機(jī)械原理2機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析工程課件

1、第2章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析21 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 研究組成機(jī)構(gòu)的要素及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件,然后判斷機(jī)構(gòu)能否運(yùn)動。 研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制方法，即研究如何用簡單的圖形表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動狀態(tài)。 研究機(jī)構(gòu)的組成原理，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，以便于對其進(jìn)行運(yùn)動分析和動力分析。22 機(jī)構(gòu)的組成構(gòu)件和運(yùn)動副是組成機(jī)構(gòu)的兩個基本要素，而機(jī)構(gòu)則是具有固定構(gòu)件的運(yùn)動鏈。要知道機(jī)構(gòu)是怎樣組成的,首先要搞清構(gòu)件、運(yùn)動副和運(yùn)動鏈的概念。 1、構(gòu)件 2、運(yùn)動副3、運(yùn)動鏈 4、機(jī)構(gòu) 1. 構(gòu)件：組成機(jī)構(gòu)的各個獨(dú)立運(yùn)動單元內(nèi)燃機(jī)零件：加工制造的單元在各種機(jī)器或機(jī)構(gòu)中常用的零件，稱為通用零件 只在特定的機(jī)器中

2、才用到的零件，稱為專用零件。通用零件是本課程的主要學(xué)習(xí)對象，而專用零件的設(shè)計(jì)方法應(yīng)在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)。內(nèi)燃機(jī)中的連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋構(gòu)件可以由一個或幾個零件（剛性聯(lián)結(jié)）組成機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件與零件一部機(jī)器可以只包含一個機(jī)構(gòu)（如電動機(jī)），也可包含多個機(jī)構(gòu)在研究構(gòu)件的運(yùn)動和受力情況時，機(jī)器與機(jī)構(gòu)之間并無區(qū)別機(jī)械構(gòu)件：組成機(jī)構(gòu)的各個獨(dú)立運(yùn)動單元構(gòu)件可以由一個或幾個零件（元件剛性）組成。a)兩個構(gòu)件、b) 直接接觸、c) 有相對運(yùn)動運(yùn)動副元素：兩構(gòu)件上能夠參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動副的部分（點(diǎn)、線、面）常用運(yùn)動副類型及動畫演示2. 運(yùn)動副：使兩個構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運(yùn)動的聯(lián)接。三個條件，

3、缺一不可一個自由構(gòu)件作平面運(yùn)動時有三個獨(dú)立運(yùn)動的可能性。如在Oxy坐標(biāo)系中，構(gòu)件S可隨其上任一點(diǎn)A沿x軸、y軸方向移動和繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動。要描述構(gòu)件S的狀態(tài)需要三個變量：x、y、xyASO一個自由構(gòu)件作平面運(yùn)動、空間運(yùn)動的自由度？構(gòu)件的自由度：構(gòu)件含有獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目答案：36構(gòu)件xzyO約束：對獨(dú)立運(yùn)動的限制組成運(yùn)動副兩構(gòu)件的相對自由度 f 及約束s 的關(guān)系為：sf6運(yùn)動副的分類： 1)按引入的約束數(shù)分有： I級副II級副III級副I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。 2)按按運(yùn)動副的運(yùn)動性質(zhì)分有： 平面運(yùn)動副平面運(yùn)動平面機(jī)構(gòu)全部由平面運(yùn)動副組成的機(jī)構(gòu)。IV級副例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺

4、旋、生物關(guān)節(jié)?？臻g運(yùn)動副空間運(yùn)動V級副1V級副2空間機(jī)構(gòu)至少含有一個空間運(yùn)動副的機(jī)構(gòu)。 4)按運(yùn)動副元素分有： 高副點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高，易磨損。低副面接觸，應(yīng)力低例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。轉(zhuǎn)動副：兩個構(gòu)件之間只能繞同一軸線做相對轉(zhuǎn)動移動副：兩個構(gòu)件之間只能沿某一軸線相對移動 3)按相對運(yùn)動的形式分有： 轉(zhuǎn)動副（或回轉(zhuǎn)副、鉸鏈），移動副，螺旋副和球面副等。 例如：轉(zhuǎn)動副、移動副等。運(yùn)動副的符號表示: 轉(zhuǎn)動副移動副高副高副高副常用運(yùn)動副的符號: 國標(biāo)GB446084運(yùn)動副名稱運(yùn)動副符號兩運(yùn)動構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副移動副12121212121212121212121212兩構(gòu)件之一為固定時的運(yùn)

5、動副122121平面運(yùn)動副平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運(yùn)動副1212123. 運(yùn)動鏈 4. 機(jī)構(gòu)四、機(jī)構(gòu)平面機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動平面互相平行空間機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)中至少有一構(gòu)件不在相互平行的平面上運(yùn) 動，或至少有一構(gòu)件能在三維空間中運(yùn)動 低副機(jī)構(gòu)：完全由低副連接而成的機(jī)構(gòu) 高副機(jī)構(gòu)：只要含有一個高副的機(jī)構(gòu) 23 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖在對現(xiàn)有機(jī)械進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)新機(jī)械時,都需要繪制出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸,按一定的比例尺定出各運(yùn)動副的位置，就可以用運(yùn)動副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的代表符號和構(gòu)件的表示方法，將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動傳遞情況表示出來。用以表示機(jī)構(gòu)運(yùn)

6、動傳遞情況的簡化圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。忽略構(gòu)件和運(yùn)動副具體的結(jié)構(gòu)和形狀，用簡單的線條和符號來表示構(gòu)件和運(yùn)動副，并按比例定出各運(yùn)動副的位置。作用： 1. 表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況。 2. 作為運(yùn)動分析和動力分析的依據(jù)。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖對機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動及動力分析就變得十分簡明和方便了。而只是為了表明機(jī)械的結(jié)構(gòu)情況，也可以不要求嚴(yán)格的按比例來繪制出的簡圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。注意事項(xiàng): 畫構(gòu)件時應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)。常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號 在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動帶傳動圓錐齒輪傳動鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖應(yīng)滿足的條件： 1.構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際相同 2.運(yùn)

7、動副的性質(zhì)、數(shù)目與實(shí)際相符 3.運(yùn)動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu) 成比例。棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動4. 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖步驟第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析（1）分析機(jī)構(gòu)： 判斷機(jī)架、原動件、執(zhí)行部件； 沿運(yùn)動傳遞路線，分析原動件的運(yùn)動如何傳至執(zhí)行部件； 數(shù)清從動件、構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動副類型和數(shù)目；（2）選擇大多數(shù)構(gòu)件所在平面為投影面（3）選擇適當(dāng)?shù)谋壤撸▽?shí)長/圖長）；（4）按順序用規(guī)定符號繪圖，并標(biāo)出原動件運(yùn)動方向例 題 21 第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析例：圖為鄂式破碎機(jī)。當(dāng)曲軸1繞軸心O連續(xù)回轉(zhuǎn)時，動鄂板5繞軸心F往復(fù)擺動，從而將礦石軋碎。試?yán)L制此破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。2-4 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動

8、的條件一個機(jī)構(gòu)在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動呢？先來看兩個例子：例1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)例2 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)若給定機(jī)構(gòu)一個獨(dú)立運(yùn)動，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動完全確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個獨(dú)立運(yùn)動，則機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機(jī)構(gòu)一個獨(dú)立運(yùn)動，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個獨(dú)立運(yùn)動，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動完全確定。 機(jī)構(gòu)的自由度 結(jié)論 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是： 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。25 機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算運(yùn)動副對構(gòu)件自由度的影響低副：2個約束，1個自由度1個約束，2個自由度（1）一個作平面運(yùn)動的自由構(gòu)件具有三個自由度。高副：（2）引入一個轉(zhuǎn)

9、動副約束了構(gòu)件兩個自由度，引入一個移動副也約束了構(gòu)件的兩個自由度。（3）引入一個高副約束了構(gòu)件的一個自由度。1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 機(jī)構(gòu)的自由度：機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對于機(jī)架所能有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式設(shè)平面機(jī)構(gòu)共有K個構(gòu)件，除去自由度等于零的固定構(gòu)件，則機(jī)構(gòu)中的活動構(gòu)件數(shù)n=K-1，若機(jī)構(gòu)中有PL個低副，PH個高副，該機(jī)構(gòu)的自由度為：要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。24 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為了按照一定的要求進(jìn)行運(yùn)動的傳遞及變換，當(dāng)機(jī)構(gòu)的原動件按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時，該機(jī)構(gòu)中的其余構(gòu)件的運(yùn)動也都應(yīng)是完全確定的。 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件：機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目F

10、機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F原動件數(shù)0機(jī)構(gòu)的自由度就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目 。只有當(dāng)給機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)時機(jī)構(gòu)才能具有確定運(yùn)動，一般只有原動件具有獨(dú)立運(yùn)動，而且通常每個原動件只有一個獨(dú)立運(yùn)動。當(dāng)機(jī)構(gòu)不滿足這一條件時，如果原動件數(shù)目小于機(jī)構(gòu)的自由度，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不確定；若原動件數(shù)目大于機(jī)構(gòu)的自由度，則導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)破壞。 計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數(shù)PH=0S3123機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算舉例計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n 2PL PH =34 25

11、 =2 高副數(shù)PH=012341計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副數(shù)PH=11232、4計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng)第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析1、復(fù)合鉸鏈CB321A5E6D增加構(gòu)件5、6 后，n=5，pl=6，ph=0F=3n-2pl-ph=35-26=3顯然是錯誤的 如圖：n=3，pl=4，ph=0 F=3n-2pl-ph=33-24=1由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈312推廣：m個構(gòu)件鉸接在一起，有(m-1)個轉(zhuǎn)動副上例： F = 35 - 27 = 1第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析 由兩個以上構(gòu)件在同一處

12、構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈，如：123213第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析例：活動構(gòu)件：n = 7運(yùn)動副： 不考慮復(fù)合鉸鏈，pl=6，ph=0，F(xiàn)=3n-2pl-ph = 9（） 考慮復(fù)合鉸鏈， pl=10，ph=0，F(xiàn)=3n-2pl-ph = 1（） 第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析2、局部自由度不影響機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動的自由度，稱為局部自由度。例如：圖示滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)F=3n-2pl-ph=2 （）焊接法：仍采用原公式，但活動構(gòu)件、運(yùn)動副數(shù)目均變化。F=3n-2PL-PH=1變換公式：在原公式中減去局部自由度。F=3n-(2pl+ph)-F = =1局部自由度常出現(xiàn)場合：活動摩擦變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子，

13、軸承中的滾珠等。第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析3、虛約束不起獨(dú)立限制作用的約束。虛約束處理方法：計(jì)算自由度時，將虛約束去除。此時，自由度計(jì)算公式為：F=3n-(2pl+ph-p)-F其中：n活動構(gòu)件數(shù)目 pl、ph分別為低副數(shù)和高副數(shù) p虛約束個數(shù) F局部自由度約束此為平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算的完整公式第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析虛約束常出現(xiàn)場合:1、兩構(gòu)件之間形成多個運(yùn)動副。2、用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接兩構(gòu)件上軌跡重合的點(diǎn)。AB=CD=EF，BC = AD BE = AF F = 34 (26+0-0)-0 =0 錯誤E點(diǎn)軌跡重合 EF為虛約束（或AB、CD) F = 34- (26+0-1)-0 = 1 下一個第二章 機(jī)

14、構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析兩個構(gòu)件之間形成多個運(yùn)動副 多個轉(zhuǎn)動副軸線重合F = 31 - 22 = -1 （）F = 31 - 21= 1 多個移動副導(dǎo)路平行 F= 32 - 22-1 = 1多個高副在特定幾何條件下（法線重合）F= 32 - 22-1 = 1返回第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析3、用雙轉(zhuǎn)動副構(gòu)件聯(lián)接兩構(gòu)件上距離不變的兩點(diǎn)。如圖：DC間 距離不變?nèi)鐖D：AB間 距離不變F=34-(26+0-1)-0=14、不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動的對稱部分，且p=2pl+ph-3n其中： n 、pl、ph為重復(fù)部分構(gòu)件、低副和高副數(shù)。如：第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析其中： p=2pl+ph-3n = =2所以，機(jī)構(gòu)自由度為：F=3n-

15、(2pl+ph-p)-F =15-（10+6-2）-0 =1計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明：F點(diǎn)的軌跡為一直線。12345678ABCDEF圓盤鋸機(jī)構(gòu)CDABGFoEE計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置C ，2個低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度1個虛約束EF=3n (2PL+ PH P) F =38 (211+1 2) 1 =2第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析例1：計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)自由度，并判斷機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動。注：C 處為復(fù)合鉸鏈；E處為虛約束；F 處為局部自由度F = 36-(28+1-0)- 0= 1F = 38-( 21

16、0+1-0)-1 = 2例2：如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標(biāo)出）。局部自由度復(fù)合鉸鏈虛約束例3：計(jì)算圖所示機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請標(biāo)出）。局部自由度虛約束第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析2、7平面機(jī)構(gòu)組成原理平面機(jī)構(gòu)的組成原理2基本桿組的概念31平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析33第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)都是由機(jī)架、原動件和從動件組構(gòu)成的。原動件從動件組機(jī)架 一、基本桿組的概念第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析基本桿組 對具有確定相對運(yùn)動的低副機(jī)構(gòu)（原動件數(shù)=自由度數(shù)），將原

17、動件和機(jī)架拆下，剩余的從動件系統(tǒng)就是一個自由度為零的運(yùn)動鏈。若將其進(jìn)一步拆為不可再拆的自由度為零的運(yùn)動鏈，即得到基本桿組。簡稱“桿組” DCAB+EFAODCBEFF = 32- 23 = 0O+第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析結(jié)論：34121）用桿組搭接機(jī)構(gòu)不代入多余的約束不代入多余的自由度機(jī)構(gòu)的自由度不變。2）對桿組概念的理解：F= 0，不能理解為不能動。而是，桿組參與搭接機(jī)構(gòu)時不會引入多余的約束和自由度。56第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析1、基本機(jī)構(gòu) （原動件 + 機(jī)架）2、機(jī)構(gòu)的組成（基本機(jī)構(gòu) + 桿組）3、平面機(jī)構(gòu)的級別機(jī)構(gòu)的級別按其中所含桿組的最高級別確定。第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析基本桿組的類型F =

18、 3 n 2 Pl = 0由桿組的定義：3 n =2 Pl級組級組級組名稱構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)桿組的基本型 n =2 ；Pl =3 n =4 ；Pl =6 n =4 ；Pl =6桿組的級別按其中所含最大封閉形邊數(shù)確定。概念：桿組的外接副、內(nèi)接副。外接副內(nèi)接副常見2級桿組第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析級組的基本型 n =4 ；Pl =6ACB1234DEF桿組的演化途徑轉(zhuǎn)動副變移動副桿長的變化桿組的演化第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析三、平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析是機(jī)構(gòu)組成的逆過程，也可稱為機(jī)構(gòu)的拆桿組。步驟及注意事項(xiàng)1。 除去機(jī)構(gòu)中的虛約束和局部自由度。計(jì)算自由度，明確原動件。2。 拆桿組。一般是從遠(yuǎn)離原動件處開始拆，應(yīng)首先試拆級組，若不成再試拆高一級桿組。重復(fù)進(jìn)行直至原動件。123456789567834F = 38- 211 =2第二章 機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析是機(jī)構(gòu)組成的逆過程，也可稱為機(jī)構(gòu)的拆桿組。步驟及注意事項(xiàng)1。 除去機(jī)構(gòu)中的虛約束和局部自由度。計(jì)算自由度，明確原動件。2。 拆桿組。一般是從遠(yuǎn)離原動件處開始拆，應(yīng)首先試拆級組，若不成再試拆高一級桿組。重復(fù)進(jìn)