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1、1,机械设计基础之第二部分 常用传动机构设计基础（1）,2,第三章 机构运动简图及平面机构自由度,3,本章主要内容：,3-1 机构的组成3-2 机构运动简图3-3 平面机构的自由度,如何判定是机构？,机构的定义是？,机构 是由构件以可动联接方式联接起来的、用来传递运动和力的构件系统。,4,一、机构的组成要素,构 件,运动副,机构中的运动单元体，由一个或若干个零件组成。,机架（或固定构件）,活动构件,3-1 机构的组成,5,二、运动副,两构件组成的直接接触而又能产生相对运动的活动联接称为运动副。两构件参与接触而构成运动副的部分(点、线、面)称为运动副元素。,对运动副的理解要把握以下三点：,（）运
2、动副由两个构件组成；（）运动副是一种联接,两构件直接接触；（）组成运动副的两个构件之间有相对运动。,运动副是机械原理中最重要的概念之一,6,(1)运动副元素,运动副元素不外乎为点、线、面。,7,(2)运动副的自由度与约束,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。在平面内具有3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。,8,按运动副相对运动形式分：,（3）运动副类型,球面副,转动副,移动副,螺旋副,9,按运动副接触形式分：,低副:两构件通过面接触而构成的运
3、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;,10,球面副,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。,螺旋副,11,三、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。,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。,12,三、机构,机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件,并给定另外一个或少数几个构件的运动规律，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
4、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。,13,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,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,而与机构的结构尺寸和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。,3-2 机构运动简图,为什么要画机构运动简图？,14,机构运动简图中常
5、用的规定符号绘制机构运动简图的步骤和方法机构运动简图的识别,The ability to draw the kinematic diagram of mechanisms is a basic technical skill for engineers.,机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。,需要掌握：,常用运动副的符号,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,平面运动副,两构件之一为固定时的运动副,运动副名称,一、机构运动简图中常用的规定符号,平面高副,螺旋副,球面副球销副,空间运动副,平面运动副,构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,构件的表
6、示方法,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）,常用机构运动简图符号（续）,常用机构运动简图符号（续）,23,二、绘制机构运动简图的步骤与方法,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，以确定构件和运动副的数目。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;还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运动副间的相对位置。如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。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
7、平行的平面作为投影面。4、选择适当的比例尺,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。,24,例3-1 绘制颚式破碎机的构运动简图,(1)分析机构的组成及运动情况，共四个构件：机架1、偏心轴2、动颚3和肘板4(2)确定运动副的类型及数量 偏心轴与机架 转动副A 动颚与偏心轴 转动副B 肘板与动颚 转动副C 肘板与机架 转动副D(3)选定投影面和比例尺，定出各运动副的相对位置，绘制出机构运动简图,25,26,1,2,3,4,27,28,29,30,能动吗？,3-3 平面机构的自由度,31,给定S3S3(t)，一个独立参数11（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。,若仅给定11（
8、t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数。,S3,1,2,3,S3,1,1,2,3,4,1,一、机构具有确定运动的条件,32,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。,原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为：,自由度原动件数,33,二、平面机构自由度的计算,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,）才能唯一确定。,(x,y),运动副 自由度数 约束数回转副 1（）+2（x，y）=3,R=2,F=1,R=2,F=1,R=1,F=2,结论：构件自由度3
9、约束数,移动副 1（x）+2（y，）=3,高 副 2（x,）+1（y）=3,经运动副相联后，构件自由度会有变化：,自由构件的自由度数约束数,活动构件数 n,计算公式：F=3n(2PL+Ph),要求：记住上述公式，并能熟练应用。,构件总自由度,低副约束数,高副约束数,3n,2 PL,1 Ph,计算曲柄滑块机构的自由度。,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH=33 24=1,高副数PH=,0,S3,1,2,3,推广到一般：,36,计算五杆铰链机构的自由度,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH=34 25=2,高副数PH=,0,1,2,3,4,
10、1,37,计算图示凸轮机构的自由度。,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH=32 221=1,高副数PH=,1,1,2,3,38,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对！,39,1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,两个低副,三、计算平面机构自由度的注意事项,40,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构
11、件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH=37 2100=1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,41,准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,42,计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH=33 23 1=2,PH=1,对于右边的机构，有：F=32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,1,2,3,1,2,3,43,2.局部自由度,F=32 22 1=1,定义：构件局部运动
12、所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链：,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,1,2,3,1,2,3,44,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH=34 26=0,PH=0,3.虚约束 对机构的运动实际上不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。,FEAB CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，增加的约束不起作用，应去掉构件4。,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,45,重新计算：n=3,PL=4,PH=0,F=3n 2PL PH=33 24=1,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,4
13、,F,虚约束,46,出现虚约束的场合：(1)两构件联接前后，联接点的轨迹重合，,(2)两构件构成多个移动副，且导路平行。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。(需要证明),47,(4)运动时，两构件上的两点距离始终不变。,(3)两构件构成多个转动副，且同轴。,(5)对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,48,(6)两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,A,A,n1,n1,n2,n2,n1,n1,n2,n2,49,虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。,增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。,使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。
14、,注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!,50,计算图示大筛机构的自由度。,位置C，2个低副,复合铰链:,局部自由度,1个,虚约束,E,n=,7,PL=,9,PH=,1,F=3n-2PL PH=37-29-1=2,51,计算包装机送纸机构的自由度,分析活动构件数,n9,复合铰链,虚约束,运动副D,1处,去掉局部自由度和虚约束,局部自由度,n6，pL7，pH3F3n2pLpH3627131,滚子3、8绕自身轴线的转动,2个转动副,杆9和运动副F、I引入一个虚约束,52,PL=4,Ph=1,F=0,n=3,53,54,本章小结,运动副(概念及其分类)平面机构的运动简图（会识别）平面机构的自由度,
