機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)械原理課件

1、 （一）第第1章章 機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)1.1 機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1.2 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件1.3 機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)：具有確定運(yùn)動的實物組合體機(jī)構(gòu)：具有確定運(yùn)動的實物組合體1.1 機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動簡圖 在組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件中，必有且僅在組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件中，必有且僅有一個構(gòu)件是用于支持和安裝其它構(gòu)有一個構(gòu)件是用于支持和安裝其它構(gòu)件的，稱之為機(jī)架。由于在分析機(jī)構(gòu)件的，稱之為機(jī)架。由于在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動時取機(jī)架為靜參考系，常稱之為運(yùn)動時取機(jī)架為靜參考系，常稱之為固定桿。每個機(jī)構(gòu)必有且僅有

2、一個機(jī)固定桿。每個機(jī)構(gòu)必有且僅有一個機(jī)架。架。 輸入運(yùn)動的構(gòu)件稱原動件。每個輸入運(yùn)動的構(gòu)件稱原動件。每個機(jī)構(gòu)至少一件。機(jī)構(gòu)至少一件。 其余的構(gòu)件為從動件。其余的構(gòu)件為從動件。運(yùn)動副：兩個構(gòu)件之間直接接觸所形成的可運(yùn)動副：兩個構(gòu)件之間直接接觸所形成的可動聯(lián)接動聯(lián)接兩個相鄰構(gòu)件直接接觸兩個相鄰構(gòu)件直接接觸兩者之間允許一定的相對運(yùn)動兩者之間允許一定的相對運(yùn)動每個構(gòu)件至少和另外一個構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接每個構(gòu)件至少和另外一個構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接機(jī)構(gòu)簡圖機(jī)構(gòu)簡圖：用簡單的符號和線條表示機(jī)構(gòu)的：用簡單的符號和線條表示機(jī)構(gòu)的組成情況和運(yùn)動情況組成情況和運(yùn)動情況構(gòu)件間直接接觸的點，線，面稱運(yùn)動構(gòu)件間直接接觸的點，線

3、，面稱運(yùn)動副元素。副元素。低副：面接觸低副：面接觸高副：點，線接觸。高副：點，線接觸。移動副轉(zhuǎn)動副運(yùn)動副與構(gòu)件運(yùn)動簡圖：運(yùn)動簡圖：1. 1.必要性必要性 為簡明地表達(dá)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性為簡明地表達(dá)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性和工作原理，要去掉與運(yùn)動無關(guān)的尺寸，和工作原理，要去掉與運(yùn)動無關(guān)的尺寸，外性等因素。外性等因素。2 2。用規(guī)定的符號表達(dá)構(gòu)件和運(yùn)動副的相對。用規(guī)定的符號表達(dá)構(gòu)件和運(yùn)動副的相對位置和性質(zhì)。位置和性質(zhì)。 構(gòu)件表達(dá)中去除與運(yùn)動傳遞無關(guān)的因素：構(gòu)件表達(dá)中去除與運(yùn)動傳遞無關(guān)的因素：BAAB(a)(b)BAAB(a)(b)常用平面運(yùn)動副表示法常用平面運(yùn)動副表示法v v運(yùn)動軌跡為直線運(yùn)動軌跡為直線移動副移

4、動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副平面高副齒輪副 用國標(biāo)規(guī)定的簡單符號和線條代表運(yùn)動副和構(gòu)件，并按用國標(biāo)規(guī)定的簡單符號和線條代表運(yùn)動副和構(gòu)件，并按一定比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸，繪制出表示機(jī)構(gòu)的簡明圖一定比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸，繪制出表示機(jī)構(gòu)的簡明圖形。形。機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖與原機(jī)械具有完全相同運(yùn)動特性。機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖與原機(jī)械具有完全相同運(yùn)動特性。例例 題題規(guī)定符號構(gòu)件的表達(dá)：用簡單線條連接運(yùn)動副用簡單線條連接運(yùn)動副 運(yùn)動簡圖的繪制運(yùn)動簡圖的繪制 1. 分析整個機(jī)構(gòu)的工作原理分析整個機(jī)構(gòu)的工作原理 沿著傳動路線，分析相鄰構(gòu)件之間的相對運(yùn)動沿著傳動路線，分析相鄰構(gòu)件之間的相對運(yùn)動 關(guān)系，確定運(yùn)動副的類型和數(shù)目關(guān)系，確定運(yùn)

5、動副的類型和數(shù)目3. 選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面例例1：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制該機(jī)構(gòu)：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖的運(yùn)動簡圖動畫按鈕動畫按鈕1234abc1234abcabc141223344-1-2-3-4例例1：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖1234abcabc4-1-2-3-4例例1：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制該機(jī)構(gòu)：已知一機(jī)構(gòu)如圖所示，試?yán)L制該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖的運(yùn)動簡圖動畫按鈕動畫按鈕ABC1234ABCABCABC動畫按鈕動畫按鈕1234移動副的演化包容面與被包容面可互換移動副可平移123123R R轉(zhuǎn)

6、動副演化動畫按鈕動畫按鈕運(yùn)動鏈：若干個構(gòu)件和運(yùn)動副所連接成的可動系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)是具有確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈。機(jī)構(gòu)是具有確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈。在運(yùn)動鏈中，將在運(yùn)動鏈中，將某一個構(gòu)件某一個構(gòu)件加以固定，加以固定，而讓而讓另一個或幾個構(gòu)件另一個或幾個構(gòu)件按給定運(yùn)動規(guī)律按給定運(yùn)動規(guī)律相對固定構(gòu)件運(yùn)動時，如果運(yùn)動鏈中相對固定構(gòu)件運(yùn)動時，如果運(yùn)動鏈中其其余各構(gòu)件余各構(gòu)件都有確定的相對運(yùn)動，則此運(yùn)都有確定的相對運(yùn)動，則此運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)。動鏈成為機(jī)構(gòu)。并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動,圖中的鉸鏈就因為無法滿足兩個運(yùn)動軌跡圖中的鉸鏈就因為無法滿足兩個運(yùn)動軌跡而被卡住而被卡住. 運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈

7、 具有確定的相對運(yùn)動具有確定的相對運(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)桁架桁架運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈相對運(yùn)動不確定相對運(yùn)動不確定無相對運(yùn)動無相對運(yùn)動可能的情況可能的情況自由度：自由度：構(gòu)件所具有的獨立運(yùn)動的數(shù)目，或確定構(gòu)件位置所構(gòu)件所具有的獨立運(yùn)動的數(shù)目，或確定構(gòu)件位置所 需的獨立變量的數(shù)目需的獨立變量的數(shù)目約束：約束：運(yùn)動副對構(gòu)件獨立運(yùn)動所加的限制運(yùn)動副對構(gòu)件獨立運(yùn)動所加的限制1.2.1機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 具有確定運(yùn)動的條件具有確定運(yùn)動的條件 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件自由度數(shù)自由度數(shù)-構(gòu)件所具有的獨立運(yùn)動構(gòu)件所具有的獨立運(yùn)動的數(shù)目稱自由度。的數(shù)目稱自由度。ABq作平面運(yùn)動的剛作平面運(yùn)動的剛體有三個自由度體有三個自由

8、度xAyA（三個坐標(biāo)參數(shù)才能確定其位置,X.Y. ）q低副的引入減低副的引入減少兩個自由度少兩個自由度xq高副的引入減少高副的引入減少一個自由度一個自由度沿法線方向不能運(yùn)動沿法線方向不能運(yùn)動)(xfy 機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F(需要需要F個坐標(biāo)參數(shù)才個坐標(biāo)參數(shù)才能確定機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件的位置能確定機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件的位置)?；顒訕?gòu)件數(shù)目活動構(gòu)件數(shù)目低副數(shù)目低副數(shù)目高副數(shù)目高副數(shù)目hl23PPnF- - - 機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)hl23PPnF- - - 活動構(gòu)件數(shù)目活動構(gòu)件數(shù)目低副數(shù)目低副數(shù)目高副數(shù)目高副數(shù)目運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件：運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的

9、條件： 運(yùn)動鏈中取一個構(gòu)件相對固定作為機(jī)架，運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈中取一個構(gòu)件相對固定作為機(jī)架，運(yùn)動鏈 相對于機(jī)架的自由度必須大于零，且原動件數(shù)目相對于機(jī)架的自由度必須大于零，且原動件數(shù)目 等于運(yùn)動鏈自由度數(shù)。等于運(yùn)動鏈自由度數(shù)。 滿足此條件的運(yùn)動鏈即成為機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)自由度的滿足此條件的運(yùn)動鏈即成為機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)自由度的 計算可采用運(yùn)動鏈自由度的計算公式。計算可采用運(yùn)動鏈自由度的計算公式。運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件F 0，但原動件數(shù)目小，但原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目，運(yùn)動鏈于自由度數(shù)目，運(yùn)動鏈運(yùn)動不確定，不能成為運(yùn)動不確定，不能成為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)。 F = 33 - 24 = 12 個原動件個原動件F

10、 0，但原動件數(shù)目大，但原動件數(shù)目大于自由度數(shù)目，運(yùn)動鏈于自由度數(shù)目，運(yùn)動鏈被破壞，不能成為機(jī)構(gòu)。被破壞，不能成為機(jī)構(gòu)。并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動如何修改？如何修改？并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動并非任何一個運(yùn)動鏈都具有確定的運(yùn)動如何修改？如何修改？增加一個構(gòu)件和一個低副使自由度加增加一個構(gòu)件和一個低副使自由度加1，但，但應(yīng)注意：不要形成固定機(jī)架應(yīng)注意：不要形成固定機(jī)架低副改為高副可增加一個自由度低副改為高副可增加一個自由度10725323hl - - - - - - - PPnF例例 題題11826323hl - - - - - - - PPnF

11、1.2.2u 局部自由度局部自由度21323323F - - - - - - - hppnl11222323F - - - - - - - hppnl定義定義在某些機(jī)構(gòu)中，在某些機(jī)構(gòu)中，不影響其他構(gòu)件運(yùn)動的自不影響其他構(gòu)件運(yùn)動的自由度稱為由度稱為局部自由度局部自由度。處理辦法處理辦法把滾子固化把滾子固化在支承滾子的構(gòu)件上在支承滾子的構(gòu)件上。動畫按鈕u 復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈定義定義兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接，則構(gòu)成兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接，則構(gòu)成 復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈。處理辦法處理辦法nn個構(gòu)件在同一處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，實際轉(zhuǎn)動副個構(gòu)件在同一處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，實際轉(zhuǎn)動副 數(shù)目為（數(shù)目為（n-1n

12、-1）個）個。N-1個轉(zhuǎn)動副3DmFE56C4m7281AE1看一下哪里是復(fù)合鉸鏈?幾種典型復(fù)合鉸鏈幾種典型復(fù)合鉸鏈 虛約束虛約束定義定義對機(jī)構(gòu)運(yùn)動實際上不起限制作用的重復(fù)約束對機(jī)構(gòu)運(yùn)動實際上不起限制作用的重復(fù)約束。處理辦法處理辦法將機(jī)構(gòu)中構(gòu)成虛約束的構(gòu)件連同其所附帶的將機(jī)構(gòu)中構(gòu)成虛約束的構(gòu)件連同其所附帶的 運(yùn)動副去掉不計運(yùn)動副去掉不計 。自由度為何相同自由度為何相同?虛約束真實約束虛約束虛約束 在特定的幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運(yùn)動副所引入在特定的幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運(yùn)動副所引入的約束可能與其它運(yùn)動副所起的限制作用是一致的。這的約束可能與其它運(yùn)動副所起的限制作用是一致的。這種不起獨立限

13、制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。種不起獨立限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。平行移動副和同軸轉(zhuǎn)動副平行移動副和同軸轉(zhuǎn)動副重復(fù)傳動重復(fù)傳動機(jī)構(gòu)中存在不起作用的對稱部分機(jī)構(gòu)中存在不起作用的對稱部分為了傳遞較大功率，保持機(jī)構(gòu)受為了傳遞較大功率，保持機(jī)構(gòu)受力平衡，在機(jī)構(gòu)中增加對稱部分力平衡，在機(jī)構(gòu)中增加對稱部分公法線平行的高副公法線平行的高副等寬凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)存在一構(gòu)件同兩個以上存在一構(gòu)件同兩個以上構(gòu)件組成運(yùn)動副，而其構(gòu)件組成運(yùn)動副，而其中任意兩個都使該構(gòu)件中任意兩個都使該構(gòu)件運(yùn)動規(guī)跡相同。運(yùn)動規(guī)跡相同。 虛約束的引入，一般是為了改善機(jī)構(gòu)受力，增大傳遞功率虛約束的引入，一般是為了

14、改善機(jī)構(gòu)受力，增大傳遞功率 或者其它特殊需求；或者其它特殊需求； 計算機(jī)構(gòu)自由度時，不考慮虛約束的作用；計算機(jī)構(gòu)自由度時，不考慮虛約束的作用； 虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結(jié)構(gòu)條件，如果虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結(jié)構(gòu)條件，如果 這些條件被破壞，將轉(zhuǎn)化了實約束，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動；這些條件被破壞，將轉(zhuǎn)化了實約束，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動； 虛約束問題小結(jié)：虛約束問題小結(jié)： 機(jī)械設(shè)計中如果需要采用虛約束，必須保證設(shè)計、加工、裝機(jī)械設(shè)計中如果需要采用虛約束，必須保證設(shè)計、加工、裝 配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。動畫按鈕動畫按鈕求圖示機(jī)構(gòu)的自由度求圖示機(jī)構(gòu)

15、的自由度求圖示機(jī)構(gòu)的自由度求圖示機(jī)構(gòu)的自由度復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈局部自由度局部自由度1234567219273-F計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈各有兩個移動副各有兩個移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副 6移動副移動副 4構(gòu)件構(gòu)件 7自由度自由度1計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度局部自由度局部自由度計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度F=1計算自由度計算自由度計算自由度計算自由度F=1計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度虛約束虛約束F=1 為使研究低副機(jī)構(gòu)的方法能應(yīng)用為使研究低副機(jī)構(gòu)的方法能應(yīng)用于高副且研究兩者之間的關(guān)系，有必于高副且研究兩者之間的關(guān)系，有必要研究低副替代高

16、副的方法。要研究低副替代高副的方法。要求：要求：1。替代前后，機(jī)構(gòu)的自由度不變。替代前后，機(jī)構(gòu)的自由度不變2。原有構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù)不變。原有構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù)不變1.3 .1用低副替代高副的意義及方法用低副替代高副的意義及方法1.3機(jī)構(gòu)的組成原理02替代方法：替代方法： 用處于兩構(gòu)件接用處于兩構(gòu)件接觸點曲率中心的兩個觸點曲率中心的兩個低副和其間的虛設(shè)構(gòu)低副和其間的虛設(shè)構(gòu)件代替原來的高副。件代替原來的高副。01ABw w1w w2301AB0212自由度不變自由度不變構(gòu)件構(gòu)件1，2的角速的角速度等運(yùn)動參數(shù)不度等運(yùn)動參數(shù)不變變 兩轉(zhuǎn)動副各屬一個構(gòu)件，構(gòu)件要重畫，注意同兩轉(zhuǎn)動副各屬一個構(gòu)件，構(gòu)件要重畫，注

17、意同一構(gòu)件的運(yùn)動副元素。一構(gòu)件的運(yùn)動副元素。 對于非圓輪廓的兩個構(gòu)件，因?qū)τ诜菆A輪廓的兩個構(gòu)件，因在不同點接觸的曲率大小不同，可在不同點接觸的曲率大小不同，可沿用上述方法得到瞬時的替代機(jī)構(gòu)。沿用上述方法得到瞬時的替代機(jī)構(gòu)。01AB021201AB021201ABw w1w w2301AB021201ABw w1w w2301AB021201ABw w1w w23B趨于直線01AB021201AB02123如果構(gòu)件如果構(gòu)件2在接觸點的輪廓是直線，則轉(zhuǎn)動副在接觸點的輪廓是直線，則轉(zhuǎn)動副B演化為移動副。演化為移動副。01AB02123如果構(gòu)件如果構(gòu)件2在接觸點的輪廓是直線，則轉(zhuǎn)動副在接觸點的輪廓是直

18、線，則轉(zhuǎn)動副B演化為移動副。演化為移動副。01A1尖點是曲率無尖點是曲率無窮小的圓，因窮小的圓，因此替代方法如此替代方法如圖圖組成原理組成原理 任何機(jī)構(gòu)都可以看作是若干個自由度為零的基本桿組依次任何機(jī)構(gòu)都可以看作是若干個自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動機(jī)和機(jī)架上而構(gòu)成的，機(jī)構(gòu)的自由度等于原動件的聯(lián)接到原動機(jī)和機(jī)架上而構(gòu)成的，機(jī)構(gòu)的自由度等于原動件的數(shù)目，這就是數(shù)目，這就是機(jī)構(gòu)的組成原理機(jī)構(gòu)的組成原理。構(gòu)件構(gòu)件 + 運(yùn)動副運(yùn)動副 運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈 機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)機(jī)架機(jī)架原動件原動件若干基本桿組若干基本桿組桿組：自由度為零的不可再分的運(yùn)動鏈。桿組：自由度為零的不可再分的運(yùn)動鏈。機(jī)構(gòu)可視為由原動件和若干個桿組構(gòu)成。機(jī)構(gòu)可視為由原動件和若干個桿組構(gòu)成。 平面低副運(yùn)動鏈自由度平面低副運(yùn)動鏈自由度 F = 3n - 2PL 基本桿組基本桿組 F = 0PL = n32N=2,pl=3. II 級桿組III 級桿組 n=4,pl=6 注意找中心構(gòu)件。不能存在只有一個構(gòu)件的運(yùn)動副不能存在只有一個構(gòu)件的運(yùn)動副或只有一個運(yùn)動副的構(gòu)件?；蛑挥幸粋€運(yùn)動副的構(gòu)件。每個桿組拆分后自由度不變每個桿組拆分后自由度不變每個構(gòu)件和運(yùn)動副都只能屬于一每個構(gòu)件和運(yùn)動副都只能屬于一個桿組個桿組拆分