国家精品课程机械原理-02-结构分析

第二章机构的结构分析(StructureAnalysisofMechanisms)第一节概述第二节平面机构自由度及其计算第三节机构的组成*第五节机构运动简图第四节平面机构的高副低代本章内容主要内容第一节概述1)机构具有确定运动的条件2)机构的组成理论3)机构运动简图的绘制一、运动副(kinematicpair)*构成机构的基本要素——构件运动副运动链构件(link)——由一个或数个零件刚性构成的运动单元体*运动副(kinematicpair)*两构件间直接接触且能产生某些相对运动的联接称为运动副。移动副(slidingpair)运动副符号21*运动副元素运动副参加接触的部分转动副(revolutepair)12运动副符号高副(higherpair)xyxo运动副符号高副(higherpair)xyo*约束(constraint)---对构件间运动的限制。xyoxyoxyoxyoxxyoZxxyox×yxyo﹡构件自由度(degreeoffreedom)：构件具有的独立运动参数xzy12oxzy12o12xzyo12构件2相对构件1有六个自由度。zxyoxzy12若在O-XY坐标系中运动oxy12o限制为平面运动，即加入三个公共约束。加入一个约束即减少一个自由度。y12ox12xyoxy12o12o若两构件以转动副相连，仅剩下沿o轴转动一个自由度。xy空间构件的自由度:S--约束数。F=6-S平面构件的自由度:F=3-S运动副的分类：按运动副对空间构件提供的约束数将运动副分为五级。1212螺旋1螺母2运动副简图非独立运动V级副球面副(sphericalpair)结构图结构图球面副(sphericalpair)结构图球面副(sphericalpair)结构图球面副(sphericalpair)运动副简图Ⅲ级副结构图球面副(sphericalpair)球销副(sphere-pinpair)结构图xzy结构图球销副(sphere-pinpair)结构图球销副(sphere-pinpair)xzy结构图球销副(sphere-pinpair)xzy结构图球销副(sphere-pinpair)xzy结构图球销副(sphere-pinpair)xzy结构图球销副(sphere-pinpair)xzyy结构图球销副(sphere-pinpair)xz结构图球销副(sphere-pinpair)xzyxzy运动副简图Ⅳ级副结构图球销副(sphere-pinpair)*平面机构中存在几级副？是否存在Ⅵ级副？只有Ⅳ级副和Ⅴ级副运动副符号V级副IV级副*高副(higherpair)----副元素为点（线）接触副元素为面接触，压强低，又称低副副元素为点（线）接触，压强高，又称高副*低副(lowerpair)---副元素为面接触（如移动副、转动副）二、运动链(kinematicchain)*运动链---构件由运动副连接而成的系统各构件首尾封闭的运动链称为闭式链闭式链(closedkinematicchain)各构件首尾不封闭的运动链称为开式链开式链(openkinematicchain)平面运动链(planarkinematicchain)——各构件相互作平面运动全V级副运动链球面副球销副空间运动链(spatialkinematicchain)——各构件相互作空间运动三、机构(mechanism)*选定机架，给相应的原动件，其余构件作确定运动的运动链。原（主）动件从动件机架机架*主动件——机构中传入驱动力（矩）的构件*原动件——运动规律已知的构件。其余的活动构件统称从动件*输出构件——输出运动或动力的从动件第二节平面机构自由度及其计算一、定义*机构自由度（degreeoffreedmofmechanism)——机构具有确定运动所必须的独立运动参数的数目。1一个平面自由运动的构件(link)有三个自由度2xyoxyo21o21xyo21xyo21xyo21xyo21构件2，1只有绕o轴的相对转动。xyxyo21o21xyxyo21o21xyxyo21o21xyxyo21o21xyxyo21o21xyxyo21o21构件2、1只有沿x轴的相对移动。xyxyo21yxo21xyo21o21xyo21yxo21xyo21xyxyo21yxo21o21xyxyo21yxo21o21xyxyo21yxo21o21构件2、1有沿x轴的移动和绕o轴的转动。xyxyo21yxo21o21低副(lowerpair)高副(higherpair)*高副提供一个约束，低副提供两个约束。xyxyo21yxo21N--机构的总构件数n--活动构件数n=N-1n个自由构件的自由度---3n。pL--低副数pH--高副数，总约束------2pL+pH*机构的自由度为：F=3n-（2pL+pH）F=3×2-2(3-0)=0桁架结构F=3n-（2pL+pH）n=2,pL=3,pH=01231412314123143F=3n-（2pL+pH）F=33-(24+0)=112给一个原动件（drivinglink)机构有确定运动。14动画演示123414动画演示F=3×4-2×5=2F=3n-（2pL+pH）给两个原动件机构有确定运动。EBACD14动画演示*机构具有确定运动的条件1、F＞0；2、F=原动件数F=0F=1F=2DAFCBE原动件12345矿石例2-1：判断破碎机是否有确定运动。DAFCBE原动件12345矿石例2-1：判断破碎机是否有确定运动。F=3n-（2pL+pH）n=5;pL=7;pH=0;F=35-(27+0)=1.F=原动件数，故有确定运动。DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345ADECBF计算机构的自由度F=？n=7;pH=0;PL=6;?F=37-(26+0)=9.???？ADECBF观察机构的运动ADECBFADECBFADECBFADECBFADECBFC点的轨迹为直线三、计算机构自由度应该注意的事项1）复合铰链2）局部自由度3）虚约束123pL=?123213pL=?pL=(3-1)=21234mpL=?1234mpL=(m-1)*复合铰链(compoundhinges)——两个以上的构件构成的同轴线的转动副。其转动副个数等于构件数减1。ADECBF两转动副的复合铰链N=7pH=0PL=10F=37-(210+0)=1ADECBFF=1F=?F=33-(23+1)=2???计算机构自由度时应去掉。相当于将滚子与推杆固结。*局部自由度:(passivedegreeoffreedom)与机构整体运动无关的自由度F=33-(23+1)=2???F=32-(22+1)=1!!!ABCDEF12345机构自由度F=？AB=CD=EF,BE=AF,EC=FD.F=3×4-2(2×6-0)=0.?????ABCDEF1234平行四边形机构BEF12345平行四边形机构ACDABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF12345平行四边形机构ABCDEF1234平行四边形机构ABCDEF12345*虚约束(redundantconstraint)——对运动不起实际限制作用约束计算机构自由度时应去掉虚约束。ABCDEF12345计算F时，去掉构件5及其相连的运动副ABCDEF12345F=33-(24+0)=1出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.两构件构成多个导路平行的移动副。如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。4.运动时，两构件上的两动点间的距离始终不变。3.两构件构成多个同轴的转动副。5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。EF虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!ABCDEE'FHOG123456789求大筛机构的自由度F=？ABCDEE'FHOG123456789求大筛机构的自由度F=？主动件1，8局部自由度两者之一为虚约束复合铰链CABDEE'FHOG123456789ABDEE'FHOG123456789ABDEE'FHOG123456789n=?Ph=?Pl=?n=7Ph=1Pl=9F=37-(29+1)=2B2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：活动构件数n=9A1B2I9C3J6H87DE4FG52个低副复合铰链:局部自由度2个虚约束:1处I8去掉局部自由度和虚约束后：n=6PL=7F=3n－2PL－PH=3×6－2×7－3=1PH=39I一、机构的组成原理第三节机构的组成(constitutionofmechanism)2341652为原动件将机构进行拆分F=35-(27+0)=1213456213456213456213456F=34-26=0不是最简单的F=0的运动链21345621345621345621345F=32-23=0,F=32-23=0,该机构由两个基本杆组、原动件和机架组成。*F=0的不可再拆分的最简单的运动链——基本杆组(assurgroup)21345首先将3，4联于原动件和机架213452134521345213456此为四杆机构再添加5，6于机构。213456213456213456213456最后得六杆机构213456*机构的组成原理——由若干基本杆组依次连接到原动件和机架上构成机构。二、平面机构的结构分类1、杆组(assurgroup)及其分类基本杆组的条件：F=3n-2pl=0;n=2pl/3npl234669…...…...n=2;pl=3——Ⅱ级组n=2;pl=3——II级组n=2;pl=3——II级组n=2;pl=3——II级组n=2;pl=3——II级组n=2;pl=3——II级组n=2;pl=3——II级组Ⅱ级组的五种基本形式n=2;pl=3——II级组*n=4;pl=6,且具有一个含三个低副的中心构件的基本组——Ⅲ级组1234123412341234123412341234123414231234142312341423312412344231124*n=4;pl=6,不含三个低副的中心构件的基本组——Ⅳ级组231412341423能将其拆成Ⅱ级组吗？2314141414142314不是运动链*Ⅲ级组并不是由两个II级组构成的！n=4;pl=6,是Ⅲ级组吗？14231423拆开其Ⅱ级组4312121212142343121423不是Ⅲ级组，而是由两个Ⅱ级组构成的运动链。2、机构的结构分类*机构的级别是以其中含有的杆组的最高级别确定的。ABCDEGHF12345678AB为原动件从远离原动件的杆组开始拆分，先Ⅱ级，后Ⅲ级，IV级…….ABCDEF1234568H7GGH不是杆组!!!!H7GH7GH7GABCDGH12345EF678EF不是杆组!!!!EF6EF6EF6ABC1283DEGHF4567C拆除Ⅲ级组DEGHF4567CDEGHF4567CDEGHF4567CABCDEGHF2345678CⅢ级组ABCDEGHF12345678C剩下的部分仍为一机构ADEGHF14567C拆除II级组8BC23BC23BC23BC23ADEGHF145