第2章-机构结构分析..ppt

1、本章教学目的, 了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度等概念； 能绘制常用机构的机构运动简图； 能计算平面机构的自由度； 了解平面机构组成的基本原理； 掌握机构结构分析的方法。,第2章 平面机构的结构分析,第2章 平面机构的结构分析,本章教学基本内容,2-2 机构的组成 2-3 机构运动简图 2-5 平面机构的自由度 2-7 机构的组成原理和机构分析,2-1 概述,机构具有确定运动的条件：分析和综合都是重要的，需要计算和分析确定,机构运动简图的绘制：工程技术人员必备技能,平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构,了解机构的组成原理和机构结构分类,二、运动副及其分类 运动副：指两构件

2、直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的接触部分。,从制造加工角度：机械由零件组成 零件制造单元体 从运动和功能实现角度： 构件独立运动的单元体,2-2 机构的组成,注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接,一、构件,运动副元素不外乎为点、线、面。,1. 构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。以 f 表示。,2. 约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。 约束数以s表示。 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。 运动副引入的约束数：最少为1个，最多为5个

3、。 运动副的自由度：f=6s, 构件自由度与约束,1. 按运动副相对运动形式分, 运动副分类,转动副,移动副,螺旋副,球面副,2. 按运动副引入的约束数分：,X级运动副：指引入X个约束的运动副。,级副、级副、级副、级副、级副,级副,级副,级副,3. 按运动副接触形式分, 低副: 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副; 高副: 凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副统称为高副;,4. 按运动副的运动空间分: 平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副; 空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。,常用运动副的符号,常用运动副的符号（续）,三、运动链,

4、运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的相对可动系统。, 闭链: 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。, 开链: 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。,平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。,空间运动链,四、机构,机构:在运动链中将一构件加以固定, 各构件之间都具有确定的运动，则运动链便成为机构。,机架：机构中固定不动构件。, 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。,机架,原动件,原动件: 机构中按已知给定的运动规律独立运动的构件。,从动件:机构其余活动构件。,2-

5、3 机构运动简图, 机构运动简图,指为了表明机构结构状况, 不要求严格地按比例而绘制的简图。,机构运动简图：指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。, 机构示意图, 常用运动副和构件的表示方法,为什么要画机构运动简图？,机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。,一般构件的表示方法,常用机构运动简图符号,常用机构运动简图符号(续）,例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图,分析：该机构有6个构件和7个转动副。,6, 画机构运动简图的方法,例题二、图示为一冲床。绕固定中心A转动的

6、菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。, 画机构运动简图的方法,分析：,绘制简图：,: 1. 分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。 2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目; 3. 恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。 4. 选择适当的比例尺, 定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动简图画出来

7、。,小结：, 实例分析,四杆机构动画,给定一个独立运动参数： 其余构件有确定运动。,机构中给定独立运动参数的构件为原动件。,问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动？,2-4 机构具有确定运动的条件, 结论,机构具有确定运动的条件为：机构自由度F 0,机构原动件数=机构自由度数,五杆机构,给定一个独立运动参数： 机构没有确定运动。,机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。,给定两个独立运动参数： 机构有确定运动。,假设平面机构有n个活动构件： 3n个自由度 有Pl个低副和Ph个高副：,平面自由构件：3个自由度 平面低副：引入2个约束 平面高副

8、：引入1个约束,平面机构的自由度计算公式：,引入约束,分析：,2-5 平面机构自由度的计算,自由度计算实例分析,F=3n-2 Pl Ph =34 - 25-0=2,F=3n-2 pl ph =33 - 24-0=1,四杆机构,五杆机构,1） 复合铰链,实例分析1：计算图示直线机构自由度,解：F=3n-2 pl ph =37 - 26-0=9,解：F=3n-2 pl ph =37 - 210-0=1,2-6 计算机构自由度应注意的事项,两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。,一、正确计算运动副的数目,两构件在几处接触而构成移动副且

9、导路互相平行或重合。,两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。,只有一个运动副起约束作用,一个低副。,2）. 两构件在几处接触而构成低副,3） 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各2个约束，相当一个低副。,一个平面高副,复合高副，相当一个低副,实例分析2：计算图示凸轮机构自由度,解：F=3n-2 pl ph =33 - 23-1=2,F=3n-2 pl ph - F =33 - 23-1-1=1,方法二：假想构件2和3焊成一体,F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1,二、 局部自由度,机构中某些构

10、件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F表示.,注意：计算机构自由度时, 应将局部自由度除去不计。,方法一：,指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实际上起重复约束作用的约束称为虚约束，用P表示。,三、 虚约束,注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。,将因虚约束而减少的自由度再加上。 即： F=3n-2 pl ph + P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 pl ph,去除虚约束的方法：,F=3n-2 pl ph =34 - 26-0=0,虚约束常出现的情况：

11、1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入1个虚约束;,正确计算： 将因虚约束而减少的自由度再加上。 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1,F=3n-2 pl ph =33 - 24-0=1,F=3n-2 pl ph =34 - 26-0=0,分析：E3和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束 正确计算：F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1,3. 某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。,2. 机构运动过程中, 某两构件上的两

12、点之间的距离始终保持不变, 将此两点以构件相联, 则将带入1个虚约束。,小结,复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副 两构件在几处接触而构成重复的低副：1个低副 两构件接触而构成公法线重合的高副：1个高副；否则1个低副, 正确计算运动副数,局部自由度,常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。 正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。, 虚约束,存在于特定的几何条件或结构条件下。 正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。,典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。,复合铰链：D包含2个转动副 局部自由度：F=2 虚约束：杆8

13、及转动副F、I引入1个虚约束:p=1 计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：,计算机构自由度典型例题分析,n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1,n=9 pl=11 ph=3 F=3n-2pl-ph+ p - F =1,典型例题二：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度， 如 有 复 合 铰 链、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束，需 明 确 指 出。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。,解：分析,计算机构自由度典型例题分析,典型例题二（续）,计算机构自由度典型例题分析,一、机构的组成原理,机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数,基本杆组：把机构中最后不能再拆分

14、的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,2-7 机构的组成原理及结构分析,1. 杆组,机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。,可以再拆成更简单的自由度为零的杆组,对于全低副的杆组： n个构件、pl个低副, 基本杆组的分类,根据n的取值基本杆组分为以下几种情况： （1）n=2, pl=3的双杆组：又叫级杆组 常见级杆组的形式为,n和pl为整数 n=2,4,6 PL=3，6，9,（2）n=4, pl=6的杆组，称为级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。 常见的三种形式为,（3）更高级别的杆组,机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的

15、新机构。,2. 机构的组成原理,动画演示,机构组成过程, 机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。,二、平面机构的结构分类, II级机构 指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。 III级机构 指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。 级机构 只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。 （杠杆机构、斜面机构）, 机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。, 结构分析目的,三、平面机构的结构分析,了解机构的组成，确定机构的级别。,把机构分解为基本杆组、机架和原动件。, 结

16、构分析的过程,拆杆组,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。, 杆组拆分原则, 机构结构分析步骤,典型例题1： 试确定图示机构级。,1、正确计算机构的自由度； 2、根据机构拆分原则进行拆分 3、最后定出机构的级别。,杆组拆分示例, 平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。 高副低代的条件： 代替前后机构的自由度不变； 代替前

17、后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,四 平面机构的高副低代,高副低代方法,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两转动副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,分析： 高副：提供1个约束 低副：提供2个约束,不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,高副两元素之一为直线,高副两元素之一为一点,因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。,因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；,动画演示,动画演示, 典型例题一：试确定图示高副机构的级别。,典型例题二：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度，并分析机构组成情况 。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。,解：1. 分析,2. 计算自由度,去除需约束和局部自由度后机构简图,3. 高副低代,平面机构的高副低代（续）,典型例题二（续）：,4. 结构分析,二级机构, 机构具有确定运动的条件,机构原动件数=机构自由度数,F=3