西安石油大学机械原理第2章

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平面机构的组成原理、结构分类及结构分析返回§2-1机构结构分析的内容及目的主要内容及目的是：研究机构的组成及机构运动简图的画法；了解机构具有确定运动的条件、进行机构自由度计算；研究机构的组成原理及结构分类。机构结构分析的内容及目的(2/2)§2-2机构的组成1.构件•机器中每一个独立的运动单元体称为构件构件与零件的区别：构件是运动单元体零件是加工制造单元体一个自由构件空间运动:6个自由度平面运动:3个自由度机构的组成(2/16)是两构件参与接触而构成运动副的表面。是两构件直接接触而构成的可动连接；2.运动副运动副运动副元素两构件上组成运动副时相对运动受到限制，这种对独立运动的限制称约束自由度减少数目等于约束数目。引入约束数目与运动副种类有关。根据引入约束数目分Ⅰ、Ⅱ……Ⅴ级副。约束例2-1轴与轴承、滑块与导轨、两轮齿啮合。机构的组成(3/16)运动副的分类转动副移动副高副空间运动副：圆柱副，螺旋副和球面副等平面运动副低副：面接触的运动副高副：点、线接触的运动副转动副移动副机构的组成(4/16)转动副自由度数目约束数目1yx转动副122约束特点:x,y方向移动机构的组成(5/16)一个独立相对运动。引入2个约束，保留1个自由度移动副自由度数目约束数目12移动副yx12约束特点：Y方向移动,z方向转动机构的组成(6/16)一个独立相对运动。引入2个约束，保留1个自由度高副高副ntnt121221自由度数目约束数目约束特点：n方向移动机构的组成(7/14)两个独立相对运动。引入1个约束，保留2个自由度球面副自由度约束数目33约束特点:x,y,z方向移动机构的组成(8/14)三个独立相对运动，Ⅲ级副球销副约束特点:x,y,z方向移动，z方向的转动自由度约束数目24机构的组成(9/14)两个独立相对运动，Ⅳ级副圆柱副约束特点:x,z方向移动，x,z方向的转动yxz自由度约束数目24机构的组成(10/14)两个独立相对运动，Ⅳ级副螺旋副约束特点:螺杆可绕x轴转动、移动。自由度约束数目15x机构的组成(11/14)一个独立相对运动，Ⅴ级副球与平面副机构的组成(12/14)五个独立相对运动，Ⅰ级副3.运动链构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）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空间开式运动链运动副符号运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。各种常用运动副模型常用运动副的符号表机构的组成(13/14)1234——按给定已知运动规律独立运动的构件；4.机构具有固定构件的运动链称为机构。机架原动件从动件——机构中的固定构件。——机构中其余活动构件。1234平面铰链四杆机构机构常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。空间铰链四杆机构常以转向箭头表示。其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。机架原动件从动件机架从动件原动件机构的组成(14/14)不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的简图。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，§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.机构运动简图例2-2内燃机机构运动简图。机构运动简图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。机构示意图举例：（2）选定视图平面；（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。机构运动简图(2/6)2.机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：（1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制液压泵的机构运动简图OACDFBE152346例：绘制鄂式破碎机的机构运动简图机构运动简图(3/6)例：绘制机构运动简图OAB1234机构运动简图(4/6)例：绘制机构运动简图OAB123AA4A机构运动简图(5/6)例：绘制机构运动简图OBA1234机构运动简图(6/6)§2-4机构具有确定运动的条件一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？两个例子例2-3铰链四杆机构例2-4铰链五杆机构若给定机构一个独立运动，则机构的运动完全确定；若给定机构两个独立运动，则机构的最薄弱环节损坏。若给定机构一个独立运动，则机构的运动不确定；若给定机构两个独立运动，则机构的运动完全确定。机构的自由度机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用F表示。自由度数=独立运动参数数目独立运动由原动件带入。一般情况下，原动件与机架相连，具有一个独立运动。如果原动件数F,如果原动件数F,则机构的运动将不确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。机构具有确定运动的条件(2/2)结论：机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目F。机构高副数目-hP机构中低副的数目-lP机构中活动构件数n-机构自由度；-F--=23PPnFhl平面机构自由度计算公式：§2-5机构自由度的计算举例1）铰链四杆机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）铰链五杆机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝2123451234机构自由度的计算(2/7)3）曲柄滑块机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝14）凸轮机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×2－2×2－1＝1机构自由度的计算(3/7)134789101118ABCD,3）内燃机机构F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1机构自由度的计算(4/7)OACDFBE1523464）鄂式破碎机F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×7－0＝1n=3；Pl=4Ph=1F=3n-2Pl-Ph=0机构不能运动例：简易冲床设计方案改进机构自由度的计算(5/7)改进方案n=4；Pl=5Ph=1F=3n-2Pl-Ph=1机构具有确定相对运动F=原动件数机构自由度的计算(6/7)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×6－0＝3机构自由度的计算(7/7)§2-6计算平面机构自由度时应注意的事项1.要正确计算运动副的数目由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。（1）复合铰链两个以上构件同时在一处以转动副相联接就构成了复合铰链。复合铰链数=构件数-1123123F＝3n－(2pl＋ph)＝3×5－2×7－0＝1计算平面机构自由度时应注意的事项(2/8)如果两构件在多处接触而构成运动副，且符合下列情况者，则为同一运动副，即只能算一个运动副。（2）同一运动副1）移动副，且移动方向彼此平行或重合；2）转动副，且转动轴线重合；3）平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合。A计算平面机构自由度时应注意的事项(3/8)是指机构中某些构件所产生的不影响其他构件运动的局部运动的自由度，如果两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并不彼此重合，则为复合高副，相当于一个低副（移动副或转动副）。（3）复合平面高副2.要除去局部自由度局部自由度以F′表示。计算平面机构自由度时应注意的事项(4/8)滚子绕其轴线的转动为一个局部自由度，在计算机构自由度时，应将F′从计算公式中减去，即例2-8滚子推杆凸轮机构解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸轮机构的自由度为F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虚约束虚约束是指机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约束作用的约束，以p′表示。例2-9平行四边形四杆机构F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1计算平面机构自由度时应注意的事项(5/8)当增加一个构件5和两个转动副E、F，且BEAF，则∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝0原因：构件5和两个转动副E、F引入的一个约束为虚约束。在计算机构的自由度时，应从机构的约束数中减去虚约束数目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四边形五杆机构的自由度为F＝3×4－(2×6＋0－1)－0＝1计算平面机构自由度时应注意的事项(6/8)（1）轨迹重合的情况在机构中，如果用转动副连接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，该连接将带入1个虚约束。例如椭圆仪机构就是这种情况（图中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。显然，转动副C所连接的C2、C3两点的轨迹重合，将带入一个虚约束。（2）用双副杆连接两构件上距离恒定不变的两点的情况在机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。计算平面机构自由度时应注意的事项(7/8)4．机构中的虚约束常发生的几种情况例如图示平行四边形机构就属于此种情况。显然，构件5和转动副E、F所联接的两点间的距离始终保持不变，故带入一个虚约束。（3）结构重复的情况在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。例如图示轮系就属于这种情况。显然，从机构运动传递来看，仅有一个齿轮就可以了，而其余两个齿轮并不影响机构的运动传递，故带入了虚约束，且p′＝2。计算平面机构自由度时应注意的事项(8/8)任何机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的。不能再拆的最简单的自由度为零的构件组，称阿苏尔或基本杆组。§2-8平面机构的组成原理、结构分类及结构分析1.平面机构的组成原理例2-14颚式碎矿机1）基本杆组：2）机构组成原理：例2-15颚式碎矿机注意在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。（1）基本杆组的条件3n－2pl－ph＝0式中n、pl及ph分别为基本杆组中的构件数、低副数和高副数。全为低副杆组的条件3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）杆组的基本类型1）Ⅱ级杆组由2个构件和3个低副构成的杆组。2）Ⅲ级杆组由4个构件和6个低副构成的杆组。ABC12c)ABC12d)ABC12e)ABC12a)ABC12b)ABCDEF1234a)ABCDEF1234b)ABCDEF1234c)平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(2/4)机构的级别机构中杆组的最高级别即为机构的级别Ⅱ级机构：全部是Ⅱ级杆组Ⅲ级机构：至少有一个Ⅲ级杆组2.平面机构的结构分类3.平面机构的结构分析（1）分析的目的了解机构的组成，确定机构的级别。（2）分析的方法1）先计算机构的自由度，并确定原动件；2）从远离原动件的构件先试拆Ⅱ级组，若不成；再拆Ⅲ级组，直至只剩下原动件和机架为止；3）最后确定机构的级别。（3）举例破碎机机构的结构分析：1）若取机构1为原动件时，此机构为Ⅱ级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(3/4)2）若取构件5为原动件时，先试拆Ⅱ级杆组，显然，这种拆法不成。再试拆Ⅲ级组，。故此机构为Ⅲ级机构。平面机构的组成原理、结构分类及结构分析(4/4)134789101118ABCD,内燃机及其机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图C34ABC1234AB21本章重点内容•基本概念：零件、构件、运动副、运动副分类及引入约束数目；•机构具有确定运动条件、机构自由度计算及注意事项；•机构运动简图绘制；习题1.概念1)是制造单元体，是独立运动单元体。2）运动副是两构件直接接触而组成的联接。3）平面运动副包括和，前者包括和。4）平面低副引入个约束，保留个自由度；平面高副引入个约束，保留个自由度。5）平面机构具有确定运动条件是。2.机构自由度计算（指出复合铰链、局部自由度及虚约束，并判断确定运动条件）F=3*7-(2*10+0)=1n=7pl=10ph=0复合铰链：C(3)、A(2)1）n=6；Pl=7Ph=3F=3n-2Pl-Ph=12）D处为复合铰链，C、H处为局部自由度，构件8处为虚