機(jī)械原理課件(哈工大威海)第二章

1/15/2023第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和綜合§2-1

機(jī)構(gòu)分析和綜合的基本內(nèi)容§2-2

機(jī)構(gòu)的組成及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制§2-3

機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算§2-4

平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析返回*§2-5平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合§2-1結(jié)構(gòu)分析和綜合的基本內(nèi)容機(jī)械原理課程對(duì)機(jī)械的研究主要有以下幾個(gè)方面：一、對(duì)已有機(jī)械進(jìn)行分析二、設(shè)計(jì)新的機(jī)械機(jī)構(gòu)的選型機(jī)構(gòu)的動(dòng)力設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)總體運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分析機(jī)械的動(dòng)力分析本章的任務(wù)：研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與類型綜合1.研究機(jī)構(gòu)的組成要素及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制3.研究機(jī)構(gòu)的組成原理4.研究平面機(jī)構(gòu)的類型綜合方法2.研究機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件§2-2機(jī)構(gòu)的組成及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制一、機(jī)構(gòu)的組成要素1.構(gòu)件作為一個(gè)整體參與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的剛性單元體稱為構(gòu)件一個(gè)構(gòu)件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若干個(gè)不同零件組裝起來的剛性體。例如：2.運(yùn)動(dòng)副由兩個(gè)構(gòu)件直接接觸而產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為

運(yùn)動(dòng)副。對(duì)運(yùn)動(dòng)副的理解要把握以下三點(diǎn)：（１）運(yùn)動(dòng)副是一種聯(lián)接；（２）運(yùn)動(dòng)副由兩個(gè)構(gòu)件組成；（３）組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副是機(jī)械原理中最重要的概念之一兩構(gòu)件上參與接觸構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的部分稱為運(yùn)動(dòng)副元素。例2-1軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。以上是機(jī)構(gòu)的兩大組成要素可以說：機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副逐一聯(lián)接各個(gè)構(gòu)件組成的。二、運(yùn)動(dòng)副的分類

組成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副的類型決定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式。運(yùn)動(dòng)副有多種類型，對(duì)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行正確的分類，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和綜合中是非常重要的。1.根據(jù)運(yùn)動(dòng)副所引入的約束數(shù)分類2.根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的接觸情況分類球面高副柱面高副運(yùn)動(dòng)副元素以點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。運(yùn)動(dòng)副元素以面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。球面低副移動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副3.根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分類空間運(yùn)動(dòng)副球銷副螺旋副圓柱套筒副平面運(yùn)動(dòng)副移動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副(鉸鏈或回轉(zhuǎn)副)三、運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈：兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)開式運(yùn)動(dòng)鏈（開鏈）運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉系統(tǒng)閉式運(yùn)動(dòng)鏈（閉鏈）運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)：在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果將某一個(gè)構(gòu)件加以固定，而讓另一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)固定構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)鏈中其余各活動(dòng)構(gòu)件都有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則此運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)是具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)鏈中，將某一個(gè)構(gòu)件加以固定，而讓另一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)固定構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)鏈中其余各構(gòu)件都有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則此運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)常分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)兩類四、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制

為了便于研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可以撇開構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副的外形和具體構(gòu)造，而只用簡(jiǎn)單的線條和符號(hào)代表構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副位置，表示機(jī)構(gòu)的組成和傳動(dòng)情況。這樣繪制出能夠準(zhǔn)確表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的簡(jiǎn)明圖形就稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

只是為了表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或各構(gòu)件的相互關(guān)系，也可以不按比例來繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，通常把這樣的簡(jiǎn)圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（例：內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖）構(gòu)件表示方法原動(dòng)件：固定件：構(gòu)件剛化：12112運(yùn)動(dòng)副表示方法構(gòu)件或機(jī)構(gòu)表示方法舉例：2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制(1)分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，弄清構(gòu)件數(shù)目；(4)標(biāo)注——構(gòu)件編號(hào)、運(yùn)動(dòng)副字母、原動(dòng)件箭頭。(3)表達(dá)運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件；三選——選視圖、選比例、選位置(2)判定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目——按接觸情況和相對(duì)運(yùn)動(dòng)繪制牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖試?yán)L制圖示油泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

例-23.平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制時(shí)注意問題(1)忽略構(gòu)件外形，關(guān)注運(yùn)動(dòng)副關(guān)系；(2)視圖平面一般選擇為構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面；(3)同一構(gòu)件上的不同零件盡可能用同一數(shù)碼標(biāo)注?！?-3機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式(1)自由度與約束構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度xyzxyz對(duì)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的限制作用稱為約束(2)機(jī)構(gòu)自由度機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度什么是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?球銷副螺旋副圓柱套筒副什么是機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?什么是機(jī)構(gòu)的自由度?機(jī)構(gòu)的自由度=機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目平面機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目為:所有活動(dòng)構(gòu)件的自由度的和減去所有運(yùn)動(dòng)副引入約束數(shù)目的和。這是機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式

對(duì)于具有個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的平面機(jī)構(gòu)，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成了個(gè)低副和個(gè)高副，則它們共引入個(gè)約束。機(jī)構(gòu)的自由度F顯然應(yīng)為:例：牛頭刨床機(jī)構(gòu)的自由度PL=8;PH=1n=6F

=3×6–2×8–1=1二、機(jī)構(gòu)自由度的意義及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件

所謂機(jī)構(gòu)的自由度，實(shí)質(zhì)上就是機(jī)構(gòu)具有確定位置時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)也就是機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有的原動(dòng)件數(shù)目。計(jì)算下列機(jī)構(gòu)的自由度討論1)若機(jī)構(gòu)自由度Ｆ≤０，則機(jī)構(gòu)不能動(dòng)2)若Ｆ>０且與原動(dòng)件數(shù)相等，則機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是確定的，因此，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；3)若Ｆ>0，而原動(dòng)件數(shù)<F，則構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)是不確定的；4）若Ｆ>０，而原動(dòng)件數(shù)>F，則構(gòu)件間不能運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生破壞。三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)1.復(fù)合鉸鏈例：

由兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動(dòng)副稱為復(fù)合鉸鏈。由m個(gè)構(gòu)件構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當(dāng)包含(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。2.局部自由度不影響機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)的自由度，稱為局部自由度。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)當(dāng)舍棄不計(jì)。解決方案：計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，假想滾子和安裝滾子的構(gòu)件固接為一個(gè)整體，成為一個(gè)構(gòu)件或在計(jì)算結(jié)果中去除局部自由度3.虛約束3.虛約束應(yīng)在計(jì)算結(jié)果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副去掉，然后再進(jìn)行計(jì)算。在機(jī)構(gòu)中，有些約束所起的限制作用可能是重復(fù)的，這種不起獨(dú)立限制作用的約束稱為虛約束。常見的虛約束有以下幾種情況:１）當(dāng)兩構(gòu)件組成多個(gè)移動(dòng)副，且其導(dǎo)路互相平行或重合時(shí)，則只有一個(gè)移動(dòng)副起約束作用，其余都是虛約束。帶虛約束的凸輪機(jī)構(gòu)帶虛約束的曲軸２）當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且軸線互相重合時(shí)，則只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副起作用，其余轉(zhuǎn)動(dòng)副都是虛約束。３）如果機(jī)構(gòu)中兩活動(dòng)構(gòu)件上某兩點(diǎn)的距離始終保持不變，此時(shí)若用具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的附加構(gòu)件來連接這兩個(gè)點(diǎn)，則將會(huì)引入一個(gè)虛約束。帶虛約束的桿機(jī)構(gòu)4)軌跡重合的情況在機(jī)構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的是兩個(gè)構(gòu)件上運(yùn)動(dòng)軌跡相重合的點(diǎn)，該連接將帶入1個(gè)虛約束。AB=BC=BD,DAC=90°除B、C、D點(diǎn)，各點(diǎn)軌跡為一橢圓D點(diǎn)軌跡是沿Y軸的直線DBAC

F

=3×1-2×2=-15）機(jī)構(gòu)中對(duì)運(yùn)動(dòng)起重復(fù)限制作用的對(duì)稱部分也往往會(huì)引入虛約束。帶虛約束的行星輪系對(duì)稱部分：機(jī)構(gòu)中存在對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分。6）平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合。如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點(diǎn)處的公法線方向并不彼此重合，則為復(fù)合高副，相當(dāng)于一個(gè)低副（移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副）。虛約束的本質(zhì)是什么?

從運(yùn)動(dòng)的角度看,虛約束就是“重復(fù)的約束”或者是“多余的約束”。機(jī)構(gòu)中為什么要使用虛約束?a.使受力狀態(tài)更合理b.增加機(jī)構(gòu)的剛度c.考慮機(jī)構(gòu)在特殊位置的運(yùn)動(dòng)使用虛約束時(shí)要注意什么問題?

保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用虛約束時(shí)，機(jī)械制造的精度要提高。

虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時(shí)，它就將成為實(shí)際有效的約束，從而影響到機(jī)構(gòu)的性能。§2-4平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析一、平面機(jī)構(gòu)的組成原理機(jī)構(gòu)都是由機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件組構(gòu)成的。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件組從動(dòng)件組當(dāng)把該機(jī)構(gòu)的機(jī)架和原動(dòng)件拆去后，則余下的從動(dòng)件組為：這個(gè)從動(dòng)件組的自由度為零，即：這個(gè)從動(dòng)件組還可以分解成若干個(gè)更簡(jiǎn)單的、自由度等于零的從動(dòng)件組。分解？？？？還能進(jìn)一步分解嗎？還能進(jìn)一步分解嗎？

這樣的從動(dòng)件組已經(jīng)不能進(jìn)一步分解成更簡(jiǎn)單、自由度為零的從動(dòng)件組。

通常把這樣的從動(dòng)件組稱為：基本桿組基本桿組的概念非常重要，它是機(jī)構(gòu)分析的重要的理論基礎(chǔ)。機(jī)構(gòu)的組成原理

任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干個(gè)基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架上所組成的任何復(fù)雜的機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件若干基本桿組

注意

在桿組并接時(shí)，不能將同一桿組的各個(gè)外運(yùn)動(dòng)副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。外運(yùn)動(dòng)副：在桿組中，不與其他構(gòu)件相連的運(yùn)動(dòng)副內(nèi)運(yùn)動(dòng)副：在桿組中，已經(jīng)相連兩個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副

如果基本桿組的運(yùn)動(dòng)副全為低副，則基本桿組自由度的計(jì)算公式為：

由于活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，所以

n應(yīng)是２的倍數(shù)，PL應(yīng)是３的倍數(shù)。

這也就是說，在一個(gè)基本桿組中，其構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)有以下關(guān)系：n=2,PL=3n=4,PL=6n=6,PL=9二、基本桿組的類型最簡(jiǎn)單的平面基本桿組是由兩個(gè)構(gòu)件三個(gè)低副組成的桿組，稱之為Ⅱ級(jí)桿組。Ⅱ級(jí)桿組是機(jī)構(gòu)中最常見的一類基本桿組Ⅱ級(jí)桿組有以下五種形式：（１）RRR桿組（２）RRP桿組（３）RPR桿組（４）PRP桿組（５）RPP桿組除Ⅱ級(jí)桿組外，還有Ⅲ、Ⅳ級(jí)等較高級(jí)的基本桿組。這是Ⅲ級(jí)桿組——由４個(gè)構(gòu)件６個(gè)低副組成，具有一個(gè)３副構(gòu)件，而每個(gè)內(nèi)副所連接的分支是雙副構(gòu)件。這是Ⅳ級(jí)桿組——由４個(gè)構(gòu)件６個(gè)低副組成，有４個(gè)內(nèi)副。三、平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）分析的目的了解機(jī)構(gòu)的組成，確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（2）分析的方法1）去除虛約束和局部自由度，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并確定原動(dòng)件；2）從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級(jí)組，若不成；再拆Ⅲ級(jí)組，直至只剩下原動(dòng)件和機(jī)架為止；3）最后確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。注意：改變?cè)瓌?dòng)件，可以改變機(jī)構(gòu)的級(jí)別。例：破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析此機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。1）若取機(jī)構(gòu)1為原動(dòng)件時(shí)，2）若取構(gòu)件5為原動(dòng)件時(shí)，先試拆Ⅱ級(jí)桿組顯然，這種拆法不成。再試拆Ⅲ級(jí)組，故此機(jī)構(gòu)為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)。四、平面機(jī)構(gòu)的高副低代高副低代——機(jī)構(gòu)中的高副以低副來代替的方法。（1）高副低代應(yīng)滿足的條件：1）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同；2）代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度完全相同。替代的瞬時(shí)性：在大多數(shù)情況下，不同瞬時(shí)高副接觸點(diǎn)處的曲率中心不同，其曲率中心到回轉(zhuǎn)軸心的距離也不同，所以在不同位置有不同的瞬時(shí)替代機(jī)構(gòu)（2）高副低代的方法：圓弧高副機(jī)構(gòu)非圓弧高副機(jī)構(gòu)一個(gè)虛擬構(gòu)件和兩個(gè)低副來代替一個(gè)高副結(jié)論：在平面機(jī)構(gòu)中進(jìn)行高副低代時(shí)，為了使代替前后機(jī)構(gòu)的自由度、瞬時(shí)速度和加速度都保持不變，只要用一個(gè)虛擬的構(gòu)件分別與兩高副構(gòu)件在接觸點(diǎn)的曲率中心處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)就行了。若高副兩元素之一為直線，則低代時(shí)虛擬構(gòu)件這一端的轉(zhuǎn)動(dòng)副將轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副。若高副兩元素之一為一個(gè)點(diǎn)，則低代時(shí)虛擬構(gòu)件這一端的轉(zhuǎn)動(dòng)副就在此點(diǎn)處。由上述可知，在對(duì)高副機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，可根據(jù)高副低代的方法，先將高副機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為低副機(jī)構(gòu)，然后再進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)分析。2-2；2-3；2-4；2-5本章作業(yè)：例：確定桿組及機(jī)構(gòu)的級(jí)別Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)本章重點(diǎn)小結(jié)一、構(gòu)件+運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件基本桿組二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制三、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件：F>0,原動(dòng)件數(shù)目等于自由度數(shù)目

平面運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算方法和注意事項(xiàng)四、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算舉例例1圖示牛頭刨床設(shè)計(jì)方案草圖。設(shè)計(jì)思路為：動(dòng)力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動(dòng)導(dǎo)桿3作往復(fù)擺動(dòng)，并帶動(dòng)滑枕4作往復(fù)移動(dòng)，已達(dá)到刨削加工目的。試問圖示的構(gòu)件組合是否能達(dá)到此目的？如果不能，該如何修改？解：首先計(jì)算設(shè)計(jì)方案草圖的自由度改進(jìn)措施：1、增加一個(gè)低副和一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件；2、用一個(gè)高副代替