《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教案-第二章 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及其自由度

授課題目：第二章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及其自由度授課方式（請(qǐng)打√）理論課√討論課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□其他□課時(shí)安排2教學(xué)大綱要求：運(yùn)動(dòng)副及其分類(lèi)、運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件的表示；平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的組成及其簡(jiǎn)圖的繪制。教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：理解平面運(yùn)動(dòng)副的概念；掌握平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制方法。熟練掌握平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算方法；掌握計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題；掌握機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算方法計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題作業(yè)、討論題、思考題：思考題：1-1、1-2、1-3習(xí)題：1-1、1-2課后總結(jié)分析：總結(jié)平面運(yùn)動(dòng)副的分類(lèi)及其表示；總結(jié)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制方法和步驟。教學(xué)內(nèi)容備注第一節(jié)平面機(jī)構(gòu)的組成一、機(jī)構(gòu)和構(gòu)件機(jī)械中作獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元稱(chēng)為構(gòu)件。組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件按運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可分為原動(dòng)件、從動(dòng)件和機(jī)架三類(lèi)機(jī)械中不可拆分的制造單元體稱(chēng)為零件，它是組成機(jī)器或機(jī)構(gòu)的基本單元。二、運(yùn)動(dòng)副及其分類(lèi)1.運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接。2.運(yùn)動(dòng)副的分類(lèi)1）平面運(yùn)動(dòng)副和空間運(yùn)動(dòng)副（根據(jù)兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分類(lèi)）2）高副和低副（根據(jù)兩構(gòu)件之間的接觸情況）高副：兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)或線(xiàn)的接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。低副：兩構(gòu)件通過(guò)面接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。轉(zhuǎn)動(dòng)副：兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)的低副，也稱(chēng)為鉸鏈。移動(dòng)副：兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)的低副。第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖一、概念：用簡(jiǎn)單線(xiàn)條和規(guī)定符號(hào)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的類(lèi)型，并按比例畫(huà)出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，這種表示機(jī)構(gòu)的組成和各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形，稱(chēng)為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。二平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及其意義機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖：用簡(jiǎn)單線(xiàn)條和規(guī)定的符號(hào)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按照一定的比例尺確定運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置及與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的尺寸，這種表明機(jī)構(gòu)的組成和各構(gòu)件間真實(shí)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形。意義：人們發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部分的運(yùn)動(dòng)是由其原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、該機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動(dòng)副的類(lèi)型、數(shù)目及相對(duì)位置來(lái)決定的，而與構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的實(shí)際結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖不僅可以簡(jiǎn)明的描述一部機(jī)器或機(jī)械系統(tǒng)的組成情況，而且運(yùn)動(dòng)特性與其實(shí)際完全等價(jià)。三、運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件的表示轉(zhuǎn)動(dòng)副表示如圖1－1所示，移動(dòng)副表示如圖1－2所示.圖1－1圖1－2構(gòu)件的表示：由于構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要取決于運(yùn)動(dòng)副，因此首先應(yīng)當(dāng)用符號(hào)畫(huà)出各運(yùn)動(dòng)副元素在構(gòu)件上的相對(duì)位置，然后再用簡(jiǎn)單的線(xiàn)條把它們連接成構(gòu)件。圖1－3其它構(gòu)件和機(jī)構(gòu)的習(xí)慣表示方法可參見(jiàn)表1－1。四、繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的方法和步驟繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的大致步驟可歸結(jié)為：1、分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，找出機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件。2、從原動(dòng)件開(kāi)始，按照運(yùn)動(dòng)的傳遞順序，分析各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)；確定活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類(lèi)型和數(shù)目。3、選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面和適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置。4、選擇比例尺μl＝構(gòu)件實(shí)際尺寸/構(gòu)件圖樣尺寸（單位：m/mm或mm/mm），定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，用規(guī)定符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。例1：如圖1－4a所示為一顎式破碎機(jī)。當(dāng)偏心軸2繞軸心A連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)顎板3作往復(fù)擺動(dòng)，從而將礦石軋碎。試?yán)L制此破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。（a）（b）圖1－4解1）由圖可知顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)由機(jī)架1、偏心軸2、動(dòng)顎板3、肘板4組成。其中偏心軸2為原動(dòng)件。動(dòng)顎板和肘板為從動(dòng)件。2）偏心軸與機(jī)架在A點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，偏心軸與動(dòng)顎板在B點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副、動(dòng)顎板與肘板在C點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副、肘板與機(jī)架在D點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。3）根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)情況，選擇構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面為視圖平面。4）選擇適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬，根據(jù)運(yùn)動(dòng)副間的尺寸依次確定各轉(zhuǎn)動(dòng)副的位置A、B、C、D，然后繪出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖b所示。教學(xué)內(nèi)容備注第三節(jié)平面機(jī)構(gòu)的自由度一、機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度就是指，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架的所有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，用F表示。設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)由N個(gè)構(gòu)件組成，若不包括機(jī)架，其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n＝N－1，顯然，這n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件在未用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接之前共有3n個(gè)自由度。當(dāng)用PL個(gè)低副和PH個(gè)高副將它們聯(lián)接后，由于每個(gè)低副引入2個(gè)約束，每個(gè)高副引入1個(gè)約束，則平面機(jī)構(gòu)的自由度F的計(jì)算公式為：例2：計(jì)算如圖所示機(jī)構(gòu)的自由度。構(gòu)件總數(shù)N＝4；活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n＝3；低副數(shù)PL＝4（4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副）；高副數(shù)PH＝0F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1圖1－5二、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件所謂機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，是指該機(jī)構(gòu)中所有的構(gòu)件在任一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)都是完全確定的。這就意味著該機(jī)構(gòu)的自由度大于零，即滿(mǎn)足F>0，否則該構(gòu)件系統(tǒng)就不是機(jī)構(gòu)。如圖1－6所示的兩機(jī)構(gòu)，其自由度分別為：（b）圖1－6很明顯這兩個(gè)機(jī)構(gòu)中的各構(gòu)件間無(wú)論怎樣加載都不會(huì)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)件系統(tǒng)已成為剛性桁架。自由度也失去原來(lái)的意義，其負(fù)值大小只表明超靜定的次數(shù)。那F>0運(yùn)動(dòng)就確定嗎？機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)是由外界給定的。若給出的原動(dòng)件數(shù)不等于機(jī)構(gòu)的自由度，則將產(chǎn)生如下影響：（1）原動(dòng)件數(shù)<機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定。如圖1－7所示。（2）原動(dòng)件數(shù)>機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，將桿2拉斷。如圖1－8所示。121234ABCD圖1－7圖1－8機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：（1）機(jī)構(gòu)自由度F>0，（2）機(jī)構(gòu)自由度F等于原動(dòng)件數(shù)。三、自由度計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)1、復(fù)合鉸鏈：兩個(gè)以上的構(gòu)件同時(shí)在一處用轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成的聯(lián)結(jié)。由K個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)含有(K-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。圖1－92、局部自由度：就是與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)予排除。圖1－103、虛約束：在機(jī)構(gòu)中與其他運(yùn)動(dòng)副作用重復(fù)，而對(duì)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立限制作用的約束。處理辦法：將具有虛約束運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件連同它所帶入的與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)副一并不計(jì)。虛約束常見(jiàn)情況及處理方法：（1）機(jī)構(gòu)中某兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，在組成運(yùn)動(dòng)副前后，其各自的軌跡重合為一，則此聯(lián)結(jié)帶入的約束為虛約束。F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1（2）兩構(gòu)件在多處構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，且各移動(dòng)副的導(dǎo)路重合或平行F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1（3）兩構(gòu)件在多處構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且各轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線(xiàn)重合F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－1＝1（4）機(jī)構(gòu)中具有對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用的對(duì)稱(chēng)部分。