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1、第2章 机构的结构分析,本章教学内容,2.1 机构结构分析的任务与目的2.2 机构的组成2.3 机构运动简图2.4 机构自由度的计算及机械具有确定运动的条件2.5 计算平面机构自由度的特殊情况2.6 机构的组成原理和结构分析,本章基本要求,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；能对机构进行结构分析。,本章重点及难点,重点：机构运动简图的绘制、机构具有确定运动的条件及机构自由度的计算。难点：机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理。,2.1 机构结构分析的任务与目的,本章主要解决以下问题：1、研究机构的组成要素及机构的符号表示方法。2、研究机构的可动性以
2、及具有确定运动的条件。3、研究机构的组成原理。4、研究机构的结构分类。,从制造加工角度看：机械由零件组成。零件制造单元体。从运动和功能实现角度看：并不是每个零件都独立起作用。构件独立影响机械功能并能独立运动的单元体。,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连接。,1、构件,机 构：是具有确定运动的实物组合体。,2、运动副 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的连接。运动副元素：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。,（1）按运动副产生的约束数分类：,X级运动副：指产生X个约束的运动副。,级副、级副、级副、级副、级副。,级
3、副,级副,运动副分类,（2）按运动副的接触形式分类,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;,凸轮高副,齿轮高副,（3）按两构件相对运动的形式分类,平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。转动副：两构件之间作相对转动的运动副。移动副：两构件之间作相对移动的运动副,转动副,移动副,（4）按运动副元素始终保持接触的方式分类,可分为几何形状封闭运动副和力封闭运动副。前者是指一个构件上的凹曲面包容另一个构件上的凸曲面（如气缸包容活塞）。后者是指靠重力、弹簧力、气液压力等外力来维持两构件的接触
4、（如依靠弹簧力来维持顶杆与凸轮始终保持接触）。,也可按接触部分的几何形状分类：,根据组成运动副的两构件在接触部分的几何形状，可分为：圆柱副、平面副、螺旋副、球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副等等。,螺旋副,球面副,3、运动链,运动链：指两个以上的构件通过运动副连接而构成的系统。,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。,4、机 构,机构：在运动链中将一构件加以固定,而其余构件都具有确定的运动，则运动链便成为机构。,机架：机构中固定不动的构件。,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。,平面机构:机构中各构件间的
5、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。,2.3 机构运动简图,机构运动简图,机构运动简图：指根据机构的运动尺寸,按一定的比例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。,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。与具体结构、外形、断面尺寸、零件数目及固联方式等无关。,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绘制的简图。,机构示意图,常用运动副和构件的表示方法,常用运动副的符号,常用运动副的符号（续）,一般构件的表示方法,常用机构运动简图符号,(1)分
6、析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定其组成的各构件，何为原动件、机架、执行部分和传动部分。,绘制机构运动简图的步骤,(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目。,(3)恰当地选择运动简图的视图平面。并确定一个瞬时的机构位置，尽量选择各构件不相互重叠的机构位置。必要时还可补充辅助视图。,(4)选择适当的绘图比例，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。比例系数1=实际尺寸(m)/图示长度(mm)。（注意此处与机械制图不同）。,(5)从原动件开始，按传动顺序标出各构件的编号，在原动件上标出箭
7、头以表示其运动方向。,(6)检验机构是否满足运动确定的条件。,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,绘制机构运动简图的实例,例题二：偏心轮机构运动简图的绘制,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。,冲床动画,先分析,后绘制简图,绘制简图时需注意的问题：(1)绘制运动副时，应特别注意运动副位置的确定，如转动副的中心位置，移动副的导路位置和方向。(2)绘制构件时，要注意用最简单的线条和规
8、定的符号表达构件的形状：当同一轴上安装若干个零件时，同一构件应用焊接符号表达，当不便以焊接符号表达时，则以同样的构件编号，并在编号的右上角加不同的撇号以示区别，如2、2。,自由度,（1）自由度与约束,2.4 机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件,1、机构自由度的计算,指确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需的独立参变量的数目。即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。一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。,约 束：指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。平面运动副引入的约束数
9、最多为3个。空间运动副引入的约束数最多为5个。在平面机构中，每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束。,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：引入1个约束,平面机构的自由度计算公式为：F=3n-(2 pl+ph)=3n-2 pl-ph,引入(2 Pl+Ph)约束,（2）平面机构的自由度计算公式,如果F=0，表明该运动链中各构件之间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构；如果F小于0，表明该运动链约束过多，已成为超静定桁架了，也不能成为机构。如果F大于零，则需要进一步判断该运动链是否具有确定运动
10、。,2、机构具有确定运动的条件,如果给出的原动件数不等于机构自由度数，结果将会怎样？请看下图。,不具有确定的相对运动,杆2被拉断,不可以产生相对运动,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？,结 论,机构具有确定运动的条件为：自由度大于零，机构原动件数等于机构自由度数。,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。,自由度计算实例分析,F=3n-
11、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=1,2.5 计算平面自由的特殊情况,两个以上构件同在一处以转动副相连接即构成复合铰链。m个构件以复合铰链连接所构成的转动副数为(m-1)个。,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
12、-1=1,2、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：,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作用的约束称为虚约束，用P表示。,3、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-
13、0=0,虚约束常出现的情况：(1）两构件构成转动副前、后运动轨迹重合。,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,椭圆仪机构,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,机车车轮驱动机构,两构件上两点之间的距离恒定，不随机构运动变化，当用一个构件通过转动副连接该两点时，会引入一个虚约束。,图中E、F两点，不管
14、是否引入构件5，它们之间的距离始终不变。,（3）两构件构成多个转动副，且所有转动副的轴线重合。,P31图2-15所示曲轴与箱体之间有多个转动副，但带来的约束作用效果是等同的，只要计算一次即可。不能重复计数。,只有一个运动副起约束作用，其它各处均为虚约束。,(4)两构件之间构成多个移动副，且所有移动副的导路平行或重合。,(5)两构件在多处接触构成平面高副，且接触点处的公法线方向彼此重合。,有一处为虚约束,若公法线方向不重合，将提供各2个约束。即约束起作用而变成了真实约束。,以上两种情况都没有虚约束。左图会产生两个移动约束，而只剩下一个转动自由度。右图产生一个移动和一个转动约束，剩下一个移动自由度
15、。,(6)机构中存在对运动起重复约束作用的对称结构。即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。,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。,计算机构自由度应注意的事项小结,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。,解法2：复合铰链：D包含2个转动副局部自由度：F=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1
16、个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：,动画演示,解法1：,计算机构自由度典型例题分析,n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1,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。,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。,1.4 机构的组成原理和结构分析,高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构中的高副虚拟地用低副来代替的方法。,一、平面机构的高副低代,在平面高副中，一个高副的约束数为1，一个运动构件的自由度为3，两个低副的约束数为4，所以将
17、这一构件带两个低副加入到机构中，其所引入的约束数为1，正好与原副相同。,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。,高副低代方法,动画演示,分析：高副：提供1个约束低副：提供2个约束,高副两元素均为圆弧,不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？,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。,高副元素为非圆曲线,动画演示,高副两元素之一为一点,动画演示,因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。,高副两元素之一为直线,动画演示,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；,二、机构的组成原理,
18、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：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,常见级杆组的形式有,n和pl为整数n=2,4,6,（2）n=4,pl=6的多杆组，又叫 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连接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原
19、动件数相等的新机构。,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。,三、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。,结构分析的过程,拆杆组,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级杆组，若不成功，再拆III级杆组，每拆出一个杆组后，机构的剩
20、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,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。,杆组拆分示例,机构结构分析步骤,典型例题1：试确定图示机构级别。,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。,典型例题2：试确定图示高副机构的级别。,典型例题3：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,（4）结构分析,级机构,运动链成为机构的条件,自由度大于零，机构原动件数等于机构自由
21、度数,F=3n-(2 pl+ph)=3n-2 pl-ph,2.5 计算平面机构自由度的特殊情况,复合铰链、局部自由度、虚约束,2.4 机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件,2.2 机构的组成,2.3 机构运动简图,构件、运动副、运动链、机构,本章小结,2.1 机构结构分析的任务与目的,机构的组成原理把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。,机构的结构分析,注意杆组拆分原则,平面机构中的高副低代代替条件：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。代替方法：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两元素接触点处的曲率中心。,2.6 机构的组成原理和结构分析,
