平面机构的结构分析

2.1平面机构的组成2.2平面机构运动简图2.3平面机构的自由度计算2.4平面机构的组成原理及结构分析第2章平面机构的结构分析机械原理第2章平面机构的结构分析结构分析—运动分析和动力分析以及机构综合的前提。内容：①机构组成及具有确定性运动的条件；②机构的结构分类；③机构的组成原理。目的：①探讨机构运动的可能性及运动确定性条件；②机构分类，建立运动分析和动力分析的方法；③绘制机构运动简图。机械原理第2章平面机构的结构分析用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。平面机构：各运动构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。（常见的机构大多数为平面机构）。至少有两个构件在三维空间中存在着相对运动。空间机构：机构：机械原理第2章平面机构的结构分析2.1平面机构的组成机械原理第2章平面机构的结构分析运动副元素是两构件参与接触而构成运动副的表面。运动副：两构件直接接触而构成的可动联接。转动副移动副齿轮副1）运动副定义一、运动副机械原理第2章平面机构的结构分析4）按其相对运动形式分转动副(fixedpovot)（回转副或铰链）移动副(slidingpair)螺旋副(helicaljoint)球面副(sphericaljoint)3）按其接触形式分高副(higherpair)：点、线接触的运动副低副(lowerpair)：面接触的运动副2)运动副的分类2）按其引入的约束数目分Ⅰ级副、Ⅱ级副、……Ⅴ级副1）按两个构件运动关系分为：平面运动副和空间运动副机械原理第2章平面机构的结构分析凸轮高副（点接触）齿轮高副（线接触）机械原理第2章平面机构的结构分析低副（曲面接触，转动副）低副（平面接触，移动副）机械原理第2章平面机构的结构分析高副机械原理第2章平面机构的结构分析3)运动副的表示（之一）机械原理第2章平面机构的结构分析3)运动副的表示（之二）机械原理第2章平面机构的结构分析构件通过运动副联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空间开式运动链平面运动链空间运动链按运动分按结构分运动链二、运动链机械原理第2章平面机构的结构分析运动链与机构的联系：（1）一个闭式运动链；（2）将一构件固定不动（机架）；（3）1个或数个构件具有确定的运动（原动件）；（4）原动件运动时，其他构件就有确定的运动。机构就是带有机架和原动件，具有确定相对运动的运动链。运动链机构机械原理第2章平面机构的结构分析一般机架相对地面固定不动，但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。——按给定已知运动规律独立运动的构件；机架原动件——机构中的固定构件；1234平面铰链四杆机构常以转向箭头表示。机架原动件从动件从动件——机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。机构中各构件的名称：机械原理第2章平面机构的结构分析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。Planarandspatial1234原动件空间铰链四杆机构机架从动件机械原理第2章平面机构的结构分析2.2平面机构运动简图机械原理第2章平面机构的结构分析用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。平面机构运动简图是什么？机械原理第2章平面机构的结构分析1221211221、运动副的表示转动副：以圆圈表示，圆心代表转动轴线。如何绘制平面机构运动简图？机械原理第2章平面机构的结构分析121212121212移动副：若组成运动副的两构件中有一个为机架，则在代表机架的构件上加阴影线。导路必须与相对移动方向一致。机械原理第2章平面机构的结构分析齿轮副：凸轮副：画出两构件接触处的曲线轮廓。以点划线画出一对节圆表示齿轮副。高副：用完整的轮廓曲线表示凸轮。机械原理第2章平面机构的结构分析2、构件（杆）的表示－用最简单的线条直线表示构件和两个运动副联接时的表示方法:机械原理第2章平面机构的结构分析一般来说，参与组成3个转动副的构件可用三角形表示。通常在三角形内加剖面线或在三个角上分别涂以焊缝的标记，表明三角形是一刚性整体。机械原理第2章平面机构的结构分析3．常用机构的专门符号（有国家标准）在支架上的电机带传动链传动凸轮机构外啮合圆柱齿轮机构内啮合圆柱齿轮机构齿轮齿条机构圆锥齿轮机构蜗杆机构棘轮机构机械原理第2章平面机构的结构分析4、机构运动简图绘制的步骤（2）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性的视图平面）；（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。（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；机械原理第2章平面机构的结构分析1-原动；4-机架。1-4在A处组成回转副；1-2在B处组成回转副；2-3组成移动副；3-4组成移动副。AB3241例2-1：机械原理第2章平面机构的结构分析例2-2：颚式破碎机机构运动简图的绘制1－机架；2－偏心轴；3－动颚；4－肘板机械原理第2章平面机构的结构分析板4与机架1绕轴线D相对转动。颚式破碎机运动简图：偏心轴2与机架1绕轴线A相对转动；动颚3与偏心轴2绕轴线B相对转动；肘板4与动颚3绕轴线C相对转动；机械原理第2章平面机构的结构分析例2-3偏心泵机构运动简图机械原理第2章平面机构的结构分析机械原理第2章平面机构的结构分析例2-4偏心轮机构运动简图234122334411圆盘2套在滑块3孔内，滑块3在圆盘4的槽中滑动，圆盘4相对于机架1转动。机械原理第2章平面机构的结构分析234122334411机械原理第2章平面机构的结构分析偏心轮机构运动简图：当原动件2回转时，连杆3在滑块4中往复运动；连杆3与偏心轮2是转动的面接触，两者可以相对转动；滑块4与机架1也是转动的面接触，两者可以相对转动。机械原理第2章平面机构的结构分析例2-5内燃机运动简图机械原理第2章平面机构的结构分析在平面四杆机构中：汽缸1为机架，活塞2为原动件，连杆3和曲轴4为从动件。活塞2在汽缸1作往复运动，2与1组成移动副，活塞2与连杆3，连杆3和曲轴4，曲轴4和机架1之间均组成转动副。在齿轮机构中：齿轮5固定在曲轴4上，齿轮5为原动件，齿轮6为从动件，齿轮5、6均与机架组成转动副。在凸轮机构中：凸轮7为原动件，与齿轮6处于同一轴上，进气阀顶杆8为从动件；凸轮7与顶杆8组成高副；顶杆8相对于机架作往复运动；凸轮7与机架1组成转动副。机械原理第2章平面机构的结构分析内燃机运动简图：机械原理第2章平面机构的结构分析例2-6：小型压力机机构运动简图的绘制机械原理第2章平面机构的结构分析小型压力机的组成机械原理第2章平面机构的结构分析小型压力机运动简图机械原理第2章平面机构的结构分析绘制机构运动简图时应该注意合理的构件位置，使所绘制的运动间图最为清楚。注意事项：机械原理第2章平面机构的结构分析2.3平面机构的自由度计算机械原理第2章平面机构的结构分析构件的自由度：构件组成运动副后，构件间的直接接触使某些独立运动受到限制，即引入了约束，自由度因而随之减少。构件所具有的独立运动的数目。一个作平面运动的自由构件具有3个自由度运动副不同，引入了约束的数目也不尽相同。约束：运动副对构件运动的限制作用。一、构件的自由度和运动副的约束限制1个独立运动=构件上加1个约束=失去1个自由度限制独立运动的数目=约束数=自由度减少的数目机械原理第2章平面机构的结构分析组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动。每个构件只剩1个转动自由度。转动副（铰链）：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动。每个构件只剩1个平动自由度。移动副：xyxy机械原理第2章平面机构的结构分析组成高副的两构件间的相对运动是沿接触处切线方向的相对移动和在平面内的相对转动。每个构件有2个自由度。高副：xyxy齿轮副凸轮副机械原理第2章平面机构的结构分析低副：引入2个约束高副：引入1个约束机械原理第2章平面机构的结构分析机构相对于机架的独立运动的数目从动件运动是不独立的，只有原动件才能独立运动，通常每个原动件具有一个独立的运动，一个机构的自由度和原动件的数目相同。二、平面机构自由度及其计算公式机构自由度：机械原理第2章平面机构的结构分析HLPPnF23所以，若某机构含有n个活动构件，PL个低副，PH个高副，则该机构的自由度(degreesofFreedom)：每个作平面运动的自由构件有3个自由度；每个高副引入1个约束，即所限制的自由度为1；每个低副引入2个约束，即所限制的自由度为2。1、基本公式机械原理第2章平面机构的结构分析ADCBa）铰链四杆机构解：该机构具有4个构件，活动构件数n为3；低副数PL=4；高副数PH=0。根据机构自由度计算公式，该机构的自由度F为F=３n－2PL－PH=３3－24－0=12、举例与讨论1)由于机构的自由度是机构的独立运动的数目，因此要使机构能够运动，其自由度F0。机械原理第2章平面机构的结构分析b）凸轮机构解：该机构具有3个构件，活动构件数n为2；低副数PL=2；高副数PH=1。根据机构自由度计算公式，该机构的自由度F为F=３n－2PL－PH=３2－22－11=1c）铰链五杆机构解：该机构具有5个构件，活动构件数n为4；低副数PL=5；高副数PH=0。根据机构自由度计算公式，该机构的自由度F为F=３n－2PL－PH=３4－25－0=2机械原理第2章平面机构的结构分析2）当运动链的F=0时，说明活动构件在自由状态下的自由度总数与由于运动副所限制的自由度相等，构件之间不存在相对运动，形成一个刚性桁架。若认为三角形是一个运动链，则：n=2，PL=3，PH=0，故F=３n－2PL－PH=３2－23－0=0这是一个静定的桁架。从运动的观点来看，相当于焊成一体的三角架，是一个构件。机械原理第2章平面机构的结构分析若认为右图是一个运动链，则：n=3，PL=5，PH=0，故F=３n－2PL－PH=３3－25－0=－1这是一个超静定的桁架。从运动的观点来看，这相当于是一个构件。3）当运动链的F0时，说明活动构件在自由状态下的自由度总数小于由于运动副所限制的自由度，构件之间不存在相对运动，形成一个超静定桁架。机械原理第2章平面机构的结构分析三、机构具有确定运动的条件1）给定运动与自由度的关系ADCBa)铰链四杆机构：F=1，有一个独立运动，如果给定一个运动（构件1的转动），其它构件的运动都有确定的运动。自由度F0的运动链是可以运动的，但在什么条件下具有确定的运动？机构是在原动件的作用下才运动的。机械原理第2章平面机构的结构分析ADCB如果给定两个运动，如构件1和构件3的转动，则构件3必须具有两个运动，这是不可能的，还会导致机构破坏。机械原理第2章平面机构的结构分析1543D’C’EDCBA21b)铰链五杆机构：F=2，有2个独立运动，如果给定一个运动（构件1的转动），其它构件的运动是不能确定的，机构的运动则是不确定的。机械原理第2章平面机构的结构分析如果给定两个运动，如构件1和构件4的转动，则构件2和3具有确定的运动，机构的运动则是确定的。因此，当机构中给定运动的数目=机构的自由度时，机构的相对运动是确定的。机械原理第2章平面机构的结构分析由于1个原动件一般只给1个运动，因此给定运动数目=原动件数目机构具有确定运动的条件为:原动件数=机构自由度F2）原动件与自由度的关系机械原理第2章平面机构的结构分析F≤0，构件间无相对运动，不成为机构F0,原动件数=F，运动确定原动件数F，运动不确定原动件数F，机构破坏综上所述：机械原理第2章平面机构的结构分析四、计算自由度时应注意的事项对于大多数机构，可以依据机构运动简图直接运用公式进行自由度的计算。但对于有些机构，则需要在计算自由度时考虑以下几方面的问题，否则将会造成计算所得自由度与实际机构自由度不相符的情况。机械原理第2章平面机构的结构分析6543FEDCBA217例：n