機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及自由度(包含動畫)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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卓越工程師教育培養(yǎng)機(jī)械類創(chuàng)新系列規(guī)劃教材2023最新整理收集do

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開門時，門把手和鎖芯相對于門是轉(zhuǎn)動，彈子相對于鎖芯是平行移動；撐開雨傘時，傘骨軸套相對于傘柄的運(yùn)動為平行移動，傘骨各節(jié)之間是轉(zhuǎn)動。機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件如何連接才能實(shí)現(xiàn)上述的移動或轉(zhuǎn)動呢？只要把構(gòu)件連接到一起就能得到具有確定相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)嗎？如何方便的研究機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對運(yùn)動關(guān)系呢？第1章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖和自由度第1章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖和自由度1.1平面機(jī)構(gòu)的組成1.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1.3平面機(jī)構(gòu)的自由度1.4工程應(yīng)用案例—慣性篩本章重點(diǎn)平面機(jī)構(gòu)、自由度、運(yùn)動副、復(fù)合鉸鏈、局部自由度與虛約束的概念；能正確繪制簡單機(jī)械的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖；能正確計(jì)算平面機(jī)構(gòu)的自由度；會判斷機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動。興趣實(shí)踐觀察跑步機(jī)、錄音機(jī)、訂書機(jī)等的運(yùn)動過程，找出原動件、從動件；認(rèn)識轉(zhuǎn)動副、移動副、高副等。探索思考同樣功能的機(jī)械能否采用不同的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)？第一章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖和自由度案例1-1自行車的動力機(jī)構(gòu)包括腳踏、大鏈輪、鏈條、小鏈輪、車輪、車架等構(gòu)件，請分析這些構(gòu)件分別屬于原動件、從動件和固定件中的哪一種？平面機(jī)構(gòu)的組成運(yùn)動副：構(gòu)件和構(gòu)件之間既要相互連接（接觸）在一起，又要有相對運(yùn)動。而兩構(gòu)件之間這種可動的連接（接觸）就稱為運(yùn)動副。一、運(yùn)動副的概念平面機(jī)構(gòu)——機(jī)構(gòu)中的所有構(gòu)件均平行于同一固定平面運(yùn)動

的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件：

固定件（機(jī)架）

原動件

從動件聯(lián)接件（運(yùn)動副）平面機(jī)構(gòu)的組成很多情況下，固定件以多處分離的形式出現(xiàn)，看起來并沒有直接的連接關(guān)系。但是，不管機(jī)構(gòu)中有幾個分離的固定件，在運(yùn)動學(xué)分析中只能當(dāng)做一個構(gòu)件。常見的運(yùn)動副如下所示：平面機(jī)構(gòu)的組成兩構(gòu)件組成的運(yùn)動副，不外乎是通過點(diǎn)、線、面接觸來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)組成運(yùn)動副兩構(gòu)件之間的接觸特性，運(yùn)動副可分為低副和高副。一、運(yùn)動副的分類兩構(gòu)件以面接觸的運(yùn)動副根據(jù)構(gòu)件相對運(yùn)動形式的不同低副分為轉(zhuǎn)動副和移動副運(yùn)動副高副低副移動副轉(zhuǎn)動副兩構(gòu)件以點(diǎn)、線的形式接觸而組成的運(yùn)動副—只能相對轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副，又稱鉸鏈—只能沿某一軸線作相對移動的運(yùn)動副平面機(jī)構(gòu)的組成

小思考1-1“副”的原意為“一對”，運(yùn)動副的三要素為：兩個構(gòu)件、直接接觸、相對運(yùn)動。請大家思考為何高副和低副的接觸應(yīng)力大小不同？常見的平面運(yùn)動副：轉(zhuǎn)動副移動副高副高副平面機(jī)構(gòu)的組成常見的空間運(yùn)動副：轉(zhuǎn)動副柱面高副圓柱副線高副平面機(jī)構(gòu)的組成常見的空間運(yùn)動副：球銷副球副點(diǎn)高副螺旋副平面機(jī)構(gòu)的組成案例1-1分析自行車機(jī)構(gòu)中由人力直接驅(qū)動的構(gòu)件是腳踏，而它與大鏈輪是固連在一起的同一構(gòu)件，故大鏈輪是原動件；在分析自行車的運(yùn)動時，應(yīng)該以車架為靜參考系，故車架是固定件；除大鏈輪和車架之外的其余構(gòu)件都是從動件。平面機(jī)構(gòu)的組成不考慮與運(yùn)動無關(guān)的構(gòu)件外形和運(yùn)動副具體結(jié)構(gòu)；只考慮與運(yùn)動有關(guān)的運(yùn)動副的類型和構(gòu)件的運(yùn)動尺寸，用簡單的線條、規(guī)定的符號表示構(gòu)件和運(yùn)動副，確定出運(yùn)動副的位置并按比例畫出的簡圖。一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及其作用1.了解機(jī)構(gòu)的組成和類型機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的作用：機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的類型和數(shù)目運(yùn)動副的類型和數(shù)目運(yùn)動副的相對位置2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表達(dá)一部復(fù)雜機(jī)器的傳動原理，進(jìn)行

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和動力分析。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖案例1-2右圖所示的四個構(gòu)件形狀迥異，請分析它們在機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)上有何區(qū)別？做成不同形狀的目的是什么？平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的符號1.構(gòu)件的表示方法2.運(yùn)動副的表示方法平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖常用運(yùn)動副的符號運(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)動副122121平面運(yùn)動副平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運(yùn)動副121212常用運(yùn)動副的符號平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一般構(gòu)件的表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件三副構(gòu)件兩副構(gòu)件平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖案例1-2分析四個構(gòu)件都是含有2個轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件，并且轉(zhuǎn)動副之間的距離相等，所以它們在運(yùn)動學(xué)上是沒有區(qū)別的，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中的表達(dá)形式完全相同。之所以做成不同形狀，是零件強(qiáng)度和設(shè)計(jì)空間的要求。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖三、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制1.步驟—分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，認(rèn)清固定件、原動件和從動

件，確定構(gòu)件數(shù)目?！獜脑瓌蛹_始，按運(yùn)動的傳遞順序，分析各相鄰構(gòu)

件之間相對運(yùn)動的性質(zhì)，確定運(yùn)動副的類型和數(shù)目?！x機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平面為投影面?！x擇適當(dāng)?shù)谋壤_定出各運(yùn)動副的相對位置，用

構(gòu)件和運(yùn)動副的符號繪出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的比例尺μt為：平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖例1-1試?yán)L制內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖氣缸體1活塞2進(jìn)氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10解：1）分析運(yùn)動，確定構(gòu)

件的類型和數(shù)目2）確定運(yùn)動副的類型和

數(shù)目3）選擇視圖平面4）選取比例尺，根據(jù)機(jī)

構(gòu)運(yùn)動尺寸，定出各

運(yùn)動副間的相對位置5）畫出各運(yùn)動副和機(jī)構(gòu)

的符號，并表示出各

構(gòu)件平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖例2-1試?yán)L制鄂式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖例2-2

試?yán)L制縫紉機(jī)引線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一、自由度與約束條件

一個構(gòu)件未用運(yùn)動副與其它構(gòu)件連接之前，有三個自由度。

當(dāng)用運(yùn)動副連接后，構(gòu)件間的相對運(yùn)動受到約束，失去一些自由度。運(yùn)動副不同，失去的自由度數(shù)目和保留的自由度數(shù)目也不同。低副引入兩個約束，保留一個自由度；高副引入一個約束，保留兩個自由度。平面機(jī)構(gòu)的自由度二、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算設(shè)n：機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)；Pl

：機(jī)構(gòu)中低副數(shù)；Ph：機(jī)構(gòu)中高副數(shù)；F：機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；則

F=3n-2Pl-Ph

計(jì)算實(shí)例：解：n=3,Pl

=4,Ph=0F=3n-2Pl

-Ph

=3×3-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1平面機(jī)構(gòu)的自由度

計(jì)算實(shí)例解：n=5,Pl

=7,Ph

=0F=3n–2Pl

–Ph=3×5–2×7–0=1平面機(jī)構(gòu)的自由度三、自由度計(jì)算時應(yīng)注意的幾種情況1.復(fù)合鉸鏈2.局部自由度3.虛約束兩個以上構(gòu)件在同一軸線處用轉(zhuǎn)動副連接，就形成了復(fù)合鉸鏈。說明個別構(gòu)件所具有的，不影響整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動的自由度稱為局部自由度。說明重復(fù)出現(xiàn)的，對機(jī)構(gòu)運(yùn)動不起獨(dú)立限制作用的約束稱為虛約束。說明4.虛約束常見情況及處理方法說明5.虛約束對機(jī)構(gòu)的影響說明平面機(jī)構(gòu)的自由度下圖一中黃色機(jī)械為慣性篩，是石料加工廠中對石料分級的設(shè)備。它以平面機(jī)構(gòu)作為傳動部件，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為篩箱的平面運(yùn)動。根據(jù)下圖二所示慣性篩三維圖繪制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，并計(jì)算自由度，判斷其有無確定運(yùn)動。工程應(yīng)用案例—慣性篩圖示為一手動沖床機(jī)構(gòu)，試?yán)L制其運(yùn)動簡圖，并計(jì)算自由度。試分析是否可行，并提出修改方案。作業(yè)計(jì)算下列機(jī)構(gòu)的自由度，指出機(jī)構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動是否確定。要求抄畫機(jī)構(gòu)簡圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)注構(gòu)件號、運(yùn)動副字符號。作業(yè)案例1-3下圖所示為活動毛巾?xiàng)U，它是一種很典型的復(fù)合鉸鏈。在圖中能看出有幾個構(gòu)件參與形成轉(zhuǎn)動副嗎？此復(fù)合鉸鏈共有幾個轉(zhuǎn)動副？復(fù)合鉸鏈三個構(gòu)件在同一軸線處，兩個轉(zhuǎn)動副。推理：m個構(gòu)件時，有m–1個轉(zhuǎn)動副。復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈慣性篩機(jī)構(gòu)C處為復(fù)合鉸鏈

計(jì)算中注意觀察是否有復(fù)合鉸鏈，以免漏算轉(zhuǎn)動副數(shù)目，出現(xiàn)計(jì)算錯誤。n=5,Pl

=7,Ph

=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl

–Ph復(fù)合鉸鏈案例1-3分析活動毛巾?xiàng)U中的立桿為連接件，它將4個橫桿和機(jī)架連接在一起，所以共有5個構(gòu)件參與形成復(fù)合鉸鏈。圖中可以數(shù)出共有4個轉(zhuǎn)動副，因而4個橫桿均可獨(dú)自轉(zhuǎn)動。復(fù)合鉸鏈滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，屬局部自由度。

計(jì)入局部自由度時n=3,Pl

=3,Ph

=1

F=3×3-2×3-1=2

與實(shí)際不符局部自由度應(yīng)除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構(gòu)件。

處理方法

實(shí)際結(jié)構(gòu)上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計(jì)算中不計(jì)入，并非實(shí)際拆除。教材圖1-13b動畫n=2,Pl=2,Ph

=1,F=3×2-2×2–1=1與實(shí)際相符局部自由度案例1-4在車削長軸時，通常在軸中間部位加支撐，這樣，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，卡盤、支撐、頂尖分別與軸形成3個轉(zhuǎn)動副，如下圖所示。這3個轉(zhuǎn)動副在機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面分別起什么作用？虛約束n=4,Pl

=6,Ph

=0

構(gòu)件5給機(jī)構(gòu)引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不起獨(dú)立的限制作用，是虛約束。與實(shí)際不符F=3×4-2×6–0=0虛約束n=3,Pl

=4,Ph=0F=3×3-2×4–0=1

處理方法與實(shí)際相符應(yīng)除去虛約束，即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及運(yùn)動副除去不計(jì)。虛約束1.兩構(gòu)件未組成運(yùn)動副前，連接點(diǎn)處的軌跡已重合為一，組成的運(yùn)動副存在虛約束。

計(jì)算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運(yùn)動副一起除去不計(jì)。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計(jì)算中只計(jì)入一個移動副。

2.兩構(gòu)件組成多個移動副，且導(dǎo)路相互平行或重合時，只有一個移動副起約束作用，其余為虛約束。

虛約束常見情況及處理尖頂凸輪機(jī)構(gòu)虛約束常見情況及處理3.兩構(gòu)件組成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線重合，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余為約束。

計(jì)算中只計(jì)入一個轉(zhuǎn)動副。

虛約束常見情況及處理軸系虛約束常見情況及處理

計(jì)算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運(yùn)動副一起除去不計(jì)。4.兩構(gòu)件兩點(diǎn)間未組成運(yùn)動副前距離保持不變，兩點(diǎn)間用另一構(gòu)件連接時，將產(chǎn)生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計(jì)算中應(yīng)將對稱部分除去不計(jì)。5.機(jī)構(gòu)中對運(yùn)動不起獨(dú)立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

機(jī)構(gòu)中虛約束是實(shí)際存在的，計(jì)算中所謂“除去不計(jì)”是從運(yùn)動觀點(diǎn)分析做的假想處理，并非實(shí)際拆除。虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉(zhuǎn)化為有效約束。機(jī)構(gòu)中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。

虛約束對機(jī)構(gòu)的影響虛約束常見情況及處理1.實(shí)例分析不能產(chǎn)生運(yùn)動四、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件給定構(gòu)件1運(yùn)動參數(shù)構(gòu)件2、3的運(yùn)動是確定的。平面機(jī)構(gòu)的自由度給定構(gòu)件1運(yùn)動參數(shù)，構(gòu)件2、3、4的運(yùn)動是不確定的。平面機(jī)構(gòu)的自由度再給定構(gòu)件4運(yùn)動參數(shù)構(gòu)件2、3的運(yùn)動是確定的。2.結(jié)論機(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)目稱機(jī)構(gòu)的自由度。平面機(jī)構(gòu)具有