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1、第2章 机构的结构分析,2-1 机构结构分析的内容及目的,2-2 机构的组成,2-3 机构运动简图,2-4 机构具有确定运动的条件,2-5 机构自由度的计算,2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项,2-8 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,2-9 高副低代,2-1 机构结构分析的内容及目的,主要内容和目的,1、机构的组成，运动简图的画法,2、机构具有确定运动的条件,3、机构的组成原理及结构分类,2-2 机构的组成,刚性连接在一起的零件共同组成的一个独立的运动单元,1 构件,连杆,*构成机构的基本要素 构件 运动副,2 运动副两构件直接接触而组成的可动联接,运动副元素两个构件参与接触而构
2、成运动副的点、线、面部分,按所受的约束数分,级副（一个约束）,级副（两个约束）,级副（三个约束）,3 运动副的分类,按相对运动形式分,移动副,转动副,按相对运动平面分,平面运动副,空间运动副,按接触情况分,高副接触运动副,低副接触运动副,平面低副,平面低副,运动副分类：,按运动副引入的约束数分类 I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副 按两构件相对运动的形式分类 平面运动副 转动副 空间运动副 移动副 按运动副的接触形式分类 低副面与面接触的运动副 高副点、线接触的运动副,由两个以上构件通过运动副联接而成的构件系统运动链,4 运动链,各构件首尾封闭的运动链,各构件首尾不封闭的运动链,在
3、运动链中，将某一个构件为机架，另一个或若干个构件按给定运动规律相对于机架运动，若其余构件都具有确定的相对运动，则该运动链为机构。,机构,2-3 机构运动简图,1.常用机构、运动副及构件的简图符号,圆柱外齿轮机构,圆柱内齿轮机构,带传动,齿轮齿条机构,盘形凸轮机构,电动机,通用符号（不指明类型）,电动机（一般符号）,装在支架上的电动机,常见平面 运动副的简图符号,常见构件的简图符号,注：点划线表示与其联接的其它构件,三副构件(一个构件和三个外副),2.机构示意图,内燃机,用构件和运动副代表符号表示的，只反映机构结构状况、各构件相对运动情况，不要求严格按比例画的简图,A,1,3,4,C,D,颚式破
4、碎机,3.机构运动简图,用构件和运动副代表符号表示的、严格按比例画的、说明机构中各构件之间的相对运动关系的简化图形,B,机构运动简图绘制的方法与步骤：,1.确定构件数目及原动件、输出构件；,2.根据各构件间的相对运动确定运动副的种类和数目；,3.选定比例尺，按规定符号绘制运动简图；,4.标明机架、原动件和作图比例尺；,5.验算自由度。,用规定简单符号和线条代表运动副和构件，并按比例表达机构的运动尺寸，绘制出的表示机构运动的简明图形称为机构运动简图,机构运动简图的绘制,机构运动简图,机构运动简图的绘制,直推式举升机构,机构运动简图,机构运动简图的绘制,直推式举升机构,连杆式倾卸机构,连杆式倾卸机
5、构,内燃机机构,2-4 机构具有确定运动的条件,机构(运动链)具有确定相对运动的条件：,机构原动件的数目应等于机构自由度的数目,机构(运动链)具有确定相对运动的定义：,当机构的原动件按给定的原动规律运动时，该机构中其余构件的运动随之完全确定。,原动件的数目,机构自由度数,机构自由度数,各构件具有确定相对运动,运动干涉,机构(运动链)具有确定相对运动的条件：,机构原动件的数目应等于机构自由度的数目,机构自由度数,各构件无确定运动（乱动）,应有两个起始构件,2-5 机构自由度的计算,1 平面机构自由度的计算,2）运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度,转动副引入2个约束,移动副引入2个约束,
6、高副引入1个约束,构件2，1只有绕o 点的相对转动。,构件2、1只有沿x 轴的相对移动。,构件1有沿x 轴的移动和绕o 点的转动。,2-5 机构自由度的计算,结论:,由此得出平面自由度计算公式,机构的自由度：,机构自由度计算,三杆结构,四杆机构,（桁架结构）,桁架结构：不能产生相对运动的构件组合。,例：,F3n2PL PH,3324 0,1,F3n2PLPH,32-22-1,1,例：判断破碎机是否有确定运动。,F=3n-2pL-pH,n=5;pL=7;pH=0;,F=35-27-0=1.F=原动件数，故有确定运动。,例：判断破碎机是否有确定运动。,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A
7、,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,D,A,F,C,B,E,2,3,4,5,五杆机构,F 3n2PLPH 3 4 2 5 0 2,F3n2PLPH,33-25-0,1,约束过多，为超静定桁架,F0 为桁
8、架,PL=4,PH=1,F=0,n=3,例,故该运动链不能成为机构,F 3n2PLPH 3 3 2 4 1 0,F3n2PLPH,F 3n2PLPH 3 5 2 6 0 3,错,F 3n2PLPH 3 5 2 7 0 1,对,因此，在自由度计算中还要注意某些问题,34-25-1,1,2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项,F=3n-2PL-PH=35-27-0=1,F=3n-2PL-PH=35-26-0=3,例 圆盘锯机构,F3n2PLPH 37260 9,F3n2PLPH 372100 1,?,A,B,C,D处为复合铰链,F3n2PLPH 35270 1,2.局部自由度,F3n2PLPH
9、322 21=1,所谓局部自由度：是指机构中某些构件所具有的不影响其他构件运动的自由度,F3n2PLPH 332 31=2,3.虚约束,-不产生实际约束效果的重复约束,在特定的条件下，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。,虚约束经常出现在以下几种情况中：,（2）两构件构成转动副，转动轴线重合,虚约束,（3）两构件在多处构成高副，各接触点的公法线重合或平行,两处高副（相当于一个移动低副）,一处高副,虚约束,新增的杆EF为虚约束,F3n2PLPH 33240 1,处理方法：去掉联结两点的构件及运动副,F=3n 2PL PH=33
10、24=1,(5）用运动副连接的是两构件上轨迹重合的点,处理方法：将被联结构件及形成的运动副除去,行星轮系,3,（6）机构中对运动不起作用的对称部分,F3n2PLPH 33-23-2 1,在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束,计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算,同理，若将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样,处理方法：去掉对称部分,虚约束的作用改善受力增加刚度避免卡死,较高制造与安装精度,小结：,自由度计算步骤:,1.确定活动构件数目,2.确定运动副种类和数目,3.确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链,4.计算、验证自由度,几种特殊结构的处理:,1、复合铰链计算在内,2、局部自由
11、度排除,3、虚约束排除,F3n2PLPH,362 81,37291,2,F3n2PLPH,1,局部自由度,虚约束,1,机构具有确定运动,因为原动件数等于机构自由度数F。,解：该机构全由移动副组成，其自由度计算公式为：,例7计算图示机构的自由度，并指出存在的复合铰链、局部自由度和虚约束处。并说明该机构是否具有确定的运动。,解：1，两处虚约束：凸轮处和导轨E、F处；一处复合铰链 A 处。,2，该机构没有确定运动。成为机构的 条件：应有两个起始构件,2,D处为局部自由度，E、F处 有一处为虚约束；,3,应有一个起始构件,解:1,2,该机构不能动，修改方案如下：,题图,思考：如果计算出的机构自由度 F
12、=1 应增加一个什么样的构件？,小结：如果计算出的机构自由度 F=0,？,应增加一个带有一个低副的构件。,例10 计算机构的自由度（若有虚约束、局部自由度和复合铰链须 指出），分析该该机构是否具有确定运动。并提出改进措施。,解：1）计算自由度,2）改进措施,该题见教材2-12,例11 计算下列机构的自由度,5,课堂练习题,2-8 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,1.平面机构的组成原理,任何机构都可以看成是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而成的，这就是机构的组成原理,基本杆组一个机构被拆除基本机构后，所剩下的、不能再继续拆分的自由度为零的杆组,基本机构最简单的机构，即由一个原动件和
13、相对固定的机架所组成的机构。,一般机构=基本机构+若干个基本杆组,=,F=3n2PLPH=33 2 4 0=1,F=3n2PLPH=31 2 10=1,典型示例,+,F=3n2PLPH=32 2 30=0,基本机构,基本杆组,基本杆组分类,级杆组的特征具有三个低副的两杆件组合,级杆组的特征具有六个低副的四杆件组合,常见的级杆组,.平面机构的结构分类,级组特征：(1)四杆六低副；(2)具有一个自身带有三个外端低副的中心构件；,常见的级杆组,2,3,*级组并不是由两个II级组构成的！,n=4；pL=6,是级组吗？,1,4,2,3,2,4,3,不是III级组，而是由两个级组构成的运动链。,机构的级别
14、取决于机构中的基本杆组的最高级别,另一种说法：机构的级别与机构中最高级别基本杆组的级别一致,3.平面机构的结构分析,结构分析的目的,1）了解机构的组成,2）确定机构的级别,3）为机构受力分析提供简化方法,2）从离原动件最远的杆组折起,3）先试拆级杆组，不成再考虑按级组拆,典型例题,分析机构的过程：,1）先将机架、原动件与其它构件分离,例7 分别以构件2、4、8为原动件，确定机构的杆组及机构的级别。,a),注意：已拆过的杆和运动副不能重复再拆,解:以2为原动件,题图,b),解:以4为原动件,c),解:以8为原动件,例8 计算机构的自由度，并确定机构的杆组及机构的级别。,2.拆分杆组,该机构为三级
15、机构,2-9 平面机构中的高副低代,高副低代的目的,高副低代必须满足的条件,便于机构的组成分析,便于机构的运动分析,替代前后机构的自由度不变,替代前后机构的瞬时速度、瞬时加速度不变,具体替代的方法,1.两高副运动副元素为圆弧（或曲线）新增杆件是两圆弧（或曲线）几何中心连线表示的杆。两低副为转动副，其位置在两弧（或曲线）几何中心。,示意图,4,2.机构中高副两元素为非圆弧曲线,1,2,4,3.高副两元素之一为直线直线的曲率中心在过接触点所作公法线方向的无穷远处，用一个移动副代替,4,1,4.高副两元素之一为一个点，新增构件用接触点和过接触点曲线的曲率中心连线来表示。,K2,4,1,例9 计算下列机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别。,4,2.高副低代,3.判断机构的级别,该机构为二级机构,对有局部自由度的机构进行高副低代时，先不剔除局部自由度,例10 计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别。,解：1.计算机构自由度,2.高副低代,3.判断机构的级别,例11 计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别。,（c）,解：1,2 高副低代；,3 杆组拆分如（c）图所示,该机构为3级机构，,（a）,（b）,
