第二章 平面机构的结构分析教材课件.ppt

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1、第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,参考文献,张策主编，机械原理与机械设计（上册），机械工业出版社，2004黄锡恺等，机械原理，高等教育出版社，1997其他机械原理的相关书籍,第二章 平面机构的结构分析,本章重点,构件、运动副、机构、自由度、约束等概念。机构具有确定运动的条件。平面机构自由度的计算。 注：本章只研究平面机构的结构分析。,第二章 平面机构的结构分析,主要内容,第一节 概述第二节 运动副及其分类第三节 平面机构的运动简图第四节 平面机构的自由度第五节 平面机构的组成原理和结构分析,第二章 平面机构的结构分析,机器、机构、构件和零件,机

2、器(machine)：是根据某种使用要求而设计的机械系统，可以完成有用的机械功(如改变工作物的外形及空间位置等)或转化机械能。分类机器具有以下几个共同特征：（1）机器是构件组合体；（2）构件之间都具有确定的相对运动；（3）能完成有用的机械功或转换机械能。,内燃机,飞机发动机,牛头刨床,第一节 概述,第二章 平面机构的结构分析,机器大致分为以下两大类,工作机 利用机械能来完成有用功的机器。如各种机床、轧钢机、纺织机、印刷机、包装机、仪表.等。 原动机 利用化学能、电能、水力、风力、. 等能量转换为机械能的机器。如内燃机、电动机、涡轮机、.等。,第二章 平面机构的结构分析,机构是传递运动和力或者导

3、引构件上的点按给定轨迹运动(改变运动形式）的机械装置。它具有机器的前两个特征。常见的机构有齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。机构则是机器的运动部分，机构在机器中仅仅起着运动与力传递和运动形式转换的作用。机构具有确定的运动。,仪表机构,机械手腕,内燃机,机器和机构,第二章 平面机构的结构分析,各种机构,平面连杆机构 齿轮机构 轮系 不完全齿轮 棘轮机构 组合机构,机器人机构 凸轮机构螺旋机构 空间连杆机构 槽轮机构 不完全摆线针轮,其他：1 2 34 5 6 7 8,第二章 平面机构的结构分析,构件（link）和零件（part）,组成机构的每一个独立运动单元体称为构件。机器中的构件可以是单一的零件

4、(如齿轮)，也可以由若干个零件刚性连接而成(如连杆，它是由连杆体、连杆头、螺栓屈母及垫圈等零件装配成的刚性体)。构件是机器中运动的最小单元。构件和零件Part是两个不同的概念，构件是运动单元，而零件是制造单元。机构是两个以上的构件相互可动联接的构件系统。各构件间必须具有确定的相对运动。即机构具有确定的运动。,内燃机,独立的运动单元,独立的制造单元,运动副,曲柄滑块机构,第二章 平面机构的结构分析,由四个杆件组成的装置，当以杆件1为原动件，并做给定的独立运动，杆件2，3随之作确定的运动。该四个杆件组成一个机构。,原动件或输入构件 从动件、输出构件或执行构件,第二章 平面机构的结构分析,由五个杆件

5、组成的装置，当以杆件1为原动件，并作给定的独立运动，杆件2，3，4的运动不确定。此种情况下，该五个杆件的组合不能称为机构。,第二章 平面机构的结构分析,研究机构的目的探讨机构运动的可能性及具有确定运动的条件；将机构进行分类，并建立相应的运动和动力分析的一般方法；正确绘制机构运动简图；熟悉构件组成机构的规律，了解机构的组成原理。,第二章 平面机构的结构分析,典型机器分析1. 单缸四冲程内燃机,内燃机,3进气阀、,1气缸体、,2活塞、,9小齿轮、,6曲轴、,5连杆、,4排气阀、,8气门挺杆、,10大齿轮、,7凸轮、,主要构成,第二章 平面机构的结构分析,典型机器分析1. 单缸四冲程内燃机,工作原理

6、1. 活塞下行，进气阀开启，排气阀关闭，混合气体进入气缸；2. 活塞上行，进、排气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3. 高压燃烧气体推动活塞下行；4. 活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。,进气,压缩,爆炸,排气,FLASH动画,第二章 平面机构的结构分析,缸体,活塞,连杆,曲轴,曲柄滑块机构,齿轮系,凸轮机构,第二章 平面机构的结构分析,内燃机的机构组成曲柄滑块机构(Slider-crank mechanism),凸轮机构(Cam mechanism),齿轮机构(Gears),实现移动与转动之间的运动转换,启闭进气阀、排气阀。,保证进气阀、排气阀和活塞之间的协调动作。,机构具有确

7、定的运动。,第二章 平面机构的结构分析,零件连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4和5、螺杆6、螺母7、开口销8,构件连杆,第二章 平面机构的结构分析,仪表机构,平面连杆机构,第二章 平面机构的结构分析,第二节 运动副及其分类,运动副：机构中使两构件直接接触，并能产生一定相对运动的联接。,转动副（点或者面接触）,齿轮副（点或者线接触）,移动副（面接触）,第二章 平面机构的结构分析,运动副要素 构成运动副的点、线、面。 运动副要素的几何形状决定了两构件的相对运动形式。运动副分类 根据相对运动是平面的还是空间的，可分为平面（ Planar ）运动副和空间（ Spatial ）运动副。 本书主要讨论平面

8、运动副。,空间运动副：螺旋副,第二章 平面机构的结构分析,自由度 构件所具有的独立运动数目。约束 运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制. 例如：1 2 3,第二章 平面机构的结构分析,一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度(Degree of freedom, Mobility)为sx，sy，sz，x，y，z ，即自由度数 f 6。,平面运动刚体的自由度为sx，sy，z，即自由度数 f 3。,刚体的自由度,第二章 平面机构的结构分析,约束:观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pair)：空间副,两构件保留的相对运动sz和z，即自由度数 f 2。两构件之间受限制的相对运动

9、sx，sy ，x和y，即约束数 s 4。,思考：若上题为平面副，自由度为多少？,第二章 平面机构的结构分析,平面运动副的分类：低副：两构件之间以面接触的运动副。 转动副 移动副 具有两个约束。高副：两构件之间以点或线接触的运动副。 具有一个约束。平面运动副的约束数为1 s 2。,运动链、机构,思考：平面副的约束数能大于2么？,第二章 平面机构的结构分析,平面运动副的约束,平面运动副无非是三种形式：（1）约束两个相对移动而保留相对转动（2个约束）转动副 （2）约束一个相对转动和一个相对移动而保留一个相对移动；（2个约束）移动副（3）约束一个相对移动而保留一个相对转动和一个相对移动。（1个约束）齿

10、轮副其它是不可能的：例如：约束一个相对转动而保留两个独立相对移动的运动副是不可能存在的。,第二章 平面机构的结构分析,平面低副,转动副（曲面接触）,移动副（平面接触）,第二章 平面机构的结构分析,平面高副,凸轮高副（点接触）,齿轮高副（线接触）,第二章 平面机构的结构分析,第三节 平面机构的运动简图,机构运动简图 表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形（用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副间的相对位置）。 不按比例绘制的简图称为机构示意图。 注意：机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性！,第二章 平面机构的结构分析,机构运动简图的绘制分析机械的结构和工作原理，沿着

11、运动传递路线，找出原动件、从动件及机架。确定构件数，运动副的数目、类型和相对位置。选择构件的运动平面作为简图的投影面。选择适当的长度比例尺，确定运动副的位置，并用构件和运动副的符号绘出机构的运动简图。,第二章 平面机构的结构分析,常用平面运动副表示法GB4460/T-1984,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,例：油泵机构 1圆盘 2柱塞 3 摇块 4机架,A,B,C,1,2,3,例题二,例题三,例题一,4,Flash 1,Flash 2,注意比例关系！,第二章 平面机构的结构分析,例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图,第二章 平面机构的结构分析,例题二：绘制图示偏心

12、轮传动机构的运动简图,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,例题三：图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘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。,第二章 平面机构的结构分析,第四节 平面机构的自由度,运动链若干个构件通过运动副联接而成的相对可动的系统。闭式链 每个构件至少两个运动副； 首末封闭的系统开式链 有的构件只包含一个运动副； 未构成首末封闭的系统 相对不可动 桁架！,第二章 平面机构的结构分析

13、,机构机架：固定构件；一般相对地面固定不动。原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件（一个或几个）；常以转向箭头表示。从动件：其余活动构件；其运动规律取决于原动件的运动规律、机构结构和构件尺寸。,返回,第二章 平面机构的结构分析,运动链成为机构的条件,机构,第二章 平面机构的结构分析,机构自由度 机构中各构件相对于机架的所具有的独立运动的数目。它与构件总数、运动副类型和数量有关。 以铰链四杆机构为例。 故机构自由度为活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差： F=3n-2PL-PH,第二章 平面机构的结构分析,机构具有确定运动的条件 观察： 1）自由度等于1，铰链四杆机构 2）自由度等于

14、2，铰链五杆机构 3）自由度小于等于0，桁架 结论： 当F0时，构件间不可能有相对运动。 当F0时，原动件数F，机构遭破坏； 原动件数F，机构运动不确定； 原动件数F，机构有确定的运动。 举例：牛头刨床,第二章 平面机构的结构分析,计算机构自由度时应注意的事项？ 复合铰链 同一轴线上有两个以上的构件用转动副联接时，则形成复合铰链。局部自由度 有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。这些局部运动的自由度称为局部自由度。虚约束 机构中，有些运动副引入的约束可能与其它运动副的约束重复，因而实际并无约束作用，这类约束为虚约束。,第二章 平面机构的结构分析,计算机构自由度应注意的事

15、项小结,存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副, 复合铰链,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。,第二章 平面机构的结构分析,例题：计算图示机构的自由度。 n=3 PL=4 PH=0 F=33-24-0=1,1,2,3,4,虚约束,例题1,例题2,例题3,第二章 平面机构的结构分析,3,4,取构件4为机架,与构件1铰接形成转动副引入两个约束，构件2相对于机架4独立运动数为1，F=（3-2）

16、（3-2）。,引入构件1（x1，y1，1）,引入构件2（x2，y2，2）,与机架4铰接形成转动副引入两个约束，构件1相对于机架4的独立运动数只剩一个1 。则F=3-2。,同理引入构件3，与构件2铰接形成转动副引入两个约束，构件3相对于机架4的独立运动数为1，F=(3-2)+(3-2)+(3-2)。,最后构件3与机架4铰接形成转动副再引入两个约束，此时机构的F=(3-2)+(3-2)+(3-2)-21。,第二章 平面机构的结构分析,铰链四杆机构,F=1，对于构件1的每一个转动位置，构件2，3便有一个确定位置，因此自由度等于1的机构，有一个原动件时运动是确定的。,若同时让构件3也为原动件，即让构件

17、3在由构件1确定位置后还可以作独立运动，这是无法实现的，若强迫构件3独立运动，机构将被损坏。,第二章 平面机构的结构分析,铰链五杆机构,若只以构件1为原动件，则对于构件1的每一个独立运动，构件2，3，4的运动位置不确定。,若取构件1和4为原动件，可知对于每一组(1, 2),构件2，3便有一个确定的相应位置，即机构的运动是确定的。,F=3n-2PL-PH342502,第二章 平面机构的结构分析,1）自由度F=0，此为静定桁架，各构件皆不能产生相对运动。2）自由度F=-1，此为超静定桁架，所受约束过多。,n=2, Pl=3, Ph=0 F=3n2PlPh=3*2-2*3=0,n=3, Pl=5,

18、Ph=0 F=3n2PlPh=3*3-2*5=-1,第二章 平面机构的结构分析,图示为一牛头刨床初步设计方案。动力由齿轮1输入，通过齿轮机构1、2，导杆机构3、4，使滑枕5前后运动，达到刨削目的。试分析其是否能实现设计意图。,第二章 平面机构的结构分析,解：作出机构运动简图。n=5, PL=7, PH =1, 机构自由度 F=35-27-1=0 说明如此设计该机构不能动。因为构件3与构件5的铰接点c不能同时实现沿水平方向的直线运动和绕A点的圆弧运动。,第二章 平面机构的结构分析,n=6,PL =8, PH =1, F=36-28-1=1,6,6,6,第二章 平面机构的结构分析,n=5, PL

19、=6, PH=2, F=35-26-2=1,第二章 平面机构的结构分析,？,第二章 平面机构的结构分析,由m 个构件组成的复合铰链，共有(m -1)个转动副。,注意：复合铰链只存在于转动副中！,第二章 平面机构的结构分析,计算机构自由度时，将局部自由度除去不计。图示滚子从动件凸轮机构，除去局部自由度后 n=2,PL =2,PH =1, F=32-22-1=1,第二章 平面机构的结构分析,在计算机构自由度时，应将引入虚约束的运动副和构件除去不计。 虚约束发生的几种情况： 1）连接构件和被连接构件上连接点（在连接前后）的轨迹重合 2 2）当不同构件上两点间的距离保持恒定时，在两点间加上的一个构件和

20、两个转动副，引入的约束为虚约束。,第二章 平面机构的结构分析,3）当两构件构成多个移动副而其导路又互相平行；或两构件构成多个转动副而其轴线互相重合时，则只有一个移动副或转动副起作用，其余的都视为虚约束。即两构件在几处接触而构成一个运动副。,第二章 平面机构的结构分析,n=3Pl=4 PH=0 F=3n-(2Pl+PH) =33-24=1,两构件在多处接触而构成运动副,两构件在多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,其它各处均为虚约束;只按一个计算！,第二章 平面机构的结构分析,4）机构中对运动不起作用的对称部分会出现虚约束。,行星轮系,第二章 平面机构的结构分析,用

21、于连接构件2和3的转动副C即属此种情况。因为C2（滑块）和C3（铰链）在未连接前的轨迹都沿Y轴。此时转动副C将引入一个虚约束。计算时去掉构件3和转动副C以及3和机架移动副。,F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0,正确计算：不计引起虚约束的附加构件和运动副数F=33 - 24-0=1,第二章 平面机构的结构分析,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：n=3PL=4PH=0 F=3n-(2PL+PH)=33-24=1,联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合,第二章 平面机构

22、的结构分析,两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变,未去掉虚约束时F3n2pLpH34260,附加的构件5和其两端的转动副E、F提供的自由度F3122 1即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F3n2pLpH33241,?,第二章 平面机构的结构分析,例一：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。,解法1：,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,解法2：复合铰链：D包含2个转动副(杆4和7)局部

23、自由度：F=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：,n=6 pL=7 pH=3 F=3n-2pL-pH=1,第二章 平面机构的结构分析,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。,复合铰链,局部自由度,1个虚约束,复合铰链,第二章 平面机构的结构分析,例题三：计算图示机构自由度。,分析：该机构具有5个活动构件，有7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为,F=3n-2 pL pH =35 - 27-0=1,第二章 平面机构的结构分析,第五节 平面机构的组成原理和结构分析,平面机构的高副低代

24、 为了便于对含有高副的平面机构进行分析，将机构中的高副根据一定的条件用一种虚拟的低副和构件的适当组合来代替。高副低代的替代条件 替代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变。,第二章 平面机构的结构分析,高副低代的方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副元素接触点处的曲率中心。FL1,高副两元素均为圆弧,n,n,4,第二章 平面机构的结构分析,接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心 K1、K2，用铰链四杆机构O1K1K2O2来瞬时代替原高副机构。FL2,高副元素为非圆曲线,第二章 平面机构的结构分析,当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，该转

25、动副演化为移动副。 FL3,第二章 平面机构的结构分析,当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副就在该点处。 FL4,第二章 平面机构的结构分析,平面机构的组成原理,机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。,第二章 平面机构的结构分析,当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下的从动件组为：,这个从动件组的自由度为零，即： n = 4, Pl = 6 F = 3n2Pl = 3*4-2*6 = 0 这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。,第二章 平面机构的结构分析,n=2, Pl=3 F=3n2Pl=3*2-2*3=0,n=2, Pl=3 F=3n2Pl=3*2

26、-2*3=0,n=4, Pl=6 F=3n2Pl=3*4-2*6=0,第二章 平面机构的结构分析,这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。通常把这样的从动件组称为：基本杆组。FL1不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为组成机构的基本杆组。机构的组成原理 任何机构都可以看做是有若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成。,自由度为F的机构=F 个原动杆+1个自由度为0的机架 +若干个自由度为0的基本杆组,第二章 平面机构的结构分析,杆组类型 若基本杆组的构件数为n，低副数为PL 由F3n2PL0，得3n2PL 故 n 2 4 6 PL 3 6 9 ,级杆组,级杆组,机

27、构的级别取决于其所含基本杆组中的最高级别 如级机构,由于活动构件数n和低副数Pl都必须是整数，所以 n应是 2的倍数， Pl应是 3的倍数。,第二章 平面机构的结构分析,内接运动副,外接运动副,R-R-R组,R-R-P组,R-P-R组,P-R-P组,R-P-P组,n=2，pL=3的双杆组(II级组),第二章 平面机构的结构分析,结构特点 有一个三副构件，而每个内副所联接的分支构件是两副构件(外副)。FL2(内副和外副),n=4，pL=6的双杆组(III级组),第二章 平面机构的结构分析,八杆机构的组成,第二章 平面机构的结构分析,注意：杆组的全部外接运动副（5、7、8）不能都并接到一个构件上，

28、因为这种并接会使杆组与被并接件形成桁架，如图所示，起不到增加杆组的作用。,第二章 平面机构的结构分析,平面机构的结构分析 将已知的机构分解为原动件、机架和基本杆组，并确定机构的级别。机构分析的目的 了解机构的组成，确定机构的级别。机构分析的过程 把机构分解为基本杆组、机架和原动件。,第二章 平面机构的结构分析,机构结构分析步骤： 1）计算自由度，确定原动件。 2）除去虚约束和局部自由度，进行高副低代。 3）从远离原动件的构件开始，先试拆级杆组，如不行再试拆级杆组。当拆去一个杆组后，按上述顺序重复进行，直到只剩下机架和原动件为止。 4）确定机构的级别。 注意：1、杆组的增减不应改变机构的自由度。

29、 2、每一个构件和运动副不能重复出现在两个杆组中,举例,第二章 平面机构的结构分析,试对图示机构进行结构分析。Flash,第二章 平面机构的结构分析,高副低代,第二章 平面机构的结构分析,拆级杆组,第二章 平面机构的结构分析,A,拆级杆组,第二章 平面机构的结构分析,拆级杆组,原动件与机架,此机构为级机构,第二章 平面机构的结构分析,机构自由度计算中有关虚约束的识别。首先要正确掌握虚约束的概念。 两个构件形成运动副将引入约束，会对构件的自由度产生限制。如果引入的约束所限制的自由度，已被其它约束限制，则该约束就是虚约束。掌握机构中虚约束常出现的几种情况。 当两个构件形成多个移动副，导路又互相平行，或两构件构成多个转动副。而轴线互相重合时，将出现虚约束的情况。要注意是两个构件形成的。,本章难点,