机械原理-第一章机构的组成和结构

第1章机构的组成和结构第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章机构的组成和结构零件：单独加工的制造单元体1.1机构的组成构件：每一个独立影响机构功能并且能单独运动的单元体,一个构件可以由一个或多个零件组成。第1章机构的组成和结构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第1章机构的组成和结构副元素：两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面）第1章机构的组成和结构自由度：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章机构的组成和结构运动副的分类方法：1按照运动副的相对运动形式分类平面运动副、空间运动副2按照运动副的接触形式分类低副、高副4按照运动副接触部分的几何形状分类圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副等3按照运动副引入的约束数目分类n级副n=1,2…5第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构按接触形式分类：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章机构的组成和结构低副机构高副机构第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构闭式链机构开式链机构第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构分析现有机构新机械的运动方案设计第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构两个活动构件联接第1章机构的组成和结构双副构件(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章机构的组成和结构双副构件(一个构件和两个外副)第1章机构的组成和结构偏心轮AB12BA21第1章机构的组成和结构三副构件(一个构件和三个外副)第1章机构的组成和结构三副构件(一个构件和三个外副)第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构原动机第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构运动链的自由度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章机构的组成和结构自动驾驶仪操作装置1.3.1运动链的自由度计算2314第1章机构的组成和结构构件数目：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章机构的组成和结构F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1=6×3－5×2－4×1－3×1=1P3=1P4=1P5=2n=32314第1章机构的组成和结构公共约束作用下的运动链自由度第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构例：计算平面运动链自由度12345P4=1P5=5n=4F=3×4–2×5–1=1第1章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构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章机构的组成和结构F=11个原动件：活塞实现摇杆的往复摆动第1章机构的组成和结构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k个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了(k-1)个转动副。F=3×5-2×7=1第1章机构的组成和结构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。第1章机构的组成和结构问题3：虚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。第1章机构的组成和结构场合一：两个构件之间形成多个运动副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第1章机构的组成和结构等宽凸轮机构等径凸轮机构第1章机构的组成和结构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第1章机构的组成和结构AB=BC=BDDAC=90°除B、C、D点，各点轨迹为一椭圆D点轨迹是沿Y轴的直线场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合F=3×1-2×2=-1第1章机构的组成和结构场合四：机构中存在不起作用的对称部分为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分第1章机构的组成和结构虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率或者其它特殊需求；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；虚约束问题小结：机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确保满足虚约束存在的条件。第1章机构的组成和结构例：计算大筛机构自由度复合铰链？局部自由度？虚约束？n=7P4=1P5=9F=3×7-2×9–1=2第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构构件+运动副运动链机构1.4机构的组成原理和结构分析机架原动件从动件组合F=0基本杆组：最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，简称为杆组。第1章机构的组成和结构平面低副运动链自由度F=3n-2P5基本杆组F=0P5=n32第1章机构的组成和结构n=2P5=3Ⅱ级杆组（双杆组）第1章机构的组成和结构n=4P5=6Ⅲ级杆组三副构件3个双副构件第1章机构的组成和结构n=2P5=3Ⅱ级杆组（双杆组）n=4P5=6Ⅲ级杆组第1章机构的组成和结构1.4.1机构的组成原理任何机构都可以看作是若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和机架上而构成的，机构的自由度等于原动件的数目，这就是机构的组成原理。构件+运动副运动链机构机架原动件若干基本杆组第1章机构的组成和结构机架和原动件Ⅱ级杆组Ⅲ级杆组四杆机构八杆机构第1章机构的组成和结构机构的组成：在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的自由度，每次增加都可以获得一个新机构；设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。F=3n-2P5–P4第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构1.4.2机构的结构分析机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。第1章机构的组成和结构机构的结构分析原则：首先，从远离原动件的部分开始拆分；试拆时，先试拆低级别杆组；每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构。第1章机构的组成和结构I级机构II级机构III级机构机构的命名：以机构中所包含的基本杆组的最高级别第1章机构的组成和结构原动件不同，机构的级别也有可能不同12345678第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构1.4.3平面机构的高副低代根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为高副低代。条件一：代替前后机构的自由度不变F=3×1-2×2=-1第1章机构的组成和结构条件二：代替前后机构的瞬时速度和加速度不变两个高副元素均为圆弧AO1、BO、OO1均保持不变第1章机构的组成和结构瞬时替代机构第1章机构的组成和结构例：机构的结构分析第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构第1章机构的组成和结构本章重点小结