機械原理結(jié)構(gòu)

機械原理結(jié)構(gòu)第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第2章平面機構(gòu)組成原理§2-1

機構(gòu)的組成§2-1

機構(gòu)運動簡圖§2-3

機構(gòu)自由度分析§2-4

機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一了解機構(gòu)的組成，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)的運動簡圖；掌握平面機構(gòu)的自由度計算；了解平面機構(gòu)組成的基本原理和桿組級別，掌握高副低代。

重點：機構(gòu)自由度的計算方法、高副低代

難點：機構(gòu)自由度計算中有關(guān)虛約束的識別及處理。基本要求第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2-2機構(gòu)的組成§2-1

機構(gòu)的組成一、機構(gòu)的組成要素1、構(gòu)件(Link)機器中每個獨立運動的單元體稱為構(gòu)件。一個構(gòu)件，可以是一個獨立運動的零件，也可能是由若干個不同零件組裝起來的剛性體。零件是指機器中每個獨立加工制造的單元體。

第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一區(qū)別：構(gòu)件是運動單元，零件是制造單元。例如：第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2、運動副(KinematicPairs)由兩個構(gòu)件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接稱為運動副。兩構(gòu)件上參與接觸構(gòu)成運動副的點、線、面部分稱為運動副元素。第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一對運動副的理解要把握以下三點：１）運動副是一種聯(lián)接（直接接觸）；２）運動副由兩個構(gòu)件組成；３）組成運動副的兩個構(gòu)件之間有相對運動。構(gòu)件和運動副是機構(gòu)的兩大組成要素?？梢哉f：機構(gòu)是由運動副逐一聯(lián)接各個構(gòu)件組成的。運動副是機械原理中最重要的概念之一。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3、自由度與約束構(gòu)件具有的獨立運動數(shù)目稱為自由度。運動副對構(gòu)件運動的限制作用稱為約束。對于作平面運動的自由構(gòu)件，只有3個自由度。約束數(shù)目等于被其限制的自由度數(shù)。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一二、運動副的分類組成機構(gòu)的運動副的類型決定機構(gòu)的運動形式。運動副有多種類型，對運動副進(jìn)行正確的分類，在機構(gòu)設(shè)計和綜合中是非常重要的。1、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類Ⅰ級副、Ⅱ級副、Ⅲ級副、Ⅳ級副、Ⅴ級副第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2、根據(jù)運動副元素的接觸情況分類運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副（HigherPair）。球面高副柱面高副第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一運動副元素以面接觸的運動副稱為低副（LowerPair）。球面低副轉(zhuǎn)動副第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3、根據(jù)構(gòu)件的相對運動形式分類平面運動副（PlanarKinematicPairs）移動副（SlidingPair）兩構(gòu)件之間的相對運動為直線移動（用P表示）。（2個約束）第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一表示：移動副——用滑塊表示，導(dǎo)路可以平移。表示時塊狀、桿狀（或槽狀）可以互換。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)動副（RevolutePair）兩構(gòu)件之間的相對運動為轉(zhuǎn)動，又稱回轉(zhuǎn)副或鉸鏈(hinge)（用R表示）（2個約束）第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一12表示：轉(zhuǎn)動副——用圓圈表示，圓心表示回轉(zhuǎn)軸線。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一兩構(gòu)件之間的相對運動為移動和轉(zhuǎn)動。凸輪副（CamPair）高副（1個約束）第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一表示：凸輪副——表示出凸輪輪廓。第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一齒輪副（GearPair）兩構(gòu)件之間的相對運動為移動和轉(zhuǎn)動。（1個約束）第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一表示：齒輪副——用兩個相切的節(jié)圓表示。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一4、根據(jù)在機構(gòu)中所起的作用不同分為：1）驅(qū)動副——指機構(gòu)中運動副的兩構(gòu)件的相對運動規(guī)律為已知的運動副,即其兩構(gòu)件之間作用有驅(qū)動力矩或驅(qū)動力的運動副；2）從動副——指機構(gòu)中的非驅(qū)動副。2134第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而成的相對可動的系統(tǒng)。如果運動鏈中的每個構(gòu)件上至少有兩個或兩個以上運動副相互聯(lián)接所組成的運動鏈稱為閉式運動鏈。1、運動鏈(KinematicChain)三、運動鏈和機構(gòu)單封閉回路閉鏈多封閉回路閉鏈第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一如果運動鏈中各構(gòu)件沒有構(gòu)成首尾封閉的構(gòu)件系統(tǒng)，則稱為開式運動鏈。

N

p

1開式運動鏈廣泛應(yīng)用于機械手和機器人中。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一其余構(gòu)件運動是否確定？機構(gòu)滿足條件在另一個（或幾個）構(gòu)件上加上給定運動21341432運動鏈

4132固定一個構(gòu)件2、機構(gòu)(Mechanism)在運動鏈中，將某一構(gòu)件加以固定，而讓另一個（或幾個）構(gòu)件按給定運動規(guī)律運動，若其余各構(gòu)件都能得到確定的相對運動，則此運動鏈成為機構(gòu)。第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一原動件：機構(gòu)中按給定運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件，也稱為主動件。

從動件：機構(gòu)中除原動件外其余隨原動件運動的構(gòu)件。任何機構(gòu)中必有機架，一般機構(gòu)中只有一個機架。機構(gòu)中必須有一個或幾個原動件。機架：機構(gòu)中固定不動的構(gòu)件。構(gòu)件的類型第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一平面機構(gòu)(PlanarMechanism)——組成機構(gòu)的各構(gòu)件都在相互平行平面內(nèi)運動的機構(gòu)?？臻g機構(gòu)(SpatialMechanism)——非平面機構(gòu)平面機構(gòu)平面機構(gòu)是我們的主要研究對象。機構(gòu)的分類：第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一空間機構(gòu)第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一分析現(xiàn)有機構(gòu)新機械的運動方案設(shè)計機構(gòu)運動簡圖第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2-3機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖——用簡單的線條和規(guī)定的符號來代表構(gòu)件和運動副，按一定比例表示機構(gòu)的運動位置尺寸的簡明圖形。機構(gòu)運動簡圖與原機構(gòu)具有完全相同的運動特性。一、機構(gòu)運動簡圖及其功用§2-2

機構(gòu)運動簡圖第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一功用：用于現(xiàn)有機械或新機械原理方案的設(shè)計、分析與討論重點在于機構(gòu)的運動分析構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、組成方式等在方案設(shè)計階段

并不影響機構(gòu)的運動特性運動副類型表明了構(gòu)件之間的聯(lián)接關(guān)系和傳動方式構(gòu)件的運動尺寸是運動分析的基礎(chǔ)機構(gòu)示意圖——只是為了表明機器的組成狀況和結(jié)構(gòu)特征，沒有嚴(yán)格按比例來繪制的簡圖。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一二、構(gòu)件及運動副的表示1、運動副的表示移動副轉(zhuǎn)動副凸輪副齒輪副第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一運動副符號兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副轉(zhuǎn)動副移動副121212121212212121平面運動副兩構(gòu)件之一為固定時的運動副121221211222112運動副名稱第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運動副122112平面運動副21第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一一般構(gòu)件的表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件2、構(gòu)件的表示方法第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一三副構(gòu)件兩副構(gòu)件構(gòu)件的表示方法第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2-3

平面機構(gòu)自由度分析一、平面機構(gòu)自由度計算考察由N個構(gòu)件組成的機構(gòu)，活動構(gòu)件數(shù)n=N-1。機構(gòu)自由度：構(gòu)件總自由度3n低副約束數(shù)2PL高副約束數(shù)PHn——活動構(gòu)件數(shù)；PL——低副數(shù)；PH——高副數(shù)要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一自由度計算舉例例題①縫紉機腳踏板自由度計算例題②平面四桿自由度計算分析：n

3，p52，p41，p31計算：F63(314152)1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。

分析：n3，q3，p54計算：F3n2pL

pH

33241只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。平面四桿1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一例題③計算圖示凸輪機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一二、機構(gòu)具有確定運動的條件判斷所設(shè)計的是否能成為機構(gòu)，是自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。

F3n2PLPH33251約束過多，成為超靜定桁架，不能成為機構(gòu)。

F3n2PLPH32230

為一剛性桁架，不能成為機構(gòu)。

機構(gòu)具有確定運動的首要條件：

自由度F必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件1243ADBCE平面四構(gòu)件第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一在F0的條件下，進(jìn)一步判斷是否具有確定的運動。

F3n2PLPH3425

2

原動件數(shù)F,內(nèi)部的運動關(guān)系不確定。原動件數(shù)F,內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。平面五構(gòu)件第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

平面四構(gòu)件

F3n2PLPH33241

原動件數(shù)F，內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。原動件數(shù)F，內(nèi)部各構(gòu)件運動運動關(guān)系確定。綜上所述可知，第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一機構(gòu)具有確定運動的條件是：自由度必須大于零，且原動件的數(shù)目等于自由度數(shù)。即

F＞0，且F等于原動件數(shù)第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一三、計算自由度時應(yīng)注意的問題例題④計算圖示圓盤鋸機構(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計算結(jié)果肯定不對！12345678AFCDBE分析計算錯誤的原因：第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一兩個轉(zhuǎn)動副12345678AFCDBE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。1、復(fù)合鉸鏈由m個構(gòu)件構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當(dāng)包含(

m-1)個轉(zhuǎn)動副正確計算

B、C、D、F處為復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)均為2。

n7，PL10，PH0

F3n2PLPH372101第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一準(zhǔn)確識別復(fù)合鉸鏈舉例關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副1231342123441321432兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一例題⑤計算圖示兩種凸輪機構(gòu)的自由度。解：n=3，PL=3，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1對于右邊的機構(gòu)，有：

F=3×2－2×2－1=1事實上，兩個機構(gòu)的運動相同，且F=121ACB4321ACB3第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2、局部自由度機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運動有關(guān)的自由度。自由度計算時應(yīng)去除局部自由度，即將組成運動副的兩個構(gòu)件加以剛化。滾子的作用：

滑動摩擦滾動摩擦21ACB4321ACB3第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3、虛約束解：n=4，PL=6，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=0⑥已知：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機構(gòu)的自由度。1234ABCDEF——對機構(gòu)的運動實際上不起作用的約束?！逨E=AB=CD，故增加構(gòu)件4前后E點的軌跡都是圓弧?！嘣黾拥募s束不起作用，為虛約束。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一計算具有虛約束的機構(gòu)的自由度時，應(yīng)先將機構(gòu)中引入虛約束的部分除去。⑥已知：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機構(gòu)的自由度。1234ABCDEF先去掉構(gòu)件4和轉(zhuǎn)動副E、F重新計算：n=3，PL=4，PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=14第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一出現(xiàn)虛約束的場合：2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個導(dǎo)路平行或

重合的移動副；1）兩構(gòu)件構(gòu)成多個軸線重合的

轉(zhuǎn)動副；3）兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸點處法線

重合的高副；如等寬凸輪機構(gòu)2CAB134第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一52134EF54）兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終

保持不變。

F3n2PLPH34260

3241EF附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F引入了

一個約束，為虛約束。去掉虛約束后F3n2PLPH33241?第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一5）聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合附加的構(gòu)件4和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F以及附加的構(gòu)件1和其兩端的轉(zhuǎn)動副A、B引入了一個約束，為虛約束。去掉虛約束后F3n2PLPH332411234ABDFEC43125ABCD平行四邊形機構(gòu)橢圓儀機構(gòu)構(gòu)件2和4在E點軌跡重合構(gòu)件1和2在B點軌跡重合第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一6）機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分存在虛約束。行星輪系F=3×3–2×3–1×2=1n=3PL=3PH=23H12第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

虛約束的引入，一般是為了改善機構(gòu)受力，增大傳遞功率或者其它特殊需求；

計算機構(gòu)自由度時，不考慮虛約束的作用；

虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結(jié)構(gòu)條件，如果這些條件被破壞，將轉(zhuǎn)化了實約束，影響機構(gòu)運動；

虛約束問題小結(jié)：機械設(shè)計中如果需要采用虛約束，必須保證設(shè)計、加工、

裝配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一例計算圖示大篩機構(gòu)的自由度，并判斷機構(gòu)是否具有確定運動。解：C處為復(fù)合鉸鏈；F處為局部自由度；E（或E'）處為虛約束。彈簧不起限制作用，可略去。機構(gòu)自由度計算例題：第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一其中n=7，PL=9，PH=1，由此得F=3n–2PL–PH=3×7－2×9－1=2∵

F＞0，F(xiàn)＝原動件數(shù)?！啻藱C構(gòu)具有確定運動。第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一例3計算圖示小型壓力機機構(gòu)的自由度。解：構(gòu)件1與1為同一構(gòu)件，6與6為同一構(gòu)件，滾子5繞自身軸線的轉(zhuǎn)動為局部自由度。除去局部自由度后，n=7，PL=9，PH=2，由此得

F=3n–2PL

–PH=3×7–2×9–2=1即該機構(gòu)應(yīng)有一個原動件。第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一例計算如圖所示機構(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）。AB