機械工程學第04章.ppt

1、第四章是機構的結構分析，由張策主編，機械原理與機械設計(第一部分)，機械工業(yè)出版社，2004年，黃等主編，機械原理，高等教育出版社，1997年，其他與機械原理相關的書籍，第四章是機構的結構分析，本章重點介紹了構件、運動副、機構、自由度和約束等概念。這個機制有條件決定運動。平面機構自由度的計算。注：本章只研究平面機構的結構分析。第一節(jié)概述了第二節(jié)運動副及其分類，第三節(jié)平面機構的運動簡圖，第四節(jié)平面機構的自由度，第五節(jié)平面機構的組成原理和結構分析，第四章機構的結構分析，第一節(jié)概述了機構、部件和零件機構是機械裝置，它們傳遞運動和力或引導部件上的點按照給定的軌跡運動。獨立運動單元、獨立制造單元、內(nèi)燃機

2、、儀表機構、運動副、第四章機構的結構分析、由四個桿組成的裝置，當桿1用作原動機并作出給定的獨立運動時，桿2和3與之作出確定的運動。這四根棒構成了一種機制。第四章是機制的結構分析。對于由五個桿組成的裝置，當桿1作為原始運動部件并且進行給定的獨立運動時，桿2、3和4的運動是不確定的。在這種情況下，五個小節(jié)的組合不能稱為一個機制。第四章是機構的結構分析，研究機構的目的是探索機構運動的可能性和決定運動的條件；對機構進行分類，建立相應的運動和動力學分析的一般方法；正確繪制機構運動圖；熟悉構件組合機制的規(guī)則，理解機制的組合原則。第四章機構的結構分析，氣缸體、活塞、連桿、曲軸、曲柄連桿機構、齒輪系、凸輪機構

3、、部分連桿體1、連桿頭2、軸套3、軸瓦4和5、螺桿6、螺母7、開口銷8、部件連桿，第四章旋轉(zhuǎn)副、齒輪副、移動副，第四章是機構的結構分析，運動副的要素構成運動副的點、線、面。運動對元素的幾何形狀決定了兩個分量的相對運動形式。根據(jù)相對運動是平面運動還是空間運動，運動副的分類可以分為平面運動副和空間運動副。這本書主要討論平面運動副。第四章是機構的結構分析，以及各自由度構件的獨立運動次數(shù)。約束對組件的獨立移動施加限制。三個獨立參數(shù)：x，y，第4章，機構的結構分析，平面運動副的分類：低副：兩個部件之間有表面接觸的運動副。旋轉(zhuǎn)對的移動對有兩個約束。高副：兩個構件之間點接觸或線接觸的運動副。有一個限制。運動

4、鏈，機構，第4章機構的結構分析，平面低副，旋轉(zhuǎn)副(曲面接觸)，移動副(平面接觸)，第4章機構的結構分析，平面高副，凸輪高副(點接觸)，齒輪高副(線接觸)，第4章機構的結構分析，第3節(jié)平面機構的運動圖，這表明在機構中不按比例繪制的草圖稱為機構示意圖。注意：該機構的運動草圖與原機構具有相同的運動特性！第四章是機構的結構分析，繪制了機構的運動圖，分析了機器的結構和工作原理，并沿著運動傳遞路線，找出了原運動部件、工作執(zhí)行部件和機架。確定部件的數(shù)量、運動副的數(shù)量、類型和相對位置。選擇元件的運動平面作為草圖的投影平面。選擇合適的長度比例，確定運動副的位置，用第4章機構結構分析，常用平面運動副表示，第4章機

5、構結構分析，實例：油泵機構1盤2柱塞3部件4框架、A、B、C、1、2、3、實例2、實例3、實例1、4、第4章機構第4章機構結構分析，實例2:畫出偏心輪傳動機構運動示意圖，第4章機構結構分析，第4章機構結構分析，第4章機構結構分析，第4章機構結構分析，實例3:圖解沖床。圍繞固定中心A旋轉(zhuǎn)的菱形盤1是原動機，其在點B處與滑塊2鉸接。滑塊2推動叉3圍繞固定軸C旋轉(zhuǎn)。叉3和盤4是相同的部件。當圓盤4旋轉(zhuǎn)時，沖頭6被連桿5沖壓。試畫出其機構的運動圖。第四章是機構的結構分析，第四節(jié)是平面機構的自由度，閉合鏈的每個成員至少有兩個運動副；封閉系統(tǒng)的開鏈的某些部件在開始和結束時只包含一個運動副；第四章是機構的結

6、構分析，機構框架：固定構件；通常相對于地面固定。運動者：根據(jù)已知運動定律獨立運動的成員；通常由轉(zhuǎn)向箭頭表示。從動件：其他可移動部件；它的運動規(guī)律由原動機的運動規(guī)律、機構的結構和部件的尺寸決定。返回，第四章是機構的結構分析，機構中每個部件相對于框架的獨立運動次數(shù)的自由度。以鉸鏈四桿機構為例。因此，機構的自由度是指可動構件的總自由度數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差：F=3n-2PL-PH，第4章，機構的結構分析，有條件地觀察機構有確定的運動：1)自由度等于1，鉸接四桿機構2)自由度等于2，鉸接五桿機構3)自由度小于或等于0，桁架結論：當F0，當F0，原動機的數(shù)量為F，機構原動機的數(shù)量f，機構的運動是不

7、確定的；原動機的數(shù)量f，機構有明確的運動。例如：牛頭刨床，第4章，機構的結構分析，計算機構自由度時的注意事項？當同一軸上的兩個以上的構件通過旋轉(zhuǎn)對連接時，形成復合鉸鏈。局部自由度在某些機構中，某些部件的局部運動不影響其他部件的運動。這些局部運動的自由度稱為局部自由度。在虛擬約束機制中，一些運動副引入的約束可能與其他運動副的約束重復，因此在實踐中沒有約束效應，這種約束就是虛擬約束。第四章是機構的結構分析，總結了機構自由度計算中的注意事項，以及旋轉(zhuǎn)副中存在的正確處理方法：復合鉸鏈處有m個構件，旋轉(zhuǎn)副有(m-1)個，復合鉸鏈和局部自由度往往發(fā)生在滾子處，在滾子處滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，以減少高副的磨損

8、。正確的處理方法：計算自由度時，減去局部自由度。虛擬約束存在于特定的幾何或結構條件下。正確的處理方法：消除導致虛擬約束的組件和運動副。第4章機構的結構分析，示例：計算圖示機構的自由度。N=3 PL=4 PH=0 F=33-24-0=1，1，2，3，4，虛約束，例1，例2，例3，第4章，機構結構分析，3，4，以構件4為導入構件1 (x1，y1，1)和導入構件2 (x2，y2，2)與框架4鉸接形成旋轉(zhuǎn)副，引入兩個約束，構件1相對于框架4的獨立移動次數(shù)只有1。那么F=3-2。以同樣的方式，引入了部件3，其與部件2鉸接以形成旋轉(zhuǎn)對，并且引入了兩個約束。部件3相對于框架4的獨立運動次數(shù)是1，F(xiàn)=(3-2

9、) (3-2) (3-2)。最后，部件3與框架4鉸接，以第四章是機構的結構分析，鉸鏈四桿機構，F(xiàn)=1，對于構件1的每個旋轉(zhuǎn)位置，構件2和3都有一個確定的位置，所以當有一個原動機時，自由度等于1的機構的運動是確定的。如果部件3也是原動機，也就是說，部件3可以在由部件1確定位置之后獨立移動，這是不能實現(xiàn)的，并且如果部件3被迫獨立移動，機構將被損壞。在第四章，機構的結構分析，鉸鏈五桿機構，如果只使用部件1作為原動機，部件2，3和4的運動位置對于部件1的每個獨立運動是不確定的。如果構件1和4作為原動機，可以看出，對于每個組(1和2)，構件2和3具有確定的對應位置，即，機構的運動是確定的。第四章，機構的

10、結構分析，1)自由度F=0，這是一個靜定桁架，所有構件不能產(chǎn)生相對運動。2)自由度F=-1，這是一個有太多約束的超靜定桁架。第四章是機制的結構分析。圖為牛頭刨床初步設計方案。動力從齒輪1輸入，滑枕5通過齒輪機構1、2和導桿機構3、4來回移動，達到滑行的目的。試著分析它是否能達到設計意圖。第四章：機構的結構分析與求解：制作機構的運動圖。當n=5，PL=7，PH=1，自由度F=35-27-1=0時，表明機構不能運動。因為構件3和構件5的鉸接點C不能同時實現(xiàn)沿水平方向的直線運動和圍繞點A的圓弧運動。第四章是機理的結構分析，n=6，pl=8，ph=1，f=36-28-1=1，6，6，6，6，n=5，p

11、l=6，ph=2，f=35-。第四章是機制的結構分析。由m個構件組成的復合鉸鏈有(m -1)個轉(zhuǎn)動副。注意：復合鉸鏈只存在于旋轉(zhuǎn)副中！第四章機構的結構分析計算機構自由度時不考慮局部自由度。帶有滾子從動件的凸輪機構如圖所示。除去局部自由度后，n=2，PL=2，PH=1，F(xiàn)=32-22-1=1。在第四章，機構的結構分析中，在計算機構的自由度時，應剔除具有虛擬約束的運動副和部件。虛擬約束的幾種情況發(fā)生：1)連接點的軌跡重合；2)當不同部件上的兩個點之間的距離保持不變時，通過在兩個點之間添加一個部件和兩個旋轉(zhuǎn)對而引入的約束是虛擬約束。第四章，機構的結構分析，3)當兩個部件組成多個運動副，并且它們的導軌

12、相互平行時；或者，當兩個構件形成多個旋轉(zhuǎn)副并且它們的軸彼此重合時，只有一個移動副或旋轉(zhuǎn)副工作，其余的被視為虛擬約束。也就是說，兩個構件在幾個地方接觸形成一個運動副。在第四章中，機構的結構分析表明，n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1，兩個構件在幾個位置接觸形成運動副，兩個構件在幾個位置形成轉(zhuǎn)動副，每個轉(zhuǎn)動副的軸線重合。只有一個運動副作為約束，所有其他地方都是虛擬約束；根據(jù)只有一個計算！第四章是機制的結構分析。4)虛擬約束將出現(xiàn)在對運動沒有影響的機構的對稱部分。第四章是機構的結構分析，這是旋轉(zhuǎn)副C用于連接構件2和3的情況。因為C2和C3在連接之前的軌跡是沿著Y軸的。此

13、時，旋轉(zhuǎn)副c將引入一個虛擬約束。在計算中，部件3、旋轉(zhuǎn)對c和3以及框架移動對被移除。F=3n-2 pl ph=34-26-0=0，正確計算：F=33-24-0=1，不包括導致虛擬約束的附加構件和運動副的數(shù)量。第四章，機構的結構分析，f=3n-2pl ph=33-24-0=1，f=3n-2pl引入了一個虛約束，它是正確的：n=3pl=4ph=0f=3n-(2pl ph)=33-24=1。第四章：機構的結構分析，例1:計算包裝機送紙機構的自由度，并進行判斷在計算自由度之前，直接刪除虛擬約束和局部自由度：n=6 pL=7 pH=3 F=3n-2pL-pH=1，第4章機構的結構分析，例2:計算圖形機構

14、的自由度。如果存在復合鉸鏈、局部自由度和虛擬約束，則應明確指出。帶箭頭的組件是原動機。復合鉸鏈、局部自由度、1虛擬約束、復合鉸鏈、第4章機構的結構分析、例3:計算圖形機構的自由度。分析：該機構有五個活動件和七個轉(zhuǎn)動副，即低副和無高副。因此，該機構的自由度為F=3n-2pl pH35-27-0=1。第四章是機構的結構分析，第五章是平面機構的組成原理和結構分析。為了便于分析包含高副的平面機構，機構中的高副由虛擬低副和根據(jù)特定條件的部件的適當組合代替。更換高副和低代前后機構的自由度、瞬時速度和瞬時加速度保持不變。第四章是機構的結構分析，高副低代的方法：用一個有兩個低副的虛擬部件代替高副，兩個低副分別

15、位于兩個高副和兩個元件的接觸點的曲率中心。第四章，機構的結構分析，在接觸點的法線上找出接觸點的曲率中心K1和K2，用鉸接四桿機構O1K1K2O2瞬間代替原來的高副機構。第四章，機構的結構分析，當兩個接觸輪廓中的一個為直線時，直線的曲率中心趨于無窮大，轉(zhuǎn)動副演化為運動副。第四章機構的結構分析當兩個接觸輪廓中的一個是點時，它的曲率半徑為零，轉(zhuǎn)動副在該點。第四章機構結構分析，兩個接觸輪廓分別為直線和點。第四章機構的結構分析，常見的高副和低代類型第四章機構的結構分析最簡單的零自由度不能拆卸的構件組稱為機構的基本桿組。機構的組成原理任何機構都可以看作是由幾個基本桿組組成的結構，這些桿組依次與原動機和機架相連。機構的自由度f=F主動桿，1個框架的自由度為0，幾個基本桿組的自由度為0。第4章：機構的結構分析，如果基本桿組的成員數(shù)為n，下副數(shù)為P1，則可以得到F3n2PL0，所以n 2 4 6 PL 3 6 9，級桿組，級桿組，一個機構的級別取決于其基本桿組中的最高級別，如級別機構。第四章：機構的結構分析，八桿機構的組成，第四章：機構的結構分析。注意：桿組的所有外部運動副不能平行連接到一個構件，因為這種連接將使桿組和連接的零件形成桁架。如圖所示，它不能增加條組。第四章是機制的結構分析。平面機構的結構分析將已知機構分解為原動機、框架