機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析(2).ppt

第一章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,11 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 12 機構(gòu)的組成 13 機構(gòu)運動簡圖 14 平面機構(gòu)自由度 15 機構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析,本章教學重點和難點,3 平面機構(gòu)自由度的計算,4 機構(gòu)的組成原理及其分析,2 機構(gòu)運動簡圖的繪制,1 機構(gòu)的組成,11、2 機構(gòu)的組成,構(gòu)成機構(gòu)的基本要素是： 構(gòu)件、運動副,機構(gòu)：是指具有確定相對運動的實物組合。,平面機構(gòu)：在機構(gòu)中,若各實物均在同一平面或互相平行的平面作相對運動（常用的機構(gòu)大多數(shù)為平面機構(gòu)）。,空間機構(gòu)：若各實物不在同一平面或互相平行的平面作相對運動。,作者：潘存云教授,曲柄搖桿機構(gòu).exe,一、機構(gòu)及分類：,內(nèi)燃機中的連桿,二、構(gòu)件及分類：,定義:機構(gòu)中的最小運動單元。它可以是單一的整體，也可以是由幾個零件組成的剛性結(jié)構(gòu)。如圖所示的連桿。,1.構(gòu)件的分類:,(1)機架：機構(gòu)中相對不動的構(gòu)件,必加剖面線表示。,(2)原動件：驅(qū)動力（或驅(qū)動力矩）所作用的構(gòu)件。必須用帶箭頭的圓弧或直線標注其運動形式。,(3)從動件：隨著原動構(gòu)件的運動而運動的構(gòu)件。,機構(gòu)機架原動件從動件,1個,1個或幾個,若干,2.機構(gòu)的組成：,作者：潘存云教授,三、運動副及分類,如：凸輪副,1.定義：,如：齒輪副,1,2,A,兩個構(gòu)件既保持直接接觸，又能產(chǎn)生某些相對運動的一種動聯(lián)接。,1)根據(jù)接觸形式不同，可分為：,例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。,高副：點、線接觸的運動副，由于接觸應(yīng)力高,故稱為高副。,滾動副,凸輪副,齒輪副,2.運動副的分類（三種）：,低副：面接觸的運動副，由于接觸應(yīng)力低，故稱為低副。,A.轉(zhuǎn)動副： 在低副中，若兩構(gòu)件之間只作相對轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動副,移動副,B.移動副 ：在低副中，兩構(gòu)件之間只作相對移動,作者：潘存云教授,2)根據(jù)引入的約束數(shù)目不同,可分為：,III級副,I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副等五類。,IV級副,V級副1,V級副2,V級副3,3)根據(jù)兩構(gòu)件相對運動范圍不同,可分為：,平面運動副：兩構(gòu)件位于同一平面內(nèi)運動的運動副,空間運動副：兩構(gòu)件不位于同一平面內(nèi)運動的運動副,常見運動副符號的表示: 國標GB446084,常用運動副的符號,運動副 名稱,運動副符號,兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副,轉(zhuǎn)動副,移動副,兩構(gòu)件之一為固定時的運動副,平面運動副,平面高副,螺旋副,空間運動副,一般構(gòu)件的表示方法,桿、軸構(gòu)件,固定構(gòu)件,同一構(gòu)件,三副構(gòu)件,兩副構(gòu)件,一般構(gòu)件的表示方法,注意事項:畫構(gòu)件簡圖時，應(yīng)撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運動副的性質(zhì)。,作者：潘存云教授,簡圖,簡圖,四、運動鏈及分類,運動鏈：三個或以上的構(gòu)件通過運動副的聯(lián)接而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。,A.閉式鏈:在運動鏈中，每一構(gòu)件都含有二個或以上運動副的運動鏈。,閉式鏈,開式鏈,機構(gòu)：具有確定相對運動的運動鏈稱為機構(gòu) 。,B.開式鏈:在運動鏈中，至少有一構(gòu)件只含有一個運動副的運動鏈。,13 平面機構(gòu)運動簡圖,機構(gòu)運動簡圖：用規(guī)定的運動副符號和構(gòu)件線條，按一定的比例表示各構(gòu)件和運動副的相對位置，并能完全反映機構(gòu)特征的圖形。,機構(gòu)示意圖：不按比例繪制的簡圖。,一、運動副的規(guī)定符號,轉(zhuǎn)動副：,移動副：,高副：,二、構(gòu)件表示方法：,兩副構(gòu)件,三副構(gòu)件,三、機構(gòu)運動簡圖的繪制：,1. 繪制步驟：,（1）選擇合適投影面:一般以它的運動平面為投影面。,（2）選取適當?shù)谋壤?，長度比例尺為,（3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，依次分別繪出各構(gòu)件和運動副。,繪制構(gòu)件和運動副時,應(yīng)注意：,A.構(gòu)件數(shù)目與實際相同,并用規(guī)定的線條繪出各構(gòu)件；,B.運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際相符。根據(jù)構(gòu)件間的接觸情況和相對運動，確定運動副的類型及數(shù)目，并測出各運動副間的相對位置尺寸。,2. 繪制時的注意事項,1)編號:一般按運動傳遞路線，對各構(gòu)件由小到大進行編號，其中原動件最好為序號1，機架最好為最后的序號數(shù)。,2)繪制機構(gòu)運動簡圖時，必按比例繪出，反之稱為機構(gòu)示意圖。,3)機架必加剖面線表示，原動件必須用帶箭頭的圓弧或直線標注其運動形式。,4)原動件的初始位置可自行決定。,3. 實例,例1：試繪制下述顎式破碎機的運動簡圖。,解： 1）選擇投影面； 2）選取比例尺； 3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，分別繪出各構(gòu)件和運動副。,B,C,D,A,D,B,C,顎式破碎機.exe,1,2,3,4,例2 ：繪制下述機構(gòu)的運動簡圖,解：1）選擇投影面； 2）選取比例尺； 3）從原動件開始，沿著運動傳遞的線路，采用規(guī)定的符號，分別繪出各構(gòu)件和運動副。,1,2,3,4,4,作業(yè)布置：,P25 1-1 （1） （3）,第二講,14 平面機構(gòu)自由度及計算,15 機構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析,作者：潘存云教授,14 平面機構(gòu)自由度及計算,若給定S3S3(t)，則11（t）， 22（t）均唯一確定，故該機構(gòu)只需要給定一個獨立運動參數(shù)S3（或1 ），其它各構(gòu)件的運動便可確定。,已知各桿件長度，各構(gòu)件的運動規(guī)律分別用參數(shù)1、4、表示，若僅給定11（t）,則2 3 4 均不能唯一確定。,一、機構(gòu)具有確定相對運動的條件：,2,1,若同時給定1和4 ，則3 2 能唯一確定，故該機構(gòu)需要給定兩個獨立運動參數(shù)，其它各構(gòu)件的運動便可確定。,已知各桿件長度，各構(gòu)件的運動規(guī)律分別用參數(shù)1、2、S3 表示。,機構(gòu)的自由度：保證機構(gòu)中各構(gòu)件具有確定相對運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的個數(shù)，稱為該機構(gòu)的自由度，常記為F。,一個原動件只能提供一個獨立運動參數(shù)（轉(zhuǎn)動或移動）,機構(gòu)具有確定相對運動的條件為：,機構(gòu)的自由度F原動件個數(shù)W 且 F 0,討論：,1）若F0，表示機構(gòu)中各構(gòu)件之間能產(chǎn)生相對運動；,當原動件個數(shù)W=F ，各構(gòu)件間具有確定的相對運動,當原動件個數(shù)WF ，各構(gòu)件間的相對運動不能確定,當原動件個數(shù)WF ，各構(gòu)件的運動會干涉，導致破壞,3）若F0，說明機構(gòu)中約束過多，此時機構(gòu)中各構(gòu)件之間也不能產(chǎn)生相對運動，這種結(jié)構(gòu)稱為超靜定桁架。,如：下述四桿機構(gòu),2）若F=0，表示機構(gòu)中各構(gòu)件之間不能產(chǎn)生相對運動，這種結(jié)構(gòu)稱為靜定桁架（或剛性桁架）。,如：下述五桿機構(gòu),二、 平面機構(gòu)自由度的計算,由理論力學可知，一個作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的運動參數(shù)（x，y, ）才能唯一確定。,(x , y),R=2, F=3-2=1,R=2, F=3-2=1,R=1, F=3-1=2,結(jié)論：構(gòu)件自由度F3約束數(shù)R 其中,低副約束數(shù)目 R=2 高副約束數(shù)目 R=1,經(jīng)運動副相聯(lián)后，由于引入約束R，構(gòu)件自由度F會減少：,設(shè)平面機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)為n ，低副個數(shù)為PL，高副個數(shù)為PH，則有：,F=3n(2PL +PH )= 3n 2PL PH,構(gòu)件總自由度:,低副約束數(shù)目：,高副約束數(shù)目：,3n,2 PL,1 PH,推廣到一般情況：,平面機構(gòu)自由度計算式：,n-機構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目 PL-機構(gòu)中的低副數(shù)目 PH-機構(gòu)中的高副數(shù)目,例1：試計算下述曲柄滑塊機構(gòu)的自由度。,解：活動構(gòu)件數(shù)n=3,低副數(shù)PL=4,高副數(shù)PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,例2：試計算下述凸輪機構(gòu)的自由度。,解：活動構(gòu)件數(shù)n=,2,低副數(shù)PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副數(shù)PH=,1,例3：試計算下述五桿機構(gòu)的自由度。,解：活動構(gòu)件數(shù)n=4,低副數(shù)PL=6,高副數(shù)PH=0,F=3n 2PL PH =34 260 =0,由于F=0，故各構(gòu)件間沒有相對運動, 該結(jié)構(gòu)靜定桁架,例4：試計算下述四桿機構(gòu)的自由度。,解：活動構(gòu)件數(shù)n=3,低副數(shù)PL=5,高副數(shù)PH=0,F=3n 2PL PH =33 250 =-1,由于F0，故各構(gòu)件間沒有相對運動, 該結(jié)構(gòu)超靜定桁架,1.復合鉸鏈：若有二個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連,該結(jié)構(gòu)稱為復合鉸鏈。,結(jié)論：若有m個構(gòu)件(其中包括固定構(gòu)件)相連，則轉(zhuǎn)動副個數(shù)為:(m1)。,兩個低副,三、計算自由度時的注意事項,復合鉸鏈.exe,解：在B、C、D、E四處應(yīng)各有 2 個轉(zhuǎn)動副。,例5：試計算下述圓盤鋸機構(gòu)的自由度。,活動構(gòu)件數(shù)n=7,低副數(shù)PL=,10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,高副數(shù)PH=0,圓盤鋸.pps,2.局部自由度,定義：對整個機構(gòu)運動無關(guān)的自由度稱局部自由度。,計算自由度F時，應(yīng)去掉局部自由度。局部自由度常出現(xiàn)在滾子從動件的凸輪機構(gòu)中。,滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。,滾子凸輪機構(gòu).exe,例7:試計算下述凸輪機構(gòu)的自由度。,解：n=,2，,PL=,2，,F=3n 2PL PH =32 22 1 =1,PH=1,3.虛約束：起著相同作用的約束。 計算自由度時，應(yīng)去掉虛約束。, FEAB CD ，故增加構(gòu)件4前后E點的軌跡都是圓弧。增加構(gòu)件4的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。,平行四邊形虛約束.exe,作者：潘存云教授,解：n=3, PL=4, PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,去除虛約束,作者：潘存云教授,1)兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點的軌跡重合。,2)兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，且導路平行。,如平行四邊形機構(gòu)、,橢圓儀等。,出現(xiàn)虛約束的五種場合：,A,A,A,B,作者：潘存云教授,3)兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線相同。,4)在機構(gòu)中存在對稱部分，且對稱部分對整個機構(gòu)的運動不起作用。如多個行星輪。,A,B,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,5)兩構(gòu)件在兩處（或多處）構(gòu)成高副，且接觸處的法線重合。,如：等寬凸輪.MOV,注意： 若法線不重合時， 則變成實際約束！,虛約束的作用：,增加機構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機床導軌。,使機構(gòu)運動順利，避免運動不確定，如車輪。,改善構(gòu)件的受力情況，如多個行星輪。,火車輪虛約束.exe,【綜合例題1】試計算下述機構(gòu)的自由度。,解:,活動構(gòu)件數(shù)n=7,低副數(shù)PL=9,高副數(shù)PH=1,【綜合例題 2 】試計算下述結(jié)構(gòu)的自由度。,解:,活動構(gòu)件數(shù)n=5,低副數(shù)PL=7,高副數(shù)PH=1,該結(jié)構(gòu)剛性桁架,【綜合例題3 】試計算下述包裝機中送紙機構(gòu)的自由度。,解:,活動構(gòu)件數(shù)n=6,低副數(shù)PL=7,高副數(shù)PH=3,15 機構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析,一、若干概念,1)原動件1作移動 (如直線電動機驅(qū)動)。,2)原動件1作轉(zhuǎn)動 (如轉(zhuǎn)動電動機驅(qū)動)。,1.基本機構(gòu),由一個原動件和一個機架所組成的雙桿機構(gòu),稱為基本機構(gòu)（或稱級機構(gòu) ）。,分類：,2.基本桿組,基本桿組：不可再分的、自由度F0的構(gòu)件組合，或稱為桿組。,機構(gòu)具有確定運動的條件是：原動件數(shù)W自由度F。,現(xiàn)設(shè)想將機構(gòu)中的原動件和機架分離出來，則原動件與機架構(gòu)成了基本機構(gòu)，其F1。剩下的構(gòu)件組必有F0。將構(gòu)件組繼續(xù)拆分成更簡單F0的構(gòu)件組，直到不能再拆為止。,設(shè)桿組中有n個構(gòu)件，由于其F0，則有：, PL 為整數(shù)， n只能取偶數(shù)。,1) 若n=2 （PL3）的桿組，此桿組稱為級桿組，結(jié)構(gòu)特點：該桿組中任一個構(gòu)件均含有二個運動副。 級桿組是工程上應(yīng)用最廣而又最簡單的基本桿組。它最常用的有五種類型,如下所示。,3.桿組分類,F3n2PLPH0 PL3n/2 (假設(shè)該桿組中無高副，則PH0 ),2)若n=4 （PL 3n/2 6）的桿組，稱為級桿組。常見的形式有以下三種:,結(jié)構(gòu)特點：其中一個構(gòu)件有三個運動副。,典型級桿組：,3)若n6，由于此類桿組在工程上一般很少應(yīng)用，本書不再一一列舉。,作業(yè)布置：,P26 1-5 (b) 1-6 (a) (b),第三講,15 機構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析（續(xù)）,15 機構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析,一、回顧,1)原動件1作移動 (如直線電動機驅(qū)動)。,2)原動件1作轉(zhuǎn)動 (如轉(zhuǎn)動電動機驅(qū)動)。,1.基本機構(gòu),由一個原動件和一個機架所組成的雙桿機構(gòu),稱為基本機構(gòu)（或稱級機構(gòu) ）。,2.基本桿組,基本桿組：不可再分的、自由度F0的構(gòu)件組合，或稱為桿組。,1）級桿組： n = 2 ，PL = 3的桿組。,常見的形式有以下五種:,結(jié)構(gòu)特點：該桿組中的每一個構(gòu)件上都有二個運動副。,2) 級桿組：n= 4， PL = 6的桿組。,結(jié)構(gòu)特點：該桿組中其中一個構(gòu)件有三個運動副。,3)由于n6的桿組在工程上一般很少應(yīng)用，本書不再一一列舉。,常見的形式有以下三種:,二、機構(gòu)拆分和機構(gòu)組成原理,（1）首先從遠離原動件的構(gòu)件開始拆分；,（2）拆分時，先試拆級桿組；若不可能時，再試拆級桿組；,（3）拆完第一組桿組后，按照上述方法，開始試拆第二組桿組，依此類推，直到最后只剩下原動件和機架為止。,2.拆分的步驟：,拆分：,常將機構(gòu)分解成基本機構(gòu)和若干個桿組的過程。,應(yīng)注意：若機構(gòu)自由度F=1,拆分時只有一個基本機構(gòu)； 若機構(gòu)自由度F=2,拆分時就有二個基本機構(gòu)，依此類推。,1.拆分的定義：,舉例：試將下述六桿機構(gòu)拆分成基本機構(gòu)和基本桿組。,解：1）計算機構(gòu)自由度，并確定原動件,2)拆分:,F352701,首先從遠離原動件的構(gòu)件開始拆分；先試拆級桿組，若不可能時，再試拆級桿組；直至最后只剩下原動件和機架為止。,該機構(gòu)由上述兩個基本桿組和一個基本機構(gòu)組成。,結(jié)論：任何一個平面機構(gòu)都可以看成：由基本機構(gòu) 和若干個桿組所組成的。,機構(gòu)基本機構(gòu)若干桿組,任何機構(gòu)都可以包含有不同級別的桿組，如級桿組、級桿組、級桿組等。,我們通常是按該機構(gòu)所含級別最高的桿組來命名此機構(gòu)，如級機構(gòu)，級機構(gòu)等