机械原理-第2章机构的结构分析(机构的组成原理和机构类型综合1-1

第二章机构的结构分析2.1机构结构分析的内容及目的2.2机构的组成2.3机构运动简图2.4机构具有确定运动的条件2.5机构自由度的计算2.6计算平面机构自由度时应注意的事项2.7平面机构组成原理、结构分类及结构分析2.1机构结构分析的内容及目的5.机构的组成原理及结构的分类1.机构的组成2.机构运动简图的绘制3.机构具有确定运动的条件认识机构会画图机构的开发设计4.机构自由度的计算机构的分析设计必须知道1.构件从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多运动单元组合而成的，这些运动单元称为构件。气缸体曲轴齿轮活塞连杆构件：独立的运动单元。（link）2.2机构的组成套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖内燃机连杆构件可以是一个零件；也可以是由几个零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆盖、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。运动副:是两构件互相接触而构成的可动联接。条件是：a)两个构件，b)互相接触，c)相对运动。机构中各个构件之间需要有确定的相对运动。因此，构件的连接既要使两个构件接触，又能产生一定的相对运动，这种互相接触的可动连接称为运动副。转动副移动副齿轮副2.运动副(1)运动副（kinematicpair,joint）xyz运动副元素是两构件参与接触而构成的运动副表面。（点、线、面）例如轴与轴承、活塞与缸套、齿轮齿廓。转动副移动副齿轮副(2)运动副元素约束:运动副的作用是限制构件间的相对运动，这种限制作用称为约束。II级副III级副(3)运动副的分类1)按引入的约束数分有:I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。构件每加上一个约束，便失去一个自由度，自由度与约束数之和为6。提供一个约束条件的，称为I级副，提供两个约束条件的，称为II级副。其余依此类推。I级副zxyV级副-1V级副-3V级副-2IV级副(3)运动副的分类1)按引入的约束数分有:I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。提供4个约束条件的，称为Ⅳ级副，提供5个约束条件的，称为Ⅴ级副。zxy(3)运动副的分类2)按运动副接触形式分有高副：点或线接触的运动副。低副：面接触的运动副；低副的例子：如转动副、移动副等；高副的例子：如齿轮副、凸轮副等。转动副（曲面接触）移动副（平面接触）低副的例子凸轮副(高副点接触)齿轮副（高副线接触）作者：潘存云教授高副的例子球面副螺旋副3)按运动副相对运动形式分有转动副移动副螺旋副球面副(3)运动副的分类(3)运动副的分类4)按相对运动范围分有平面运动副:产生平面运动(plannarkinematicpair)例如：转动副、移动副。空间运动副:产生空间运动(spatialkinematicpair)例如：球面副、螺旋副。5）常用的平面运动副及其自由度和约束平面I级副自由度：2个,t引入约束：1个n平面高副齿轮副凸轮副1nntt2平面低副转动副移动副12y平面II级副引入约束:2个,xy自由度:1个平面II级副,y引入约束:2个x自由度:1个1xxy12运动副小结两个构件之间接触，而又能产生一定相对运动的可动连接，称为运动副。组成运动副的两构件上参与接触的点、线、面称为运动副元素。运动副有多种分类。(4)运动副的表示方法(4)运动副的表示方法两构件为活动构件有一个构件固定121212121221转动副12转动副的符号两构件为活动构件有一个构件固定1212121212121212移动副移动副的符号3.运动链运动链：通过运动副的连接而构成的可相对运动的构件系统。分为闭式运动链和开式运动链两种。闭式运动链作者：潘存云教授开式运动链（kinematicchain）闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）平面运动链空间运动链按运动分按结构分运动链1234平面闭式运动链1234空间闭式运动链1234平面开式运动链12345空间开式运动链3.运动链（kinematicchain）（1）运动链分类首尾两构件相互联接形成一个封闭的可动系统，称为闭式链。四杆闭式链（2）闭式链首尾两构件不相互联接，形成一个非封闭可动系统称为开式链。四杆开式链（2）开式链简言之具有固定构件的运动链称为机构。（1）机架：机构中特殊的构件，一般情况下机架相对地面固定不动，即机构中的固定构件。4.机构机构：将运动链中某一构件固定，而其余构件相对于它有确定的运动，此种运动链称为机构。（mechanism）1234平面铰链四杆机构机架原动件从动件12344.机构（2）原动件：按给定运动规律独立运动的构件；（3）从动件：机构中其余活动构件，其运动取决于原动件的运动规律、机构的结构和构件的尺寸。机构分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。1个或几个1个机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件若干空间铰链四杆机构1234从动件原动件机架（mechanism）机构：将运动链中某一构件固定作为参考系，并有一个或几个构件给定运动规律（主动件或原动件），而使其余构件（从动件）具有确定的运动，则此种运动链称为机构。运动链：两个以上的构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的构件系统。构件：从运动角度来看，机构是由若干运动单元组合而成的，这些运动单元称为构件。运动副：两个构件之间接触，而又能产生一定相对运动的可动连接，称为运动副。机构小结：2.3机构运动简图在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。1.机构运动简图根据机构的运动尺寸，按比例定出各运动副的位置，采用运动副及常用机构运动简图符号和构件的表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。2.作用（1）表示机构的结构和运动情况；（2）作为运动分析和动力分析的依据。3.机构示意图不按精确比例绘制的机构简图。机构运动简图符号已经有国家标准，该标准对运动副、构件及各种机构的表示符号作了规定，下表为构件与部分机构的表示方法。同一构件构件4.表示构件的符号固定构件双副三副构件4.表示构件的符号常用机构运动简图符号机构的真实运动仅与机构中的运动副的机构情况（转动副、移动副及高副等）和机构的运动尺寸（由各运动副的相对位置确定的尺寸）有关，而与机构的外形尺寸等因素无关。（a）（b）（c）绘制机构运动简图的思路：先定原动部分，再定工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，找出中间构件，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。顺口溜：先两端，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相连。5.机构运动简图应满足的条件(1)构件数目与实际相同；(2)运动副的数目、类型与实际相符；(3)运动副之间的相对位置及构件尺寸与实际机构成比例。④检验机构是否满足运动要求。(4)绘制机构运动简图的步骤：①分析机构中相邻构件之间的运动副，搞清楚运动副的类型与数目、构件的数目以及运动传递路线；②选视图平面（通常选与运动平面平行的平面），测量各运动副之间的尺寸，绘制示意图；③确定各运动副之间的相对位置，选取适当比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置（转动副的中心，移动副的导路方向及高副的接触点等），画出相应的运动副符号，用构件符号将各运动副连接起来，标出构件号数字、运动副的字母代号、原动件的运动方向箭头。工作部分原动部分中间部分辊压机破碎机(2)表示构件的符号同一构件构件固定构件(1)构件：独立的运动单元。1.构件小结双副三副构件(2)表示构件的符号2.运动副小结(1)运动副构件之间的可动连接。两个构件之间接触，而又能产生一定相对运动的可动连接，称为运动副。(2)运动副元素运动副的几何形状。组成运动副的两构件上参与接触的点、线、面称为运动副元素。(3)运动副有多种分类。两构件为活动构件有一个构件固定121212121221转动副12(4)运动副的符号两构件为活动构件有一个构件固定1212121212121212移动副(4)运动副的符号3.运动链小结通过运动副的连接而构成的可相对运动的构件系统。分为闭式运动链和开式运动链两种。闭式运动链开式运动链将运动链中的某一构件固定作为参考系，并有一个或几个构件给定运动规律（原动件），从而使其余构件（从动件）具有确定的运动，此种运动链称为机构。4.机构小结1个或几个1个机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件若干④检验机构是否满足运动要求。①分析机构中原动件与运动传递路线，构件的数目，相邻构件之间的运动副类型与数目；②选视图平面（选与运动平面平行的平面），测量各运动副之间的尺寸，绘制示意图；③确定各运动副之间的相对位置，选取适当比例尺，画出相应的运动副符号，用构件符号将各运动副连接起来。5.绘制机构运动简图的步骤123456EC颚式破碎机举例：绘制破碎机的机构运动简图。分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中O、E、F三处是与机架相连的固定铰链，原动件为AO，作整周旋转。难点：关键是搞清楚原动构件AO是一个作整周旋转的偏心轴，不容易看出。BDFAO123456ECBDFAO123456作者：潘存云教授1234举例：绘制图示偏心真空泵的运动简图分析:该例题中共有四个构件，三个转动副，一个移动副。原动件是一个偏心轮，其上有两个转动副。另外一个构件是摇块,其外形是圆柱，与机架构成转动副，与深黄色构件（连杆）构成移动副。难点：弄清原动构件为一个偏心轮以及摇块上运动副的特点。偏心真空泵的运动简图1机架2.3齿轮4滑块5导杆6连杆7刨头例绘制图示牛头刨床机构的运动简图解：（1）从主动件开始，按运动传动顺序，分析各构件之间相对运动性质，并确定联接各构件的运动副类型。1机架2.3齿轮4滑块5导杆6连杆7刨头构件2-3之间组成平面高副构件1-7、4-5之间组成移动副其余相互接触的构件间组成转动副构件2为原动件（2）合理选择视图。本题选择与各回转轴线垂直的平面作为视图平面。（3）合理选择长度比例尺(m/mm)，绘制机构运动简图。1723456牛头刨床机构动画例内燃机及其机构运动简图2.4机构具有确定运动的条件机构的运动是确定的，一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？首先观察两个例子。1.平面铰链四杆机构平面铰链四杆机构12341234给定机构一个独立运动，机构的运动？给定机构两个独立运动，机构的运动？若给定机构一个独立运动，则机构有确定的运动。若给定机构两个独立运动，则机构的薄弱环节损坏。给定机构一个独立运动，机构的运动？给定机构两个独立运动，机构的运动？2.4机构具有确定运动的条件2.平面铰链五杆机构1234θ15给定机构一个独立运动，则机构的运动不确定。给定机构两个独立运动，则机构有确定的运动。使机构具有确定运动时，给定独立运动参数的数目称为机构的自由度。机构的自由度F机构确定运动的条件：机构原动件数等于其自由度F。机构原动件数小于F，运动不完全确定；机构原动件数大于F，最薄弱环节损坏。原动件：由驱动力作用，相对于机架能独立运动的构件。因为一个原动件只能提供一个独立参数，所以机构具有确定运动的条件为：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目F。自由度数＝原动件数3.机构具有确定运动的条件给定:S3＝S3(t),θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立运动参数（构件）。S3123θ1若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4，则θ3，θ2能唯一确定，该机构需要两个独立运动参数。12345θ4θ12.5机构的自由度计算1.平面机构的自由度定义：保证机构具有确定运动时，所给定独立运动参数的数目，称为机构的自由度。计算方法：作平面运动的刚体在平面的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。无约束构件的自由度为3。yxθ(x,y)F=3oSyx12R=2,F=1结论：平面构件自由度=自由构件的自由度数-约束数=3-约束数。回转副1（θ）+2（x,y）=3移动副1（x）+2（y,θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3运动副自由度数F约束数Rxy12R=1,F=2θR=2,F=1yx12θ经运动副相连