西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)CH02

1、2022-2-2第二章第二章 機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)的組成及 其自由度的計(jì)算其自由度的計(jì)算2-1 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成2-2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖2-3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件2-4 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算2-5 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)一、本章知識脈絡(luò)1、機(jī)構(gòu)的組成構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副 運(yùn)動(dòng)副元素運(yùn)動(dòng)鏈 平面閉式運(yùn)動(dòng)鏈氣缸體連桿體曲軸齒輪軸活塞2、本章以機(jī)構(gòu)整體為對象的有關(guān)知識機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算2、學(xué)習(xí)的難點(diǎn)二、學(xué)習(xí)的重點(diǎn)及難點(diǎn)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)鏈等的概念 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制 機(jī)構(gòu)具有確

2、定運(yùn)動(dòng)的條件及機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 1、學(xué)習(xí)的重點(diǎn)機(jī)構(gòu)中虛約束的判定 是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的表面。 是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動(dòng)聯(lián)接；2-1 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成1.構(gòu)件零件是機(jī)器中的一個(gè)獨(dú)立制造單元體；構(gòu)件是機(jī)器中的一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元體。 從運(yùn)動(dòng)來看，任何機(jī)器都是由若干個(gè)構(gòu)件組合而成的。 任何機(jī)器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副元素例 軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。2）按其相對運(yùn)動(dòng)形式分轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動(dòng)副螺旋副球面副還可分為平面運(yùn)動(dòng)副與空間運(yùn)動(dòng)副兩類。1）按其接觸形式分高副： 點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副低副： 面接觸的運(yùn)動(dòng)副（1）運(yùn)動(dòng)副的

3、分類機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成(2/4)3.運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的相對可動(dòng)的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動(dòng)鏈 （簡稱閉鏈）開式運(yùn)動(dòng)鏈 （簡稱開鏈）1234平面閉式運(yùn)動(dòng)鏈1234空間閉式運(yùn)動(dòng)鏈1234平面開式運(yùn)動(dòng)鏈12345空間開式運(yùn)動(dòng)鏈（2）運(yùn)動(dòng)副符號運(yùn)動(dòng)副常用規(guī)定的簡單符號來表達(dá)（GB446084）。各種常用運(yùn)動(dòng)副模型常用運(yùn)動(dòng)副的符號表機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成(3/4)1234 但當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)動(dòng)的機(jī)械上時(shí)則是運(yùn)動(dòng)的。 按給定已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；4.機(jī)構(gòu)具有固定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī) 架原動(dòng)件從動(dòng)件機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件；機(jī)構(gòu)中其余活動(dòng)構(gòu)件。1234平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)常分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)兩類，

4、其中平面機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。空間鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 一般機(jī)架相對地面固定不動(dòng)，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件機(jī)架從動(dòng)件原動(dòng)件機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成(4/4) 不嚴(yán)格按比例繪出的，只表示機(jī)械結(jié)構(gòu)狀況的簡圖。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸，按一定的比例尺定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，2-2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 在對現(xiàn)有機(jī)械進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)新機(jī)器時(shí)，都需要繪出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。1.何謂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖？ 例 內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 采用運(yùn)動(dòng)副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖符號和構(gòu)件的表示方法，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞情況表示出來的簡化圖形。機(jī)構(gòu)示意圖舉例：（2）選定視圖平面； （3

5、）選適當(dāng)比例尺，作出各運(yùn)動(dòng)副的相對位置，再畫出各運(yùn)動(dòng)副和機(jī)構(gòu)的符號，最后用簡單線條連接，即得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖(2/2)2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制繪制方法及步驟： （1）搞清機(jī)械的構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)情況，沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，查明組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類別及其位置；內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制2-3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件一個(gè)機(jī)構(gòu)在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)呢？兩個(gè)例子例1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)例2 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定；則機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定；則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定。 機(jī)構(gòu)的自由度 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立

6、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。 結(jié)論 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目F。若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，如果原動(dòng)件數(shù)F,則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不確定；則會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件(2/2) 結(jié)論： 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目F。2-4 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（1）計(jì)算公式F3n(2plph)式中：n為機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目；pl 為機(jī)構(gòu)的低副數(shù)目；ph為機(jī)構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例1）

7、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)F3n(2plph)3324012）鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)F3n(2plph)34250212345123413478 9101118ABCD,3）內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)F3n(2plph)362731機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(2/4)例2 楔形滑塊機(jī)構(gòu)解 因此機(jī)構(gòu)為全移動(dòng)副平面機(jī)構(gòu)，故m4，則F(6m)n(5m)p5(64)2(54)31 （2）含公共約束的空間機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公共約束F(6m)n (im)pii=m+15 由上式可知，公共約束m=0、1、2、3、4。故相應(yīng)的機(jī)構(gòu)分別稱為0族、1族、2族、3族、4族機(jī)構(gòu)（五類）。是指機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件均受到的共同的約束， 以m表示。機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

8、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(3/4)（3）空間開鏈機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 因空間開鏈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副總數(shù)p(= pi)等于其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n，i=156n (6fi)pii=15 fipii=15式中，fi為i級運(yùn)動(dòng)副的自由度，fi6i。例3 機(jī)械手開鏈機(jī)構(gòu)解 F(65)p5(64)p417219 因機(jī)械手具有9個(gè)自由度，故它運(yùn)動(dòng)的靈活性較大，可繞過障礙進(jìn)入作業(yè)區(qū)。F6n ipii=15故FEDCBGHA機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(4/4) 如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，且符合下列情況者，則為同一運(yùn)動(dòng)副，即只能算一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。2-5 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)1.要正確計(jì)算

9、運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目 由m個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，共有(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。（1）復(fù)合鉸鏈 （2）同一運(yùn)動(dòng)副 1）移動(dòng)副，且移動(dòng)方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動(dòng)副，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合； 3）平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合。A 是指機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的局部運(yùn)動(dòng)的自由度。 如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點(diǎn)處的公法線方向并不彼此重合，則為復(fù)合高副，相當(dāng)于一個(gè)低副（移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副）。（3）復(fù)合平面高副2.要除去局部自由度 局部自由度計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(2/6) 滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)為一個(gè)局部自由度， 在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將 機(jī)構(gòu)中的

10、局部自由度除去不計(jì)，即例2 滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)解F3n(2plph)故凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F32(221) 13.要除去虛約束 虛約束是指機(jī)構(gòu)中某些運(yùn)動(dòng)副帶入的對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起重復(fù)約束作用的約束，對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不產(chǎn)生約束效果。例3 平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)F3n(2plph)33241計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(3/6)當(dāng)增加一個(gè)構(gòu)件5和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F，且BE AF，則F3n(2plph)3426 0原因：構(gòu)件5 和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F 引入的一個(gè)約束為虛約束。 在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)從機(jī)構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目，故F3n(2plph)如平行四邊形五桿機(jī)構(gòu)的自由度

11、為F33241計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(4/6)（1）軌跡重合的情況 在機(jī)構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接的是兩個(gè)構(gòu)件上運(yùn)動(dòng)軌跡相重合的點(diǎn)，該聯(lián)接將帶入1個(gè)虛約束。 例如橢圓儀機(jī)構(gòu)就是這種情況（圖中：CAD90，BCBD）。 顯然，轉(zhuǎn)動(dòng)副C所聯(lián)接的C2、C3兩點(diǎn)的軌跡重合，將帶入一個(gè)虛約束。（2）用雙副桿聯(lián)接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點(diǎn)的情況 在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變， 若用一雙副桿將此兩點(diǎn)相連，也將帶入一個(gè)虛約束。計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(5/6)4機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)就屬于此種情況。 顯然，構(gòu)件 5和轉(zhuǎn)動(dòng)副E、