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1、第2章 平面機構的組成及結構分析,本章主要介紹了機構的組成及特點，分析機構具有確定運動的的條件，學會平面機構運動簡圖的繪制及自由度的計算， 明確機構分析的目的。,2008-9-1,機械設計基礎,第2章 平面機構的組成及結構分析,2.1 平面機構的組成 2.2 平面機構的運動簡圖 2.3 平面機構的自由度 所有構件的運動平面都相互平行的機構稱為平面機構，否則稱為空間機構。常用機構大多數(shù)為平面機構，本章僅討論平面機構的情況 。,2008-9-1,機械設計基礎,2.1 平面機構的組成,2.1.1 構件的分類 根據(jù)構件在傳遞運動中的作用，機構中的構件可分為三類： 固定件或機架用來支撐活動構件固定不動
2、的構件。研究機構中活動構件的運動時，常以固定件作為參考坐標系。 原動件按給定運動規(guī)律獨立運動的構件。它是機構中輸入運動的構件，故又稱為主動件。 從動件機構中隨著原動件的運動而運動的其余活動構件。 在一般的機構中，必有一個構件被相對地看作固定件，在活動構件中，必須有一個或幾個原動件，其余的是從動件。當原動件按預定的運動規(guī)律運動時，機構中各從動件即有確定的相對運動。,2008-9-1,機械設計基礎,2.1 平面機構的組成,2.1.2 運動副,自由度：把構件可能出現(xiàn)的獨立運動的數(shù)目稱為自由度。,2008-9-1,機械設計基礎,2.1 平面機構的組成,2.1.2 運動副,運動副：機構中兩構件之間直接接
3、觸并能作相對運動的聯(lián)接，稱為運動副。,圖2-2 運動副,自由度和運動副約束 兩構件構成運動副后，某些獨立的相對運動便受到限制，這種限制稱為約束。運動副引入約束，相對運動自由度隨之減少。 運動副引入的約束數(shù)等于兩構件相對自由度減少的數(shù)目。,運動副元素不外乎為 點、線、面。,2008-9-1,機械設計基礎,,按照接觸特性，通常把運動副分為低副和高副兩類。,1.低副 兩構件通過面接觸構成的運動副稱為低副。 移動副：兩構件間的相對運動為直線運動的，稱為移動副 。,圖2-3移動副,具有2個約束， 保留了1個自由度,2.1 平面機構的組成,2008-9-1,機械設計基礎,圖2-4 轉動副,轉動副： 兩構件
4、間的相對運動為轉動的，稱為轉動副或稱為鉸鏈副,a)固定鉸鏈,具有2個約束， 保留了1個自由度,2.1 平面機構的組成,2008-9-1,機械設計基礎,,,,b)活動鉸鏈轉動副,具有2個約束， 保留了1個自由度,由上述可知，在平面機構中，每個低副引入兩個約束，機構即失去兩個自由度。,2.1 平面機構的組成,2008-9-1,機械設計基礎,2.高副兩構件通過點或線接觸構成的運動副稱為高副。,,2.1 平面機構的組成,圖2-5 凸輪高副,保留2個自由度， 帶進1個約束,2008-9-1,機械設計基礎,2.1 平面機構的組成,圖2-6 齒輪高副,保留2個自由度， 帶進1個約束,由上述可知，在平面機構中
5、，每個高副引入一個約束，機構即失去一個自由度。,2008-9-1,機械設計基礎,低副兩構件之間為面接觸，只能作相對滑動，容易制造和維修，其承受載荷時接觸處單位面積上的壓力小，承載能力大，耐磨損，壽命長，但滑動效率較低； 高副的兩構件之間則可作相對滑動或滾動，或兩者并存，承受載荷時接觸處單位面積上的壓力大，耐磨損，制造維修困難，但能傳遞復雜的運動。,2.1 平面機構的組成,運動副的特點,2008-9-1,機械設計基礎,2.2 平面機構運動簡圖,2.2.1 運動副和構件的表示方法,運動副的表示方法,轉動副表示方法,小圓圈表示轉動副，其圓心表示兩構件相對轉動的軸線位置。 構件上畫斜線的表示機架。 圖
6、面垂直于回轉軸線時用2-7a表示； 圖面不垂直于回轉軸線時用2-7b表示。,(a) (b) 圖2-7 轉動副的表示方法,2008-9-1,機械設計基礎,移動副表示方法,兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。,2.2 平面機構運動簡圖,2008-9-1,機械設計基礎,高副表示方法,兩構件組成高副時，應繪出兩構件接觸處的曲線輪廓。 對于凸輪、滾子，習慣上繪出其全部輪廓； 對于齒輪，常用點劃線畫出其節(jié)圓。,圖2-9 高副的表示方法,2.2 平面機構運動簡圖,其它他常用零部件的表示方法可參看GB4460-84“機構運動簡圖符號”。,2008-9-1,機械設
7、計基礎,2.2.2 構件的表示方法 構件的相對運動是由運動副決定的，所以在表示機構運動簡圖中的構件時，把構件上的運動副按照其相對位置先用符號表示出來，再用簡單的線條連接起來。表示方法如圖2-10所示。,2.2 平面機構運動簡圖,2008-9-1,機械設計基礎,2.2 平面機構運動簡圖,2.2.3 平面機構運動簡圖的繪制 分析機構的組成及運動情況，確定機構中的機架、原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分，以確定運動副的數(shù)目。 按照運動傳遞的路線，逐一分析每兩個構件間相對運動的性質，確定運動副的類型和數(shù)目。 一般選擇與機械的多數(shù)構件的運動平面相平行的平面作為投影面。 選擇適當?shù)谋壤?，定出各運動副之間的相對
8、位置，用規(guī)定的簡單線條和各種運動副符號，繪制機構運動簡圖。 根據(jù)圖紙的大小、實際機構的大小和表達清楚機構的結構為依據(jù)，選擇長度比例尺,2008-9-1,機械設計基礎,例2.1 試繪制內(nèi)燃機的機構運動簡圖,2.2.3 平面機構運動簡圖的繪制,2008-9-1,機械設計基礎,,解：1）分析運動，確定構件的類型和數(shù)量,2）確定運動副的類型和數(shù)目：5和6、7和8之間分別構成高副；2和4、8和4之間分別構成移動副；7和4、2和2、2和3、3和4之間分別構成轉動副。,3）選擇視圖平面,4）選取比例尺，根據(jù)機構運動尺寸，定出各運動副間的相對位置,5）畫出各運動副和機構符號，并表示出各構件,2.2.3 平面機
9、構運動簡圖的繪制,2008-9-1,機械設計基礎,2.2.3 平面機構運動簡圖的繪制,2008-9-1,機械設計基礎,例題二：繪制圖示顎式破碎機的機構運動簡圖,(a) (b) 圖2-12 顎式破碎機及其機構簡圖,2.2.3 平面機構運動簡圖的繪制,分析： 構件2、2組成以A為中心的回轉副； 構件2、3組成以B為中心的回轉副； 故構件3、4組成以C為中心的回轉副； 構件4、2組成以D為中心的回轉副。,2008-9-1,機械設計基礎,2.3.1 平面機構自由度的計算 如果一個平面機構中包含有N個構件，其中2個構件固定為機架，則有n=N-2個活動構件，若有PL個低副和PH個高副。則這
10、些活動構件在未用運動副聯(lián)接之前，其自由度總數(shù)為3n。當用PL 個低副和PH 個高副聯(lián)接成機構之后，全部運動副所引入的約束為2PL+ PH 。因此活動構件的自由度總數(shù)減去運動副引入的約束總數(shù)，就是該機構的自由度數(shù)，用F表示，有 F=3n-2PL- PH （2-2） 由公式可知，機構自由度F取決于活動構件的數(shù)目以及運動副的性質和數(shù)目。,2.3 平面機構的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機械設計基礎,例2-3 計算圖2-12b所示的顎式破碎機的自由度。 解： 除機架外，顎式破碎機有三個活動構件，n=3；四個轉動副共4個低副，PL=4，PH=0。 由式(2-2)得 F=3n-2PL
11、-PH =33-24-20=2 該機構的自由度為2。,2.3 平面機構的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機械設計基礎,實例分析,2.3.2 機構具有確定運動的條件,2.3 平面機構的自由度及具有確定運動的條件,(a)兩個自由度 (b)一個自由度 (c)0個自由度 F=34-25=2 F=33-24=1 F=34-26=0 圖2-13 不同自由度機構的運動,綜上所述：機構具有確定運動的條件是：機構自由度必須大于零、且原動件數(shù)與其自由度必須相等。,2008-9-1,機械設計基礎,1.復合鉸鏈,2.局部自由度,3.虛約束,2.3.
12、3 計算平面機構自由度時幾種特殊結構的處理,2.3 平面機構的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機械設計基礎,例2-4 試計算圖2-19所示的大篩機構的自由度，并判斷它是否有確定的運動。 解 機構中的滾子有一個局部自由度。在E和E組成兩個導路平行的移動副，其中之一為虛約束。C處是復合鉸鏈。將滾子與頂桿焊成一體，去掉移動副E，并在C點去掉2個回轉副。由此得，n=7，PL=9，PH=2。其自由度為： F=3n-2PL-PH=37-29-2=2 因為機構有兩個原動件 ，其自由度等于2， 所以具有確定的運動。,2.3 平面機構的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機械設計
13、基礎,三個構件在同一軸線處，兩個轉動副。 推理：m個構件時，有m 1個轉動副。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,慣性篩機構,C處為復合鉸鏈,計算中注意觀察是否有復合鉸鏈，以免漏算轉動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤。,n = 5, Pl = 7, Ph = 0,= 35 -27 0 = 1,F = 3n - 2Pl Ph,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,滾子的轉動自由度并不影響整個機構的運動，屬局部自由度。,,計入局部自由度時 n = 3, Pl = 3, Ph = 1 F =33 - 2- 1 = 2 與實際不符,3.3 平面機構的自由
14、度,2008-9-1,機械設計基礎,應除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構件。,處理方法,實際結構上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計算中不計入，并非實際拆除。,教材圖1-13b動畫,N = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 32 - 22 1 = 1,與實際相符,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,n = 4, Pl =6, Ph = 0,構件5給機構引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。,與實際不符,F = 34 -26 0 = 0,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,n = 3,
15、 Pl =4, Ph =0 F = 33 - 24 0 = 1,處理方法,與實際相符,應除去虛約束，即將產(chǎn)生虛約束的構件5及運動副除去不計。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,1.兩構件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副存在虛約束。,計算中應將產(chǎn)生虛約束的構件及運動副一起除去不計。,虛約束常見情況及處理,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,虛約束常見情況及處理,計算中只計入一個移動副。,2.兩構件組成多個移動副，且導路相互平行或重合時，只有一個移動副起約束作用，其余為虛約束。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計
16、基礎,3.兩構件組成多個轉動副，且軸線重合，只有一個轉動副起約束作用，其余為約束。,虛約束常見情況及處理,計算中只計入一個轉動副。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,虛約束常見情況及處理,計算中應將產(chǎn)生虛約束的構件及運動副一起除去不計。,4.兩構件兩點間未組成運動副前距離保持不變，兩點間用另一構件連接時，將產(chǎn)生虛約束。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,虛約束常見情況及處理,計算中應將對稱部分除去不計。,5.機構中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。,3.3 平面機構的自由度,2008-9-1,機械設計基礎,虛約束對機構的影響,機構中虛約束是實際存在的，計算中所謂“除去不計”是從運動觀點分析做的假想處理，并非實際拆除。,虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉化為有效約束。,機構中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。,3.3 平面機構的自由度,
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