第1章机构的结构分析(理论部分)

第1章平面机构的结构分析1第1章平面机构的结构分析1.l基本要求1．掌握组成机构的零件、构件、运动副、运动链及机构的基本概念和联系。掌握运动副的常用类型及特点。2．掌握常用机构构件和运动副的简图符号及机构运动简图的绘制方法。3．掌握机构自由度的意义和机构具有确定运动的条件；掌握平面机构自由度的计算公式并正确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。4．掌握机构的组成原理和结构分析方法，重点掌握用基本杆组机构进行机构的结构分析。1.2内容提要一、本章重点本章的重点是有关机构组成中的构件、运动副、运动链及机构等概念；机构具有确定运动的条件，机构运动简图的绘制和平面机构自由度的计算；机构的组成分析和机构的级别判别。1．机构组成的基本概念及机构具有确定运动的条件构件是机构运动的单元体，是组成机构的基本要素。而零件是制造的单元体。实际的构件可以是一个零件也可以是由若干个零件固联在一起的组成的一个独立运动的整体，是机构运动的单元体。运动副是由两构件直接接触而又能产生一定相对运动的可动联接。也是组成机构的又一基本要素。把两构件参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。运动副可按其接触形式分为高副（即点或线接触的运动副）和低副（面接触的运动副）。又可按所能产生相对运动的形式分为转动副、移动副、螺旋副及球面副等等。由于两构件构成运动副之后，它们之间能产生何种相对运动是决定于该运动副所引人约束情况，所以运动副常根据其所引入约束的数目分类为Ⅰ级副，Ⅱ级副，Ⅲ级副，Ⅳ级副，Ⅴ级副。见表1-12机械原理试题精选与答题技巧表1-1常用运动副及其简图名称图形简图符号副级自由度名称图形简图符号副级自由度球面高副I5圆柱套筒副IV2柱面高副II4转动副V1球面低副III3移动副V1球销副IV2螺旋副V1运动链是两个或两个以上构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。如果运动链中构件构成首末封闭的系统，则称为闭式链，否则称为开式链。如果将运动链中的一个构件固定作为参考系，则这种运动链就成为机构。机构从其功能来理解是一种用来传递运动和力的可动装置。从机器的特征来看，机构是具有相对运动规律的构件组合。而从机构组成来看，机构是具有固定构件的运动键。机构中的固定构件称为机架，按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，而其余活动构件称为从动件。从动件的运动规律决定于原动作的运动规律和机构的结构。机构的自由度是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数数目。在机构中引入独立运动参数的方式，通常是使其原动件按给定的某一运动规律运动，所以，可以认为机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。机构的自由度Ｆ、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系：(1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动；(2)若Ｆ０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由度数；(3)若Ｆ0，而原动件数F，则构件间的运动是不确定的，(4)若Ｆ０，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。2．机构运动简图的绘制第1章平面机构的结构分析3为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形和具体构造，而只用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的简明图形就称为机构运动简图。机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，可以根据运动简图对机构进行运动分析和动力分析。有时，只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机构示意图。表1-2中给出了绘制机构运动简图时一些常用的代表符号（摘自GB4460-84）。表1-2常用机构示意图代表符号两运动构件形成的运动副两构件之一为机架时所形成的运动副转动副移动副构件二副元素构件三副元素构件多副元素构件凸轮及其它机构凸轮机构棘轮机构带传动齿轮机构外齿轮内齿轮圆锥齿轮蜗杆蜗轮绘制机构运动简图时应注意的问题：4机械原理试题精选与答题技巧(1)必须搞清楚机械的实际构造和运动情况。首先确定机构的原动件和执行件，两者之间为传动部份，由此确定出组成机构的所有构件，然后确定构件间运动副的类型。(2)恰当地选择投影面。一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，必要时也可以就机械的不同部分选择两个或两个以上的投影面，然后展开到同一平面上。(3)做完上述准备工作之后，便可选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。总之，绘制机构运动简图要以正确、简单、清晰为原则。3．机构自由度的计算平面机构自由度的计算公式：F=3n－2PL－PH(1-1)式中n——机构中活动构件数目；PL——机构中低副的数目；PH——机构中高副的数目。在计算机构自由度时，应特别注意处理好以下三种情况：（1）复合铰链由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。（2）局部自由度在一些机构中某些构件所产生的不影响整个机构运动的局部运动的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。即在计算自由度时，可以将产生局部自用度的构件视为焊成一体，然后进行计算。（3）虚约束在运动副所加的约束中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。计算机构自由度时，应在计算结果中加上虚约束数，或先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。第1章平面机构的结构分析5二、本章难点本章难点是机构自由度计算中有关虚约束的识别和处理问题。常见的虚约束有以下几种情况：1.当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束；2.当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束；3.如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束；必须注意，为使两动点间的距离始终保保持不变，除要求它们具有相同的轨迹之外，还必须有相同的运动规律。4.机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。