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1、第2章 平面機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)分析,本章主要介紹了機(jī)構(gòu)的組成及特點,分析機(jī)構(gòu)具有確定運動的的條件,學(xué)會平面機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制及自由度的計算, 明確機(jī)構(gòu)分析的目的。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),第2章 平面機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)分析,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成 2.2 平面機(jī)構(gòu)的運動簡圖 2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度 所有構(gòu)件的運動平面都相互平行的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu),否則稱為空間機(jī)構(gòu)。常用機(jī)構(gòu)大多數(shù)為平面機(jī)構(gòu),本章僅討論平面機(jī)構(gòu)的情況 。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.1 構(gòu)件的分類 根據(jù)構(gòu)件在傳遞運動中的作用,機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可分為三類: 固定件或機(jī)架用來支撐活動構(gòu)件固定不動
2、的構(gòu)件。研究機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的運動時,常以固定件作為參考坐標(biāo)系。 原動件按給定運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件。它是機(jī)構(gòu)中輸入運動的構(gòu)件,故又稱為主動件。 從動件機(jī)構(gòu)中隨著原動件的運動而運動的其余活動構(gòu)件。 在一般的機(jī)構(gòu)中,必有一個構(gòu)件被相對地看作固定件,在活動構(gòu)件中,必須有一個或幾個原動件,其余的是從動件。當(dāng)原動件按預(yù)定的運動規(guī)律運動時,機(jī)構(gòu)中各從動件即有確定的相對運動。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.2 運動副,自由度:把構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動的數(shù)目稱為自由度。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.2 運動副,運動副:機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)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(gòu)件構(gòu)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(gòu)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(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),,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(gòu)件通過面接觸構(gòu)成的運動副稱為低副。 移動副:兩構(gòu)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(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),圖2-4 轉(zhuǎn)動副,轉(zhuǎn)動副: 兩構(gòu)件
4、間的相對運動為轉(zhuǎn)動的,稱為轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),,,,b)活動鉸鏈轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)中,每個低副引入兩個約束,機(jī)構(gòu)即失去兩個自由度。,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.高副兩構(gòu)件通過點或線接觸構(gòu)成的運動副稱為高副。,,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,圖2-5 凸輪高副,保留2個自由度, 帶進(jìn)1個約束,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,圖2-6 齒輪高副,保留2個自由度, 帶進(jìn)1個約束,由上述可知,在平面機(jī)構(gòu)中
5、,每個高副引入一個約束,機(jī)構(gòu)即失去一個自由度。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),低副兩構(gòu)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(gòu)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(fù)雜的運動。,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,運動副的特點,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.2 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖,2.2.1 運動副和構(gòu)件的表示方法,運動副的表示方法,轉(zhuǎn)動副表示方法,小圓圈表示轉(zhuǎn)動副,其圓心表示兩構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動的軸線位置。 構(gòu)件上畫斜線的表示機(jī)架。 圖
6、面垂直于回轉(zhuǎn)軸線時用2-7a表示; 圖面不垂直于回轉(zhuǎn)軸線時用2-7b表示。,(a) (b) 圖2-7 轉(zhuǎn)動副的表示方法,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),移動副表示方法,兩構(gòu)件組成移動副,其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。,2.2 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),高副表示方法,兩構(gòu)件組成高副時,應(yīng)繪出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓。 對于凸輪、滾子,習(xí)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(jī)構(gòu)運動簡圖,其它他常用零部件的表示方法可參看GB4460-84“機(jī)構(gòu)運動簡圖符號”。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)
7、計基礎(chǔ),2.2.2 構(gòu)件的表示方法 構(gòu)件的相對運動是由運動副決定的,所以在表示機(jī)構(gòu)運動簡圖中的構(gòu)件時,把構(gòu)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(jī)構(gòu)運動簡圖,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.2 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制 分析機(jī)構(gòu)的組成及運動情況,確定機(jī)構(gòu)中的機(jī)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(gòu)件間相對運動的性質(zhì),確定運動副的類型和數(shù)目。 一般選擇與機(jī)械的多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的平面作為投影面。 選擇適當(dāng)?shù)谋壤撸ǔ龈鬟\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(jī)構(gòu)運動簡圖。 根據(jù)圖紙的大小、實際機(jī)構(gòu)的大小和表達(dá)清楚機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為依據(jù),選擇長度比例尺,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),例2.1 試?yán)L制內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運動簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),,解:1)分析運動,確定構(gòu)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(gòu)成高副;2和4、8和4之間分別構(gòu)成移動副;7和4、2和2、2和3、3和4之間分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。,3)選擇視圖平面,4)選取比例尺,根據(jù)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)符號,并表示出各構(gòu)件,2.2.3 平面機(jī)
9、構(gòu)運動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),例題二:繪制圖示顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運動簡圖,(a) (b) 圖2-12 顎式破碎機(jī)及其機(jī)構(gòu)簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制,分析: 構(gòu)件2、2組成以A為中心的回轉(zhuǎn)副; 構(gòu)件2、3組成以B為中心的回轉(zhuǎn)副; 故構(gòu)件3、4組成以C為中心的回轉(zhuǎn)副; 構(gòu)件4、2組成以D為中心的回轉(zhuǎn)副。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),2.3.1 平面機(jī)構(gòu)自由度的計算 如果一個平面機(jī)構(gòu)中包含有N個構(gòu)件,其中2個構(gòu)件固定為機(jī)架,則有n=N-2個活動構(gòu)件,若有PL個低副和PH個高副。則這
10、些活動構(gòu)件在未用運動副聯(lián)接之前,其自由度總數(shù)為3n。當(dāng)用PL 個低副和PH 個高副聯(lián)接成機(jī)構(gòu)之后,全部運動副所引入的約束為2PL+ PH 。因此活動構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度數(shù),用F表示,有 F=3n-2PL- PH (2-2) 由公式可知,機(jī)構(gòu)自由度F取決于活動構(gòu)件的數(shù)目以及運動副的性質(zhì)和數(shù)目。,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),例2-3 計算圖2-12b所示的顎式破碎機(jī)的自由度。 解: 除機(jī)架外,顎式破碎機(jī)有三個活動構(gòu)件,n=3;四個轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的自由度為2。,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),實例分析,2.3.2 機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件,2.3 平面機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的運動,綜上所述:機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件是:機(jī)構(gòu)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(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),1.復(fù)合鉸鏈,2.局部自由度,3.虛約束,2.3.
12、3 計算平面機(jī)構(gòu)自由度時幾種特殊結(jié)構(gòu)的處理,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),例2-4 試計算圖2-19所示的大篩機(jī)構(gòu)的自由度,并判斷它是否有確定的運動。 解 機(jī)構(gòu)中的滾子有一個局部自由度。在E和E組成兩個導(dǎo)路平行的移動副,其中之一為虛約束。C處是復(fù)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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計
13、基礎(chǔ),三個構(gòu)件在同一軸線處,兩個轉(zhuǎn)動副。 推理:m個構(gòu)件時,有m 1個轉(zhuǎn)動副。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),慣性篩機(jī)構(gòu),C處為復(fù)合鉸鏈,計算中注意觀察是否有復(fù)合鉸鏈,以免漏算轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由
14、度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),應(yīng)除去局部自由度,即把滾子和從動件看作一個構(gòu)件。,處理方法,實際結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),n = 4, Pl =6, Ph = 0,構(gòu)件5給機(jī)構(gòu)引入三個自由度,四個約束。多出的一個約束對機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),n = 3,
15、 Pl =4, Ph =0 F = 33 - 24 0 = 1,處理方法,與實際相符,應(yīng)除去虛約束,即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及運動副除去不計。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),1.兩構(gòu)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(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計算中只計入一個移動副。,2.兩構(gòu)件組成多個移動副,且導(dǎo)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計
16、基礎(chǔ),3.兩構(gòu)件組成多個轉(zhuǎn)動副,且軸線重合,只有一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動副。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。,4.兩構(gòu)件兩點間未組成運動副前距離保持不變,兩點間用另一構(gòu)件連接時,將產(chǎn)生虛約束。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計算中應(yīng)將對稱部分除去不計。,5.機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ),虛約束對機(jī)構(gòu)的影響,機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)化為有效約束。,機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自由度,