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1、第四章 平面机构的 结构分析,西安工业大学光电学院,第四章 平面机构的 结构分,参考书目,孙桓、傅则绍主编 机械原理，西北工业大学，高等教育出版社,参考书目孙桓、傅则绍主编 机械原理，西北工业大学，高等教,目 录,概述运动副及其分类平面机构的运动简图机构的自由度平面机构的组成原理和结构分析,目 录概述,机构：按一定方式联接的实现预期运动的最基本的构件组合体，用来传递运动和力或者改变运动形式。机构的组成要素：构件和运动副,41 概述,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,注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接(内燃机),机构必须
2、具有确定的运动,机构：按一定方式联接的实现预期运动的最基本的构件组合体，用来,运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。运动副要素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。,运动副元素不外乎为点、线、面。,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,42 运动副及其分类,运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。运,一、运动副的自由度与约束度,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数目（或确定构件位置的独立参变量的数目）。一个自由构件在空间具有6个自由度。,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
3、制。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：最多为5个。,一、运动副的自由度与约束度构件的自由度：指一个构件相对另,1.按运动副相对运动形式分,二、运动副类型,转动副,移动副,螺旋副,球面副,1.按运动副相对运动形式分 二、运动副类型转,.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;,.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。,.按运动副接触形式分 低副:两,三、运动链,运动链:指
4、两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。,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。,三、运动链运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统,四、机构,机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架,另外一个或或几个构件作独立运动时，其余构件随之作确定运动。,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。,原动件:机构中按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。,四、机构机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架,另外一,机构的示意图：指为了表明机构结构状况,不
5、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。,机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关,而与机构的形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的因素。,43 平面机构的运动简图,机构的示意图：指为了表明机构结构状况,不要求严格地按比例而,实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图不同；或不同机构的运动简图相同。,实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而,机构运动简图
6、中的常用符号：GB4460-84,机架,轴和杆状构件,机架和活动构件通过转动副联接,机构运动简图中的常用符号：GB4460-84机架轴和杆状构件,机架和活动构件通过移动副联接,两个活动构件联接,与机架相连的摆动滑块,机架和活动构件通过移动副联接两个活动构件联接与机架相连的摆动,同一构件,偏心轮,同一构件偏心轮AB12BA21,小型压力机,绘制机构运动简图的步骤与方法,小型压力机 1.分析整个机构的工作原理机构组成偏心轮1,2.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,2.沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确,3.选择适当的视图
7、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。,3.选择适当的视图平面 选,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,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,压力机,压力机,例题一：曲柄滑块机构,例题一：曲柄滑块机构,例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图,例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图,找出所有构件,找出所有运动副,转动副：,1-2 2-33-4 3
8、-56-1 4-1,机架1，偏心轮2，连杆3连架杆4，滑块5，杆件6,移动副：,5-6,找出所有构件找出所有运动副转动副：1-2 2-3机架,第二章平面机构的结构分析课件,一、机构的自由度,机构的自由度：是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的数目或组成该机构的运动链的位置相对于机架或参考构件所需的独立位置参数的数目，用F表示,44 平面机构的自由度,一、机构的自由度44 平面机构的自由度,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：引入1个约束,分析：,二、机构自由度的计算,平面机构自由度的计算公式,运动副的作用是约束构件自由度的，所以机构的自由度为活动构件在自由状态下自由度
9、总和减去由于运动副引入而限制的自由度,假设平面机构有n个活动构件：3n个自由度,引入 约束,平面机构的自由度计算公式：,有个 低副和 个高副：,平面自由构件：3个自由度分析：二、机构自由度的计算 平面机,自由度计算实例分析,F=3n-2 PL PH=34-25-0=2,F=3n-2 pL pK=33-24-0=1,四杆机构,五杆机构,自由度计算实例分析 F=3n-2 PL,三、机构具有确定运动的条件,问题：取运动链中某个构件为机架，即构成机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？,自由度小于等于零,刚性桁架,自由度大于零且独立运动数大于自由度,无法满足,自由度大于零且独立运动数小于自由度,三、
10、机构具有确定运动的条件 问题：取运动链中某个构件为机架,结论,机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于0且机构原动件数=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。,给定两个独立运动参数：机构有确定运动。,自由度大于零且独立运动数等于自由度,结论机构具有确定运动的条件为：五杆机构给定一个独立运,复合铰链,解：F=3n-2 pL pH=37-26-0=9,解：F=3n-2 pL pH=37-210-0=1,四 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)个注意：复合铰链只存在于转动副中。,复合
11、铰链 解：F=3n-2 pL pH解：F=3n-,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,局部自由度,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,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：,凸轮机构,解：F=3n-2 pL pHF=3n-2 pL pH,指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的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不起约束
12、作用的约束称为虚约束。,虚约束,注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。,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：,指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动,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：n=3 PL=4 PH=0 F=3n-(2PL+PH)=33-24=1,虚约束常出现的情况：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;,F=3n-2 pL pHF=3n-2 pL pH分析,两构件在几处接触而构成移动副且导
13、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,其它各处均为虚约束;,2.两构件在几处接触而构成运动副,n=3 PL=4 PH=0 F=3n-(2PL+PH)=33-24=1,两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。两个构,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。,有一处为虚约束,此两种情况没有虚约束a)图相当于转动副，b）图相当于移动副,n=2 PL=2 PH=1 F=3n-(2PL+PH)=32-22-1=1,3.若两构件在多处相接触构成平面高
14、副，且各接触点处的公法,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。,4.机构运动过程中,某两构件上的两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。,n=3 pL=4 pH=0 F=3n-(2pL+pH)=33-24=1,连接构件2和4上的E点和F点的构件5及转动副E和F即属此种情况，引入一个虚约束。,3和1绕同一个轴转动，计算机构自由度时，只考虑对称或重复部分中的一处，去掉2和2构件 n=3 pL=3 pH=2 F=3n-(2pL+pH)=33-23-2=1,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。,小结,存在于转动副处正确处理方法：
15、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。,小结存在于转动副处 复合铰链局部自由度常发生在为减小高,典型例题：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,计算机构自由度典型例题分析,F=3n-(2pL+pH)=38
16、-211-1=1,典型例题：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度，如 有,典型例题：,计算机构自由度典型例题分析,F=3n-(2pL+pH)=38-210-12-1=1,典型例题：计算机构自由度典型例题分析 F=3n-(2pL+p,典型例题,计算机构自由度典型例题分析,计算图示机构自由度。并判断机构是否具有确定运动。,F=3n-2 pL pH=37-29-1=2,典型例题计算机构自由度典型例题分析计算图示机构自由度。F,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
17、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；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,一、平面机构的高副低代,45 平面机构的组成原理和结构分析,平面机构中高副低代的目的一、平面机构的高副低代45,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，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,高副低代方法 结论：用一个含有两个低副的虚,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副；,高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点因其曲
18、率半径为零，其,二、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的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,1.杆组,机架和原动件与从动件组分开，运动副仍保留在杆组：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,二、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：基本杆组：把机构,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,对于全低副的杆组：基本杆组的分类 根据n的取值基本杆组,（2）n=4,pL=6的多杆组，又叫 级杆组 特征为杆组
19、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,（2）n=4,pL=6的多杆组，又叫 级杆组（3）更高级,机构组成原理：指任何机构都可以看做是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成的。,2.机构的组成原理,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。因为机构的级别越高，机构的运动和动力分析也越困难.,自由度为F的机构=F 个主动杆+1个自由度为0的机架+若干个自由度为0的基本杆组,机构组成原理：指任何机构都可以看做是由若干个,三、平面机构的结构分析,级机构 只由机架和原动件
20、组成的机构称为级的机构。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。,机构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。,结构分析目的,：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。,结构分析的过程：,拆杆组,三、平面机构的结构分析 级机构机构分类的依据：,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,1、除去虚约束和局部自由度，正确计算机构的自由度；2、
21、指定机构的主动件；3、将机构中的全部平面高副替换为低副；4、根据机构拆分原则进行拆分5、最后定出机构的级别。,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，,典型例题：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,典型例题：计算图示机构的自由度，并分析机构组成情况。画箭头的,4.结构分析,二级机构,3.高副低代,4.结构分析二级机构3.高副低代,典型例题：试计算图示冲压机构的自由度，并分析下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1）当以构件1为原动件时；（2）当以构件6为原动件时。,解：,典型例题：试计算图示冲压机构的自由度，并分析下列情况下组成机,（1）当以构件1为原动件时,级机构,（1）当以构件1为原动件时级机构,（2）当以构件6为原动件时,级机构,（2）当以构件6为原动件时级机构,
