机械机构

第二章机构的结构分析§2—1机构结构分析的内容及目的机构结构分析研究的主要内容及目的是：（1）研究机构的组成及机构运动简图的画法即研究机构是怎样组成的，为了了解机构，并对机构进行分析与综合，必须研究如何用简单的图形即机构运动简图把机构的结构状况表示出来。（2）了解机构具有确定运动的条件机构要能正常工作，一般必须具有确定的运动，因而必须知道机构具有确定运动的条件。（3）研究机构的组成原理及结构分类研究机构的组成原理，有利于新机构的创造，而根据组成原理，将各种机构进行结构分类，有利于对机构进行运动及动力分析和结构设计。§2－2机构的组成1．构件任何机器都是由许多零件组合而成的。例如图1－1所示的内燃机，就是由气缸、活塞、连杆体、连杆头、曲柄、齿轮等等一系列零件组成的。在这些零件中，有的是作为一个独立的运动单元体而运动的，有的则常常由于结构上和工艺上的需要，而与其他零件刚性地联接在一起，作为一个整体而运动，如图中的连杆就所由连杆体、连杆头、螺栓、螺母、垫圈等零件刚性地联接在一起（图2-1），作为一个整体而运动。这些刚性地联接在一起的零件共同组成一个独立的运动单元体。机器中每一个独立的运动单元体称为一个构件①（link）。可见构件是组成机构的基本要素之一。所以从运动的观点来看，也可以说任何机器都是由若干个（两个以上）构件组合而成的。72.运动副当由构件组成机构时，需要以一定的方式把各个构件彼此联接起来。这种联接显然不能是刚性的，被联接的两构件间仍能产生某些相对运动。我们把这种由两个构件直接接触而组—————————①此处所指构件是指刚性构件（rigidlink)的简称。机器中除刚性构件外，尙有弹性构件（elasticlink)，如弹簧；柔性构件（flexiblelink),如绳、索、带等；气体构件（airlink)及液体构件(hydrauliclink),如气、液传动中的气体、液压油等。不过在机械原理课程中着重讨论刚性构件。成的可动的联接称为运动副①（kinematicpair)，而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素（pairingelement)。例如轴1与轴承2的配合（图2－2），滑块1与导轨2的接触（图2－3），两齿轮轮齿的啮合（图2－4）等等，就都构成了运动副。它们的运动副元素分别为圆柱面和圆孔面、棱柱面与棱槽面及两齿廓曲面。可见运动副也是组成机构的又一基本要素。两构件在未构成运动副之前，在空间它们共有6个相对自由度（degreeoffreedom）。当两构件构成运动副之后，它们之间的相对运动将受到约束(constraintofkinematicpair),运动副的自由度（以f表示）和约束数（以s表示）的关系为f＝6－s。两构件构成运动副后所受到的约束数昀少为1，昀多为5。运动副常根据其引入约束的数目进行分类，把引入一个约束的运动副称为Ⅰ级副（classⅠpairs），引入两个约束的运动副称为Ⅱ级副（classⅡpairs），依此类推。运动副还常根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。凡两构件通过单一点或线接触而构成的运动副统称为高副(higherpair，如图2－4所示的运动副）。通过面接触而构成的运动副统称为低副（lowerpair,如图2－2和图2－3所示的运动副②）。为了使运动副元素始终保持接触，运动副必须封闭。凡借助于构件的结构形状所产生的————————①在现代的许多微型机械和生活用品中，为了简化机构的结构等目的，常采用类似右图所示的柔性铰链，它允许构件两部分之间可以产生微小的相对位移，起到了运动副的作用。②这两种运动副也均可设计成为点、线接触的复合高副，如图所示（图a相当于回转副，图b相当于移动副）。点接触运动8副主要用于精密或测试仪器中，而线、面接触运动副则主要用于一般机械中。a)b)几何约束来封闭的运动副称为几何封闭或形封闭运动副（form-closedpair，如图2－2、2－3所示）。借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副称为力封闭运动副（force-closedpair,如图2－4所示运动副）。运动副还可根据构成运动副的两构件之间的相对运动的不同来进行分类。把两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动副或回转副（revolutepair，图2－2)，也称铰链(hinge）。相对运动为移动的运动副称为移动副(slidingpair,图2－3）。相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副（helicalpair,如表2－1中所示螺杆1与螺母2所组成的运动副）。相对运动为球面运动的运动副称为球面副（sphericalpair,如表2－1中所示球头1与球碗2所组成的运动副），等等。此外，还可把构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副统称为平面运动副（planarkinematicpair),两构件之间的相对运动为空间运动的运动副统称为空间运动副（spatialkinematicpair）。为了便于表示运动副和绘制机构运动简图，运动副常常用简单的图形符号来表示（已制定有国家标准，见GB4460/T－84）。表2－1所列即为常用运动副的类型及其代表符号（图中画有阴影线的构件代表固定构件）。93.运动链构件通过运动副的联接而构成的可相对运动的系统称为运动链(kinematicchain)。如组成运动链的各构件构成了首末封闭的系统，如图2－5，a、b所示，则称其为闭式运动链，或简称闭链（closedkinematicchain)。如组成运动链的构件未构成首末封闭的系统，如图c、d所示，则称其为开链（openkinematicchain)。在机械中一般采用闭链，开链多用在机械手中。此外，根据运动链中各构件间的相对运动为平面运动还是空间运动，可把运动链分为平面运动链（planarkinematicchain）和空间运动链（spatialkinematicchain）两类，分别如图2－5，a、c及b、d所示。104．机构在运动链中，如果将其某一构件加以固定而成为机架（fixedlink）,则该运动链便成为机构，如图2－6所示。一般情况下，机架相对于地面是固定不动的，但若机械是安装在车、船、飞机等上时，那末机架相对于地面则可能是运动的。机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件（drivinglink）,常在其上画转向箭头表示。而其余活动构件则称为从动件（drivedlink）。从动件的运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。机构也可分为平面机构和空间机构两类。其中平面机构应用昀为广泛。11§2－3机构运动简图在对现有机械进行分析或设计新机械时，都需要绘出其机构运动简图。由于机构各部分的运动，是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型和机构的运动尺寸（确定各运动副相对位置的尺寸）来决定的，而与构件的外形（高副机构的运动副元素除外）、断面尺寸、组成构件的零件数目及固联方式等无关，所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副及常用机构运动简图的代表符号（表2－2）和构件的表示方法（表2－3），将机构的运动传递情况表示出来。这种用以表示机构运动传递情况的简化图形称为机构运动简图（kinematicdiagramofmechanism)。如图2－6，b就是图a所示机构的机构运动简图。根据机构运动简图对机械的组成了解及对机械进行运动和动力分析将变得十分简便。如果只是为了表明机械的结构状况，也可以不按严格的比例来绘制简图，通常把这样的简图称为机构示意图。表2－2常用机构运动简图符号表2－3一般构件的表示方法12在绘制机构运动简图时，首先要把该机械的实际构造和运动传递情况搞清楚。为此，需首先定出其原动件和执行构件（executelinkoroutputlink,即直接执行生产任务的构件或昀后输出运动的构件），然后再循着运动传递的路线搞清楚原动件的运动是怎样经过传动部分传递到执行构件的？从而认清该机械是由多少构件组成的？各构件之间组成了何种运动副？以及它们所在的相对位置（如转动副中心的位置、移动副导路的方位和平面高副接触点的位置等）。这样，才能正确绘出其机构运动简图。为了将机构运动简图表示清楚，一般选择机械多数构件的运动平面为视图平面，允许把机械不同部分的视图展到同一视图面上，或为难于表示清楚的部分，另绘一局部简图。总之，以能简单清楚地把机械的结构及运动传递情况正确地表示出来为原则。在选定视图平面和机械原动件的某一适当位置后，便可选择适当的比例尺，根据机械的运动尺寸，定出各运动副之间的相对位置后，即可用运动副的代表符号、常用机构运动简图符号和构件的表示方法将各部分画出，即可得到机构运动简图。为了具体说明机构简图的画法，下面我们举两个例子。例2－1图2－7，a所示为一颚示破碎机。当曲柄1绕轴心O连续回转时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此破碎机的机构运动简图。13解由破碎机的工作过程可知，其原动件为曲柄1，执行构件为动颚板5。.然后循着运动传递的路线可以看出，此破碎机是由曲柄1，构件2、3、4及动颚板5和机架6等6个构件组成的。其中曲柄1和机架6在O点构成转动副，曲柄1和构件2也构成转动副，其轴心在A点。而构件2还与构件3、4在D、B两点分别构成转动副。构件3还与机架6在E点构成转动副。动颚板5与构件4和机架6分别在C点和F点构成转动副。将破碎机的组成情况搞清楚后，再选定视图平面和比例尺，并根据该机构的运动尺寸定出各转动副O、A、B、C、D、E、F位置，画出各转动副和表示各构件的线段，在原动件上标出表示运动方向的箭头，即可得其机构运动简图。如图b所示。图2－7例2－2试绘制图1－1，a所示内燃机的机构运动简图。解如前所述，此内燃机的主体机构是由气缸11、活塞10、连杆3和曲柄4所组成的曲柄滑块机构。此外，还有齿轮机构、凸轮机构等。在燃气的压力作用下，活塞10首先运动，然后通过连杆3使曲柄4输出回转运动；而为了控制进气和排气，由固装于曲轴4上的小齿轮1带动固装于凸轮轴7上的大齿轮18使凸轮轴回转，再由凸轮轴7上的两个凸轮，分别推动推杆8及9以控制进气阀12和排气阀17。把内燃机的构造情况搞清楚以后，再选定视图平面和比例尺，即不难绘出其机构运动简图，如图b所示。§2－4机构具有确定运动的条件为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动件按给定的运动规律运动14时，该机构的其余构件的运动一般也都应是完全确定的。一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？为了说明这个问题，下面我们先来分析几个例子。在图2－6、b所示的铰链四杆机构中，若给定其一个独立的运动参数，如构件1的角位移规律，则不难看出，此时构件2、3的运动便都完全确定了。1()tϕ而图2－8所示的铰链五杆机构，若也只给定一个独立的运动参数，如构件1的角位移规律，此时构件2、3、4的运动并不能确定。例如当构件1占有位置AB时，构件2、3、4可以占有位置BCDE，也可以占有位置BC'D'E，或其他位置。但是，若再给定另一个独立的运动参数，如构件4的1()tϕ角位移规律，则不难看出，此机构各构件的运动便完全图2－84()tϕ确定了。机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构的自由度①（degreeoffreedomofmechanism),其数目常以F表示。由于一般机构的原动件都是和机架相联的，对于这样的原动件，一般只能给定一个独立的运动参数。所以在此情况下，为了使机构具有确定的运动，则机构的原动件数目应等于机构的自由度的数目。这就是机构具有确定运动的条件。当机构不满足这一条件时，如果机构的原动件数目小于机构的自由度，机构的运动将不完全确定②。如果原动件数大于机构的自由度，则将导致机构中昀薄弱的环节的损坏。——————————①如果一个构件组合体的自由度F0，则它就可以成为一个机构，表明各构件间可有相对运动；如果F＝0，则它是一个结构（structure）即已退化为一个构件（如图）。②