机构的组成与结构

第1章平面机构的结构分析第1章机构的组成和结构1.1机构的组成1.2机构运动简图1.3机构具有确定运动的条件1.4机构的组成原理和结构分析机构：具有确定运动的实物组合体第1章平面机构的结构分析零件(Part)：独立的制造单元体1.1机构的组成构件（Link）：独立的运动单元一个构件可以由一个或多个零件组成。内燃机中的连杆作者：潘存云教授内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖第1章平面机构的结构分析1.1.1构件1.1.2运动副运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接两个相邻构件直接接触两者之间允许一定的相对运动每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动三个条件，缺一不可第1章平面机构的结构分析副元素：两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面）作者：潘存云教授作者：潘存云教授例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。第1章平面机构的结构分析自由度：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目自由构件(空间)：F=6自由构件(平面)：F=3约束：运动副对构件独立运动所加的限制第1章平面机构的结构分析运动副的分类方法：1按照运动副的相对运动形式分类平面运动副（平面运动）、空间运动副（空间运动）平面机构－全部由平面运动副组成的机构。例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。空间机构－至少含有一个空间运动副的机构。第1章平面机构的结构分析2按照运动副的接触形式（运动副元素）分类低副、高副①高副(highpair)－点、线接触，应力高。②低副(lowerpair)－面接触，应力低。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。第1章平面机构的结构分析3按照运动副引入的约束数目分类n级副n=I,II…VI级副II级副III级副第1章平面机构的结构分析IV级副V级副1V级副2第1章平面机构的结构分析按接触部分的几何形状分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：平面运动副低副转动副五级副R第1章平面机构的结构分析P按接触部分的几何形状分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：平面运动副低副移动副五级副第1章平面机构的结构分析按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：按接触部分的几何形状分类：平面运动副高副平面高副四级副第1章平面机构的结构分析低副机构高副机构第1章平面机构的结构分析1.1.3运动链运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统开式运动链（开链）运动链的各构件未构成首末封闭系统闭式运动链（闭链）运动链的各构件构成首末封闭的系统第1章平面机构的结构分析1.1.4机构机构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。机构是具有确定运动的运动链。第1章平面机构的结构分析机架原动件从动件在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。第1章平面机构的结构分析若干1个或几个1个机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。从动件－其余可动构件。第1章平面机构的结构分析运动链具有确定的相对运动机构桁架运动链相对运动不确定无相对运动第1章平面机构的结构分析分析现有机构新机械的运动方案设计第1章平面机构的结构分析1.2机构运动简图用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。第1章平面机构的结构分析用于现有机械或新机械原理方案的设计、分析与讨论重点在于机构的运动分析构件的具体结构、组成方式等在方案设计阶段并不影响机构的运动特性运动副类型表明了构件之间的联接关系和传动方式构件的运动尺寸是运动分析的基础不严格按比例可绘制机构示意图第1章平面机构的结构分析国标规定的构件和运动副的表示符号运动简图的绘制方法第1章平面机构的结构分析现摘录了部分GB4460－84机构示意图如下表。1.2.1构件与运动副的表达方法机架AB机架和活动构件通过转动副联接(内副)机架和活动构件通过移动副联接第1章平面机构的结构分析两个活动构件联接第1章平面机构的结构分析双副构件(一个构件和两个外副)注：点划线表示与其联接的其他构件第1章平面机构的结构分析双副构件(一个构件和两个外副)第1章平面机构的结构分析偏心轮AB12BA21第1章平面机构的结构分析三副构件(一个构件和三个外副)第1章平面机构的结构分析三副构件(一个构件和三个外副)第1章平面机构的结构分析第1章平面机构的结构分析第1章平面机构的结构分析原动机详见教材P15页。常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副121212构件的表示方法:一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件两副构件一般构件的表示方法常用机构运动简图符号在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动绘制机构运动简图顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。第1章平面机构的结构分析1.2.2运动简图的绘制小型压力机编号原则：注意区分位置重叠的不同构件和同轴刚性联接的多个零件。前者分别编号，后者采用一个编号，加`以示区别。1.分析整个机构的工作原理机构组成动作原理和运动情况偏心轮1齿轮1`杆件2齿轮6`杆件3槽凸轮6杆件4滑块7压头8原动件执行构件第1章平面机构的结构分析2.沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。转动副移动副平面高副第1章平面机构的结构分析3.选择适当的视图平面选择原则1清楚表达机构的主体部分；2尽可能反映机构的全面运动；3可以选择其他视图平面作为补充。第1章平面机构的结构分析1.2.2运动简图的绘制1.分析整个机构的工作原理2.沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目3.选择适当的视图平面第1章平面机构的结构分析4.绘图选择机架提取构件的运动尺寸确定比例尺选择机构运动中的一个状态确定各运动副位置，绘图编号：A、B、C…表示运动副1、2、3…表示构件O1、O2…表示固定转轴原动件的运动方向第1章平面机构的结构分析运动链具有确定的相对运动机构桁架运动链相对运动不确定无相对运动第1章平面机构的结构分析1.3运动链成为机构的条件运动链的自由度：确定运动链中各构件相对与其中某一构件的位置所需要的独立参变量的数目。第1章平面机构的结构分析运动链的自由度F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1机架1F=0活动构件2F=6K级运动副F=6-kn为活动构件数目，Pk表示k级副的数目第1章平面机构的结构分析自动驾驶仪操作装置1.3.1运动链的自由度计算2314第1章平面机构的结构分析构件数目：N=4活动构件数目：n=3运动副：机架1和活塞2：圆柱副（4级副）活塞2和连杆3：转动副（5级副）连杆3和摇杆4：球面副（3级副）摇杆4和机架1：转动副（5级副）P3=1P4=1P5=22314第1章平面机构的结构分析F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1=6×3－5×2－4×1－3×1=1P3=1P4=1P5=2n=32314第1章平面机构的结构分析公共约束作用下的运动链自由度第1章平面机构的结构分析平面运动链自由度平面运动链的自由度F=3n-2P5-P4q=3n为活动构件数目平面运动链中只有4级副和5级副（转动副、移动副和平面高副）第1章平面机构的结构分析例：计算平面运动链自由度12345P4=1P5=5n=4F=3×4–2×5–1=1第1章平面机构的结构分析1.3.2运动链成为机构的条件运动链的自由度F=?运动链的运动情况如何?Fa=3×2-2×3=0Fb=3×3-2×5=-1F0运动链不能运动，不成为机构第1章平面机构的结构分析F=3×4-2×5=21个原动件F0，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。第1章平面机构的结构分析F=3×3-2×4=12个原动件F0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。第1章平面机构的结构分析运动链成为机构的条件：运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链相对于机架的自由度必须大于零，且原动件数目等于运动链自由度数。满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的计算可采用运动链自由度的计算公式。“机构”的定义：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。第1章平面机构的结构分析F=11个原动件：活塞实现摇杆的往复摆动第1章平面机构的结构分析1.3.3计算机构自由度时应注意的问题问题1：复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。解决方案m个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了(m-1)个转动副。F=3×5-2×7=1计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且F=112312第1章平面机构的结构分析解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度问题2：局部自由度某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。12312计算时去掉滚子和铰链：F=3×2－2×2－1=1滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH=3×4－2×6=0PH=0已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF第1章平面机构的结构分析问题3：虚约束——对机构的运动实际不起作用的约束。在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4F已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。AB＝CD＝EF虚约束第1章平面机构的结构分析场合一：两个构件之间形成多个移动副，且导路平行F=3×1-2×2=-1解决方案计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为两个构件之间只形成一个运动副F=3×1-2×1=1两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副出现虚约束的场合：第1章平面机构的结构分析场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变5EFF=3×1-2×2=-1ABCDAFDE点E、F距离在运动过程中始终不变杆式联轴器AB作者：潘存云教授场合三：