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1、第二章 机构的结构分析,第一节 基本概念第二节 机构运动简图 第三节 机构具有确定运动的条件第四节 平面机构自由度的计算第五节 平面机构的组成原理与结构分析,机械原理,*,第一节 基本概念,一、构件 二、运动副*三、运动链 四、机构,*,一、构件,定义 组成机械系统的最小运动单元,加工制造的最小单元,内燃机连杆,组成 可由一个零件构成，也可由若干零件刚性联接而成。,零件,*,二、运动副,按两构件的接触方式分类 按两构件之间的相对运动方式分类,运动副代表符号,定义两构件相互连接并能保持一定形式的相对运动，把这种可动连接称为运动副。把形成运动副的点、线、面部分称为运动副元素。,分类,*,按两构件的
2、接触方式分类,高副点或线接触的运动副 低副面接触的运动副,*,按两构件之间的相对运动方式分类,转动副两构件之间的相对运动为转动 移动副两构件之间的相对运动为移动,*,*,移动副,平面高副,转动副,运动副代表符号,*,三、运动链,闭式运动链简称闭链：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开链：未构成首尾封闭的系统,定义若干个构件通过运动副连接起来组成的相互间可作 相对运动的构件系统。,分类,闭链,开链,注意,不是运动链,*,四、机构,平面机构：机构中各构件的运动平面互相平行空间机构：机构中至少有一构件不在相互平行的平面上运 动，或至少有一构件能在三维空间中运动,低副机构：完全由低副连接而成的机构
3、 高副机构：只要含有一个高副的机构,定义选定某构件为机架后的运动链,分类,平面低副开链机构,高副机构,平面低副闭链机构,*,第二节 机构运动简图,比例尺,机构简图：用简单的符号和线条表示机构的组成情况 和运动情况。,*,*,1.找出原动件和从动件；2.使机构缓缓运动，观察其组成情况和运动情况；3.沿主动件到从动件的传递路线找出构件数目和运动副的 数目与种类；4.选择大多数构件所在平面为投影面；5.测量各运动副之间的尺寸，用运动副表示各构件的连接，选择比例尺画出各构件。,具体绘制步骤,*,*,*,*,*,第三节 平面机构的自由度计算,一、平面机构自由度的计算公式二、计算机构自由度的注意事项三、例
4、 题,*,一、平面机构自由度的计算公式,自由度 构件在空间中具有的独立运动的数目约 束 运动副对构件运动的限制作用,高副低副,1个约束，2个自由度,2个约束，1个自由度,*,一、平面机构自由度的计算公式,活动构件数目,低副数目,高副数目,高副低副,1个约束，2个自由度,2个约束，1个自由度,平面机构自由度：,*,牛头刨床机构,例 题 21,*,二、计算机构自由度的注意事项,局部自由度 复合铰链 虚约束,*,局部自由度,定义在某些机构中，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度。,处理办法把滚子固化在支承滚子的构件上。,*,复合铰链,定义两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成 复合铰链。,处
5、理办法m个构件在同一处构成转动副，实际转动副 数目为（m-1）个。,*,几种典型复合铰链,*,虚约束,定义对机构运动实际上不起限制作用的约束。,处理办法将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的 运动副去掉不计。,虚约束的本质是什么?,从运动的角度看,虚约束就是“重复的约束”或者是“多余的约束”。,2,*,(a)转动副的虚约束(b)移动副的虚约束,几种常见的虚约束,*,(a)转动副的虚约束(b)移动副的虚约束(c)高副机构的虚约束,几种常见的虚约束,两个构件在多处接触,接触点的公法线彼此重合;,注意区别行星轮系,是两个高副,因为三个构件在两处接触,见下页,*,(a)转动副的虚约束(b)移动副的虚约
6、束(c)高副机构的虚约束(d)特殊运动轨迹的虚约束,几种常见的虚约束,*,(a)转动副的虚约束(b)移动副的虚约束(c)高副机构的虚约束(d)不起限制作用的虚约束(e)等距点产生的虚约束,几种常见的虚约束,机构中为什么要使用虚约束?a.使受力状态更合理 b.使机构平衡 c.考虑机构在特殊位置的运动使用虚约束时要注意什么问题?保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。,如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,例 题 22,n=8；Pl=11；
7、Ph=1F=3n-2Pl-Ph=38-2 11-1=1,计算图所示机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,例 题 23,n=6；Pl=8；Ph=1F=3n-2Pl-Ph=36-2 8-1=1,如图所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,例 题 24,n=8；Pl=11；Ph=1F=3n-2Pl-Ph=38-2 11-1=1,*,例 题 25,*,例 题 26,*,例 题 27,*,*,第四节 机构具有确定运动的条件,条件：,F 0,*,第四节 机构具有确定运动的条件,条件：,给定的原动件数不
8、可多于机构的自由度数目,F 0,*,第四节 机构具有确定运动的条件,条件：,给定的原动件数不可少于机构的自由度数目,F 0,*,第四节 机构具有确定运动的条件,条件：,给定的原动件数机构的自由度数目,F 0,*,第五节 平面机构的组成原理与结构分析,一、杆组分析二、机构的组成原理 三、高副低代四、平面机构的结构分析,*,一、杆组分析,最简机构由一个原动件和机架所组成的机构,杆组去掉原动件，剩余自由度为零的部分杆件系统,基本杆组自由度为零且不能再分割的杆组,以低副机构为分析基础,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。,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
9、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。,n=2,Pl=3 F=3n2Pl=3*2-2*3=0,n=2,Pl=3 F=3n2Pl=3*2-2*3=0,n=4,Pl=6 F=3n2Pl=3*4-2*6=0,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 基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。机构的组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的。,最简机构（F=1）,杆 组,基本杆组,*,一、杆
10、组分析,最简机构由一个原动件和机架所组成的机构,杆组去掉原动件，剩余自由度为零的部分杆件系统,基本杆组自由度为零且不能再分割的杆组,杆组应该满足的条件条件:,运动副数,构件数,以低副机构为分析基础,如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：,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。,也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：,n=2,Pl=3 n=4,Pl=6 n=6,Pl=9,基本杆组的类型,F=3n-2Pl=0,n=2Pl/3,最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为级杆组。级杆组是机构中最常见
11、的一类基本杆组。级杆组有以下五种形式：,*,级杆组,内接副 连接杆组内部构件的运动副外接副 与杆组外部构件连接的运动副,级杆组,1个内接副2个外接副,*,级杆组含有3个内接副,级杆组含有4个内接副,*,二、机构的组成原理,平面机构的组成原理 任意复杂的平面机构都可看作是在最简机构的基础上连接一些基本杆组所构成的。,牛头刨床的组合过程,牛头刨床主机构的组成原理,*,三、高副低代,高副低代采用低副代替高副进行变通处理的方法,代换原则:1.代换前后保持机构的自由度不变 2.代换前后保持机构的运动关系不变,要点找出两高副元素的接触点处的公法线和曲率中心,高副接触的低副代换图例,具体步骤：,1.过接触点
12、C作公法线;,2.在公法线上确定两构件在C点的曲率中心K1和K2，并连接起来，若曲率中心在无穷远处则用滑块替代;,3.将曲率中心K1和K2与相关构件连接;,4.去掉高副;,*,四、平面机构的结构分析,主要任务判定机构的级别，而机构的级别取决于机构 中的杆组的最高级别,1.计算机构的自由度并确定原动件。2.高副低代，去掉局部自由度和虚约束。3.从最简机构开始拆,记住原则:任何构件、运动副不可多拆,也不可遗漏,拆成基本杆组。,一般步骤,*,四、平面机构的结构分析,1.计算机构自由度，并确定原动件。2.从远离原动件的构件开始拆杆组。3.先拆级，再拆级。,拆除原则,注意：每拆出一个杆组，留下的部分仍应
13、是一个与原机构有相同自由度的机构，直到全部杆组拆出只剩原动件和机架为止。见课本图2-23,*,解：,1.该机构的自由度为1，没有局部自由度和虚约束。2.该机构不含 II级杆组，仅有1个原动件（最简机构）和一个III级杆组，该机构为III级机构。,例 题 28,改变一下：图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆 3 作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，以达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？,1,2,3,4,解：首先计算设计方案草图的自由度 F=3n-2Pl-Ph=34-26=0,改进措施：1.增加一个低副和一个活动构件；2.用一个高副代替低副。,即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。,改进方案,改进方案,改进方案,改进方案,*,THE END!,
