H =2LH56 21CAB12344D556共一百零三頁例：計算(j sun)大篩機構(gòu)的自由度解:LH79 12324共一百零三頁四、空間(kngjin)機構(gòu)自由度簡述 若n個活動構(gòu)件中有P1個一級副；有P2個二級副；有P3個三級副；有P4個四級副；有P5個五級副，則可得空間(kngjin)機構(gòu)的自

16、由度公式為：F=6n5P54P43P32P2P1共一百零三頁2-4 平面(pngmin)機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析一、平面機構(gòu)的組成(z chn)原理二、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析三、平面機構(gòu)的高副低代共一百零三頁一、平面機構(gòu)(jgu)的組成原理1、基本桿組的定義2、平面機構(gòu)(jgu)的組成原理3、基本桿組的分類4、機構(gòu)的級數(shù)共一百零三頁1、基本(jbn)桿組的定義 去掉機架和原動件,余下(yxi)的是從動件系統(tǒng)，它的 F = 0。最簡單的、不可再分的、自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組。共一百零三頁2134ABCDEF561A6F=1F=0F=0234BCDEF5F=1F=023BCDE4F5共一百零三頁

17、2、平面機構(gòu)(jgu)的組成原理 任何機構(gòu)都包含有機架、原動件和從動件系統(tǒng)。所以機構(gòu)可以看成由若干個基本(jbn)桿組依次連接于原動件和機架上所組成的系統(tǒng)，這就是機構(gòu)的組成原理。共一百零三頁 任何平面機構(gòu)(jgu)均可以用零自由度的桿組依次聯(lián)結(jié)到原動件和機架上去的方法來組成。E4F523BCD61A1A623BCDE4F5共一百零三頁3、基本(jbn)桿組的分類基本(jbn)桿組：F3n(2PLPH) 0當運動副全為低副時(高副可低代) 則：F3n2 PL0 n、PL均為整數(shù)，即：為的倍數(shù) PL為3的倍數(shù)基本組合有：，PL；，PL；，PL； 共一百零三頁 最簡單的的平面基本桿組是由兩個構(gòu)件、三

18、個低副組成的桿組，稱為級組。轉(zhuǎn)動副用R表示，移動副用P表示。桿組的型式(xn sh)如下： （2）RRP（1）RRRII級組(二桿(r n)三副)共一百零三頁（3）RPR（5）RPP（4）PRP共一百零三頁III級組(四桿六副)IV級組(四桿六副)：具有(jyu)四個內(nèi)運動副組成閉廓的桿組。共一百零三頁4、機構(gòu)(jgu)的級數(shù) （在同一機構(gòu)中可以同時包含不同級別(jbi)的基本桿組），把機構(gòu)中包含的基本桿組的最高級數(shù)稱為該機構(gòu)的級數(shù)。共一百零三頁八桿機構(gòu)(jgu)組成：級機構(gòu)(jgu)共一百零三頁二、 平面機構(gòu)(jgu)的結(jié)構(gòu)分析1、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)(jigu)分析的意義2、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析的

19、步驟共一百零三頁1、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)(jigu)分析的意義 機構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)分析就是將已知機構(gòu)分解為原動件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構(gòu)的組成，并確定機構(gòu)的級別。共一百零三頁2、平面機構(gòu)(jgu)的結(jié)構(gòu)分析的步驟1) 計算機構(gòu)的自由度并確定原動件。 （先去除局部(jb)自由度和虛約束） 2) 拆桿組。 從遠離原動件處開始級（不行）級直到只剩級（每拆出一個桿組后，剩下的仍能組成機構(gòu)，且 F不變） 3）確定機構(gòu)的級別。共一百零三頁八桿機構(gòu)(jgu)級機構(gòu)(jgu)共一百零三頁例1：確定(qudng)圖示機構(gòu)的級別解： F3n(2PLPH) 級機構(gòu)(jgu). 共一百零三頁例2：確定機構(gòu)(j

20、gu)的級別（）計算(j sun)自由度（構(gòu)件1為原動件）F=372100=1（2）拆桿組：（3）確定級別：級機構(gòu)。共一百零三頁將原動件改為(i wi)構(gòu)件共一百零三頁三、平面(pngmin)機構(gòu)的高副低代1、平面(pngmin)機構(gòu)的高副低代的意義2、平面機構(gòu)的高副低代的條件共一百零三頁1、平面(pngmin)機構(gòu)的高副低代的意義 為使平面低副機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和運動分析方法適合于含有(hn yu)高副的平面機構(gòu)，可根據(jù)一定的約束條件將平面機構(gòu)中的高副虛擬地用低副代替，稱為高副低代。共一百零三頁2、平面(pngmin)機構(gòu)的高副低代的條件 （不改變機構(gòu)特性） 1）代替前后(qinhu)機構(gòu)的自由

21、度完全相同。2）代替前后機構(gòu)的運動狀況（位移，速度，加速度）相同。213共一百零三頁高副低代關鍵： 找出構(gòu)成高副的兩輪廓曲線相接觸點處的曲率中心。然后用一個構(gòu)件和位于兩個曲率中心的兩個轉(zhuǎn)動(zhun dng)副來代替該高副。共一百零三頁 若兩輪廓之一為直線，則轉(zhuǎn)動副演化(ynhu)為移動副。 2O1共一百零三頁若兩輪廓之一為一點(y din)，點的曲率半徑為零。B21AC321ACB3共一百零三頁（1）計算機構(gòu)的自由度，去除(q ch)虛約束、局部自由度，并高副低代，ABCDO EFGHABCDEFGO H例：確定機構(gòu)(jgu)的級別共一百零三頁（2）先試拆 級組，若拆不出 級組，再試拆 級組

22、。（3）確定(qudng)機構(gòu)的級別，以機構(gòu)桿組的最高級別命名機 構(gòu)的級別。FABCDEGO HFGO ABCDHE注意(zh y)：遠離主動件的桿組先坼。共一百零三頁2-5 平面(pngmin)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合1、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合(zngh)的意義2、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合方法共一百零三頁1、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合(zngh)的意義 根據(jù)(gnj)機構(gòu)的輸入特性與輸出特性的要求設計機構(gòu)運動簡圖的過程一般稱為結(jié)構(gòu)綜合（結(jié)構(gòu)設計） 。 共一百零三頁 平面機構(gòu)的綜合是研究一定數(shù)量的構(gòu)件和運動副可以組成多少種機構(gòu)型式的綜合過程(guchng)。 通過進行機構(gòu)的型式綜合，可提供相同數(shù)目的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)組合而成的各種機構(gòu)型式，為設計新機器提供了擇優(yōu)選擇的條件。共一百零三頁2、平面(pngmin)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合方法 根據(jù)平面機構(gòu)的組成原理，在綜合平面機構(gòu)時，如果沒有(mi yu)虛約束，則只須往原動件和機架（即I級機構(gòu)）上聯(lián)接自由度等于零的基本桿組。這種結(jié)構(gòu)綜合的方法稱為基本桿組疊加法