機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第五版01

第1章平面機(jī)構(gòu)的自由度和速度(sùdù)分析§1－1運(yùn)動(yùndòng)副及其分類§1－2平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖§1－3平面機(jī)構(gòu)的自由度§1－4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用精品資料名詞術(shù)語解釋:1.構(gòu)件(gòujiàn)－獨(dú)立的運(yùn)動單元內(nèi)燃機(jī)中的連桿(liánɡǎn)§1－1運(yùn)動副及其分類內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋零件－獨(dú)立的制造單元精品資料2.運(yùn)動(yùndòng)副a)兩個(gè)構(gòu)件、b)直接接觸(jiēchù)、c)有相對運(yùn)動運(yùn)動副元素－直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。定義：運(yùn)動副－－兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運(yùn)動的聯(lián)接。三個(gè)條件，缺一不可精品資料運(yùn)動副的分類(fēnlèi)：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。精品資料2)按相對運(yùn)動(xiānɡduìyùndònɡ)范圍分有：平面運(yùn)動副－平面運(yùn)動平面機(jī)構(gòu)－全部(quánbù)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、螺旋、生物關(guān)節(jié)。空間運(yùn)動副－空間運(yùn)動V級副1V級副2V級副3兩者關(guān)聯(lián)空間機(jī)構(gòu)－至少含有一個(gè)空間運(yùn)動副的機(jī)構(gòu)。精品資料3)按運(yùn)動副元素(yuánsù)分有：①高副－點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。②低副－面接觸(jiēchù)，應(yīng)力低例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。例如：轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副。精品資料常見運(yùn)動副符號(fúhào)的表示:國標(biāo)GB4460－84精品資料常用(chánɡyònɡ)運(yùn)動副的符號運(yùn)動(yùndòng)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(shí)的運(yùn)動副122121平面運(yùn)動副精品資料平面(píngmiàn)高副螺旋(luóxuán)副21121221211212球面副球銷副121212空間運(yùn)動副121212精品資料構(gòu)件的表示(biǎoshì)方法:精品資料一般構(gòu)件的表示(biǎoshì)方法桿、軸構(gòu)件(gòujiàn)固定構(gòu)件同一構(gòu)件精品資料三副(sānfù)構(gòu)件兩副構(gòu)件(gòujiàn)一般構(gòu)件的表示方法精品資料運(yùn)動鏈－兩個(gè)以上的構(gòu)件通過(tōngguò)運(yùn)動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。注意事項(xiàng):畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際(shíjì)外形，而只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)。閉式鏈、開式鏈3.運(yùn)動鏈

精品資料若干1個(gè)或幾個(gè)1個(gè)4.機(jī)構(gòu)(jīgòu)定義：具有(jùyǒu)確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架－作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)＝機(jī)架＋原動件＋從動件機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件經(jīng)運(yùn)動副聯(lián)接而成的，很顯然，機(jī)構(gòu)歸屬于運(yùn)動鏈，那么，運(yùn)動鏈在什么條件下就能稱為機(jī)構(gòu)呢？即各部分運(yùn)動確定。分別用四桿機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)模型演示得出如下結(jié)論：在運(yùn)動鏈中，如果以某一個(gè)構(gòu)件作為參考坐標(biāo)系，當(dāng)其中另一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）構(gòu)件相對于該坐標(biāo)系按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時(shí)，其余所有的構(gòu)件都能得到確定的運(yùn)動，那么，該運(yùn)動鏈便成為機(jī)構(gòu)。原（主）動件－按給定運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件。從動件－其余可動構(gòu)件。精品資料§1－2平面機(jī)構(gòu)(jīgòu)運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)(jīgòu)運(yùn)動簡圖－用以說明機(jī)構(gòu)(jīgòu)中各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系的簡單圖形。作用：1.表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況。機(jī)動示意圖－不按比例繪制的簡圖現(xiàn)摘錄了部分GB4460－84機(jī)構(gòu)示意圖如下表。2.作為運(yùn)動分析和動力分析的依據(jù)。精品資料常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(yùndòng)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精品資料鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動精品資料機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖應(yīng)滿足(mǎnzú)的條件：1.構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際相同2.運(yùn)動副的性質(zhì)(xìngzhì)、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)嚙合圓柱齒輪傳動精品資料繪制機(jī)構(gòu)(jīgòu)運(yùn)動簡圖順口溜：先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，數(shù)數(shù)構(gòu)件(gòujiàn)是多少，再看它們怎相聯(lián)。步驟：1.運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械，搞清楚運(yùn)動副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目；4.檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否滿足運(yùn)動確定的條件。2.測量各運(yùn)動副之間的尺寸，選投影面（運(yùn)動平面），繪制示意圖。3.按比例繪制運(yùn)動簡圖。簡圖比例尺：μl=實(shí)際尺寸m/圖上長度mm思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運(yùn)動傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運(yùn)動副的類型，并用符號表示出來。舉例：繪制破碎機(jī)和偏心泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。精品資料DCBA1432繪制(huìzhì)圖示鱷式破碎機(jī)的運(yùn)動簡圖。精品資料1234繪制圖示偏心(piānxīn)泵的運(yùn)動簡圖偏心(piānxīn)泵精品資料§1－3平面(píngmiàn)機(jī)構(gòu)的自由度給定S3＝S3(t)，一個(gè)獨(dú)立參數(shù)(cānshù)θ1＝θ1（t）唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個(gè)獨(dú)立參數(shù)(cānshù)。若僅給定θ1＝θ1（t）,則θ2θ3θ4均不能唯一確定。若同時(shí)給定θ1和θ4，則θ3θ2能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)。θ4S3123S’3θ11234θ1精品資料定義(dìngyì)：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。原動件－能獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件?！咭粋€(gè)原動件只能(zhīnénɡ)提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為：自由度＝原動件數(shù)精品資料一、平面(píngmiàn)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式作平面(píngmiàn)運(yùn)動的剛體在空間的位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。yxθ(x,y)F=3單個(gè)自由構(gòu)件的自由度為3精品資料自由構(gòu)件的自由度數(shù)運(yùn)動(yùndòng)副自由度數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2結(jié)論：構(gòu)件(gòujiàn)自由度＝3－約束數(shù)移動副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3θ經(jīng)運(yùn)動副相聯(lián)后，構(gòu)件自由度會有變化：＝自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù)精品資料活動(huódòng)構(gòu)件數(shù)n

計(jì)算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：記住上述(shàngshù)公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度低副約束數(shù)

高副約束數(shù)

3×n2×PL1

×Ph①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

=3×3－2×4=1

高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：精品資料②計(jì)算(jìsuàn)五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動(huódòng)構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副數(shù)PH=01234θ1精品資料③計(jì)算(jìsuàn)圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(huódòng)構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123精品資料二、計(jì)算(jìsuàn)平面機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng)12345678ABCDEF④計(jì)算圖示圓盤(yuánpán)鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6F=3n－2PL－PH高副數(shù)PH=0=3×7－2×6－0=9計(jì)算結(jié)果肯定不對！精品資料1.復(fù)合鉸鏈－－兩個(gè)以上的構(gòu)件(gòujiàn)在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。計(jì)算(jìsuàn)：m個(gè)構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動副。兩個(gè)低副精品資料上例：在B、C、D、E四處(sìchù)應(yīng)各有2個(gè)運(yùn)動副。④計(jì)算圖示圓盤(yuánpán)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

=3×7－2×10－0=1可以證明：F點(diǎn)的軌跡為一直線。12345678ABCDEF圓盤鋸機(jī)構(gòu)精品資料⑥計(jì)算(jìsuàn)圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：n=3，PL=3，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1對于(duìyú)右邊的機(jī)構(gòu)，有：F=3×2－2×2－1=1事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動相同，且F=1123123精品資料2.局部(júbù)自由度F=3n－2PL－PH－FP

=3×3－2×3－1－1=1本例中局部(júbù)自由度FP=1或計(jì)算時(shí)去掉滾子和鉸鏈：

F=3×2－2×2－1=1定義：構(gòu)件局部運(yùn)動所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉Fp。滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。123123精品資料解：n=4，PL=6，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=03.虛約束(yuēshù)－－對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實(shí)際不起作用的約束(yuēshù)。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束(yuēshù)。∵FE＝AB＝CD，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡(guǐjì)都是圓弧，。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF精品資料重新(chóngxīn)計(jì)算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1特別注意：此例存在虛約束(yuēshù)的幾何條件是：1234ABCDEF4F⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。AB＝CD＝EF虛約束精品資料出現(xiàn)虛約束的場合(chǎnghé)：1.兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，2.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(yídòng)副，且導(dǎo)路平行。如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪橢圓儀等。(需要證明)精品資料4.運(yùn)動(yùndòng)時(shí)，兩構(gòu)件上的兩點(diǎn)距離始終不變。3.兩構(gòu)件構(gòu)成(gòuchéng)多個(gè)轉(zhuǎn)動副，且同軸。5.對運(yùn)動不起作用的對稱部分。如多個(gè)行星輪。EF精品資料6.兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸(jiēchù)，且法線重合。如等寬凸輪(tūlún)W注意：法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A精品資料虛約束的作用：①改善構(gòu)件的受力情況，如多個(gè)(duōɡè)行星輪。②增加機(jī)構(gòu)(jīgòu)的剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。③使機(jī)構(gòu)運(yùn)動順利，避免運(yùn)動不確定，如車輪。注意：各種出現(xiàn)虛約束的場合都是有條件的!精品資料CDABGFoEE’⑧計(jì)算(jìsuàn)圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置(wèizhi)C，2個(gè)低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度1個(gè)虛約束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL－PH

=3×7－2×9－1=2CDABGFoE精品資料B2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧計(jì)算(jìsuàn)圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。分析(fēnxī)：活動構(gòu)件數(shù)n：A1B2I9C3J6H87DE4FG592個(gè)低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度2個(gè)虛約束:1處I8去掉局部自由度和虛約束后：

n=6PL=7F=3n－2PL－PH

=3×6－2×7－3=1PH=3精品資料12A2(A1)B2(B1)§1－4速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)(jīgòu)速度分析中的應(yīng)用機(jī)構(gòu)速度分析的圖解法有：速度瞬心法、相對運(yùn)動法、線圖法。瞬心法尤其(yóuqí)適合于簡單機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析。一、速度瞬心及其求法絕對瞬心－重合點(diǎn)絕對速度為零。P21相對瞬心－重合點(diǎn)絕對速度不為零。

VA2A1VB2B1Vp2=Vp1≠0

Vp2=Vp1=0兩個(gè)作平面運(yùn)動構(gòu)件上速度相同的一對重合點(diǎn)，在某一瞬時(shí)兩構(gòu)件相對于該點(diǎn)作相對轉(zhuǎn)動

，該點(diǎn)稱瞬時(shí)速度中心。求法？1)速度瞬心的定義精品資料特點(diǎn)：①該點(diǎn)涉及兩個(gè)(liǎnɡɡè)構(gòu)件。②絕對速度相同，相對速度為零。③相對回轉(zhuǎn)中心。2）瞬心數(shù)目(shùmù)

∵每兩個(gè)構(gòu)件就有一個(gè)瞬心∴根據(jù)排列組合有P12P23P13構(gòu)件數(shù)4568瞬心數(shù)6101528123若機(jī)構(gòu)中有n個(gè)構(gòu)件，則N＝n(n-1)/2精品資料121212tt123）機(jī)構(gòu)(jīgòu)瞬心位置的確定1.直接(zhíjiē)觀察法適用于求通過運(yùn)動副直接(zhíjiē)相聯(lián)的兩構(gòu)件瞬心位置。nnP12P12P12∞2.三心定律V12定義：三個(gè)彼此作平面運(yùn)動的構(gòu)件共有三個(gè)瞬心，且它們位于同一條直線上。此法特別適用于兩構(gòu)件不直接相聯(lián)的場合。精品資料123P21P31E3D3VE3VD3A2VA2VB2A’2E’3P32結(jié)論(jiélùn)：P21、P31、P32位于同一條直線上。B2精品資料3214舉例：求曲柄(qūbǐng)滑塊機(jī)構(gòu)的速度瞬心?！轕141234P12P34P13P24P23解：瞬心數(shù)為：1.作瞬心多邊形圓2.直接(zhíjiē)觀察求瞬心3.三心定律求瞬心N＝n(n-1)/2＝6n=4精品資料ω1123二、速度瞬心在機(jī)構(gòu)(jīgòu)速度分析中的應(yīng)用1.求線速度已知凸輪轉(zhuǎn)速(zhuànsù)ω1，求推桿的速度。P23∞解：①直接觀察求瞬心P13、P23。V2③求瞬心P12的速度。V2＝VP12＝μl(P13P12)·ω1長度P13P12直接從圖上量取。nnP12P13②根據(jù)三心定律和公法線n－n求瞬心的位置P12

。精品資料ω223412.求角速度解：①瞬心數(shù)為6個(gè)②直接(zhíjiē)觀察能求出4個(gè)余下(yúxià)的2個(gè)用三心定律求出。P24P13③求瞬心P24的速度。VP24＝μl(P24P14)·ω4

ω4

＝ω2·

(P24P12)/P24P14a)鉸鏈機(jī)構(gòu)已知構(gòu)件2的轉(zhuǎn)速ω2，求構(gòu)件4的角速度ω4。ω4

VP24＝μl(P24P12)·ω2VP24P12P23P34P14方向:

CW,

與ω2相同。相對瞬心位于兩絕對瞬心的同一側(cè)，兩構(gòu)件轉(zhuǎn)向相同精品資料ω3b)高副機(jī)構(gòu)(jīgòu)已知構(gòu)件2的轉(zhuǎn)速ω2，