機械原理第二章機構的結構分析CH02

1、第二章第二章 機構的結構分析機構的結構分析2-1 2-1 機構結構分析的內(nèi)容及目的機構結構分析的內(nèi)容及目的2-2 2-2 機構的組成機構的組成2-3 2-3 機構運動簡圖機構運動簡圖2-4 2-4 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件2-5 2-5 機構自由度的計算機構自由度的計算2-6 2-6 計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項2-7 2-7 虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的 合理設計合理設計2-1 2-1 機構結構分析的內(nèi)容及目的機構結構分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：主要內(nèi)容及目的是： 研究機構的組成及機

2、構運動簡圖的畫法；研究機構的組成及機構運動簡圖的畫法； 了解機構具有確定運動的條件；了解機構具有確定運動的條件； 研究機構的組成原理及結構分類。研究機構的組成原理及結構分類。 是兩構是兩構件參與接觸而構成運動副的表面。件參與接觸而構成運動副的表面。 是兩構件直接接觸而構成的可是兩構件直接接觸而構成的可動連接；動連接；2-2 機構的組成機構的組成1. 構件（構件（Member）零件零件是機器中的一個獨立制造單元體；是機器中的一個獨立制造單元體；構件構件是機器中的一個獨立運動單元體。是機器中的一個獨立運動單元體。 從運動來看，任何機器都是由若干個從運動來看，任何機器都是由若干個構件組合而成的。構件

3、組合而成的。 任何機器都是由許多零件組合而成的。任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體氣缸體連桿體連桿體連連桿桿頭頭曲軸曲軸齒輪齒輪活塞活塞2.運動副（運動副（Kinematic Pair）運動副運動副運動副元素（運動副元素（Pairing Element）例例2-1軸與軸承軸與軸承、滑塊與導軌滑塊與導軌、兩輪齒嚙合兩輪齒嚙合。3 3）按其相對運動形式分）按其相對運動形式分轉動副轉動副（回轉副回轉副或或鉸鏈鉸鏈）移動副移動副螺旋副螺旋副球面副球面副4 4）運動副還可分為）運動副還可分為平面運動副平面運動副與與空間運動副空間運動副兩類。兩類。2 2）按其接觸形式分）按其接觸形式分高副高副： 點

4、、線接觸的運動副點、線接觸的運動副低副低副： 面接觸的運動副面接觸的運動副（1 1）運動副的分類）運動副的分類1 1）按其引入的約束數(shù)目分：）按其引入的約束數(shù)目分： 級副級副、 級副級副、 級副級副。機構的組成機構的組成(2/4)3.運動鏈運動鏈構件通過運動副的連接而構成的相對可動的系統(tǒng)。構件通過運動副的連接而構成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈閉式運動鏈 （簡稱（簡稱閉鏈閉鏈）開式運動鏈開式運動鏈 （簡稱（簡稱開鏈開鏈）平面閉式運動鏈平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（運動副

5、常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB446084）。）。各種常用運動副模型各種常用運動副模型常用運動副的符號表常用運動副的符號表機構的組成機構的組成(3/4)12341234123412345 但當機但當機構安裝在運動的機械上時則是運動的。構安裝在運動的機械上時則是運動的。 按給定已知運動規(guī)律按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構件；獨立運動的構件；4.機構機構 其中一構件固定為機架的運動鏈稱其中一構件固定為機架的運動鏈稱為為機構機構。機架機架原動件原動件從動件從動件機構中相對固定的構件。機構中相對固定的構件。機構中其余活動構件。機構中其余活動構件。平面鉸鏈四桿機構平面鉸鏈四桿機構 機構常分為機構常分為平面

6、機構平面機構和和空間機構空間機構兩類，兩類，其中平面機構應用最為廣泛。其中平面機構應用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構空間鉸鏈四桿機構 一般機架相對地面固定不動，一般機架相對地面固定不動，常以箭頭表示運動規(guī)律。常以箭頭表示運動規(guī)律。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構的結構及構件的尺寸。和機構的結構及構件的尺寸。機架機架原動件原動件從動件從動件機架機架從動件從動件原動件原動件機構的組成機構的組成(4/4)12341234 不嚴格按比例繪出的，只表示機械結構狀況的不嚴格按比例繪出的，只表示機械結構狀況的簡圖。簡圖。 根據(jù)機構的運動尺寸，按一定的比例尺定出根據(jù)機構的運動

7、尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，各運動副的位置，2-3 機構運動簡圖機構運動簡圖 在對現(xiàn)有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構在對現(xiàn)有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構運動簡圖。運動簡圖。1.機構運動簡圖機構運動簡圖 例例2-2 內(nèi)燃機機構運動簡圖內(nèi)燃機機構運動簡圖。機構運動簡圖機構運動簡圖 采用采用運動副運動副及及常用機構運動簡圖常用機構運動簡圖符號符號和和構件的構件的表示方法表示方法，將機構運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。，將機構運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構示意圖機構示意圖舉例舉例：（2）選定視圖平面；）選定視圖平面； （3）選適當比例尺和合適的原動件位置

8、，作出各運動副的相）選適當比例尺和合適的原動件位置，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構的符號，最后用簡單線條連接，對位置，再畫出各運動副和機構的符號，最后用簡單線條連接，即得機構運動簡圖。即得機構運動簡圖。機構運動簡圖機構運動簡圖(2/2)2. 機構運動簡圖的繪制機構運動簡圖的繪制繪制方法及步驟：繪制方法及步驟： （1）搞清機械的構造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明）搞清機械的構造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構的構件數(shù)目、運動副的類別及其位置；組成機構的構件數(shù)目、運動副的類別及其位置；內(nèi)燃機機構運動簡圖繪制內(nèi)燃機機構運動簡圖繪制顎式破碎機機構運動簡圖繪制顎式破碎機機構運

9、動簡圖繪制2-4 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件一個機構在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？一個機構在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？兩個例子兩個例子例例2-3 鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構例例2-4 鉸鏈五桿機構鉸鏈五桿機構若若給定機構一個獨立運動給定機構一個獨立運動， 則機構的運動完全確定；則機構的運動完全確定；若若給定機構兩個獨立運動給定機構兩個獨立運動， 則機構的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。則機構的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若若給定機構一個獨立運動給定機構一個獨立運動， 則機構的運動不確定；則機構的運動不確定；若若給定機構兩個獨立運動給定機構兩個獨立運動， 則機構的運動完全確定。則機構的運動完全確定

10、。 機構的自由度機構的自由度 機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。表示。 結論結論 機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)目應等機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)目應等于機構的自由度數(shù)目于機構的自由度數(shù)目F。如果原動件數(shù)如果原動件數(shù)F,則機構的運動將不確定；則機構的運動將不確定；則會導致機構最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。則會導致機構最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件(2/2) 結論：結論： 機構具有確定運動的條件是：機構原動件數(shù)目應等于機構的機構具有確定運動的條件是：機構原動件數(shù)目應

11、等于機構的自由度的數(shù)目自由度的數(shù)目F。2-5 機構自由度的計算機構自由度的計算1. 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算（1）計算公式）計算公式F3n(2plph)式中：式中：n為機構的活動構件數(shù)目；為機構的活動構件數(shù)目；pl 為機構的低副數(shù)目為機構的低副數(shù)目；ph為機構的高副數(shù)目為機構的高副數(shù)目。平面運動副平面運動副低副低副高副：高副：轉動副：轉動副：移動副：移動副： 引入兩個約束（一個平動、一個引入兩個約束（一個平動、一個轉動），保留一個平動自由度轉動），保留一個平動自由度引入兩個約束（兩個平動），保引入兩個約束（兩個平動），保留一個轉動自由度留一個轉動自由度引入一個約束（平動），保留

12、一個引入一個約束（平動），保留一個平動和一個轉動自由度平動和一個轉動自由度一個平面運動構件具有三個自由度一個平面運動構件具有三個自由度1）鉸鏈四桿機構）鉸鏈四桿機構F3n(2plph)3324012）鉸鏈五桿機構）鉸鏈五桿機構F3n(2plph)3425021234512343）內(nèi)燃機機構）內(nèi)燃機機構F3n(2plph)3627311 13 34 47 78 8 9 9101011111818A AB BC CD D, ,機構自由度的計算機構自由度的計算(2/5)其約束數(shù)為其約束數(shù)為i (i =1, 2, . 5)，則，則2. 空間機構自由度的計算空間機構自由度的計算（1）一般空間機構自由度的

13、計算）一般空間機構自由度的計算設一空間機構共有設一空間機構共有n個活動構件，個活動構件，pi個個i級運動副，級運動副，F(xiàn)6n(5p54p43p32p2p1)6nipii=15例例2-5 空間四桿機構空間四桿機構解解F6n5p54p43p36352 311機構自由度的計算機構自由度的計算(3/5)1B2C3DA4例例2-6 楔形滑塊機構楔形滑塊機構解解 因此機構為全移動副平面機構，故因此機構為全移動副平面機構，故m4，則，則F(6m)n(5m)p5(64)2(54)31 （2）含公共約束的空間機構自由度的計算）含公共約束的空間機構自由度的計算公共約束公共約束F(6m)n (im)pii=m+15

14、 由上式可知，公共約束由上式可知，公共約束m=0,1,2,3,4。故相應的機構分別。故相應的機構分別稱為稱為0族、族、1族、族、2族、族、3族、族、4族機構族機構（五類）。（五類）。是指機構中所有構件均受到的共同的約束，是指機構中所有構件均受到的共同的約束， 以m表示。機構自由度的計算機構自由度的計算(4/5)（3）空間開鏈機構的自由度計算）空間開鏈機構的自由度計算 因空間開鏈機構運動副總數(shù)因空間開鏈機構運動副總數(shù)p(= pi)等于其活動構件數(shù)等于其活動構件數(shù)n，i=156n (6fi)pii=15式中，式中，fi為為i級運動副的自由度，級運動副的自由度，fi6i。例例2-7 機械手開鏈機構機

15、械手開鏈機構解解 F(65)p5(64)p417219 因機械手具有因機械手具有9個自由度，故它運動的靈活性較大，可繞過障個自由度，故它運動的靈活性較大，可繞過障礙進入作業(yè)區(qū)。礙進入作業(yè)區(qū)。F6n ipii=15故故機構自由度的計算機構自由度的計算(5/5)F FE ED DC CB BG GH HA A fi pii=15 如果兩構件在多處如果兩構件在多處接觸而構成運動副，且符合下列情況者，接觸而構成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副。則為同一運動副，即只能算一個運動副。2-6 計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項1. 要正確計算運動副的

16、數(shù)目要正確計算運動副的數(shù)目 由由m個構件組成的復合個構件組成的復合鉸鏈，共有鉸鏈，共有(m-1)個轉動副。個轉動副。（1）復合鉸鏈復合鉸鏈 （2）同一運動副同一運動副 1）移動副，且移動方向彼此平行或）移動副，且移動方向彼此平行或重合；重合；2）轉動副，且轉動軸線重合；）轉動副，且轉動軸線重合； 3）平面高副，且各接觸點處的公法）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。線彼此重合。 A 是指機構中某些構件所產(chǎn)生的不影響其他構件運動的局部運動的自由度， 如果兩構件在多處接觸而構成平面高副，但各接觸點處的公如果兩構件在多處接觸而構成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當

17、于一個低副（移動法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉動副）。副或轉動副）。（3）復合平面高副復合平面高副2.要除去局部自由度要除去局部自由度 局部自由度局部自由度以以F表示。表示。計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(2/6) 滾子繞其軸線的轉動為一個局部自滾子繞其軸線的轉動為一個局部自由度，由度， 在計算機構自由度時，應將在計算機構自由度時，應將 F從計算從計算公式中減去，即公式中減去，即例例2-8 滾子推桿凸輪機構滾子推桿凸輪機構解解F3n(2plph) F故凸輪機構的自由度為故凸輪機構的自由度為F33(231)113.要除去虛約束要除

18、去虛約束 虛約束虛約束是指機構中某些運動副帶入的是指機構中某些運動副帶入的對對機構運動起重復約束作用的約束，以機構運動起重復約束作用的約束，以 p表表示。示。例例2-9 平行四邊形四桿機構平行四邊形四桿機構F3n(2plph) F33(240)01計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(3/6)當增加一個構件當增加一個構件5和兩個轉動副和兩個轉動副E、F， 且且 BE AF，則，則F3n(2plph) F34(260)00原因：原因：構件構件5 和兩個轉動副和兩個轉動副E、F 引入的一個約束為虛約束。引入的一個約束為虛約束。 在計算機構的自由度時，應從機構的約束數(shù)中減

19、去虛約束數(shù)在計算機構的自由度時，應從機構的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目目p，故故F3n(2plph p) F如平行四邊形五桿機構的自由度為如平行四邊形五桿機構的自由度為F34(2601)0 1計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(4/6)（1）軌跡重合的情況）軌跡重合的情況 在機構中，如果用轉動副連接的是在機構中，如果用轉動副連接的是兩個構件上運動軌跡相重合的點，該連兩個構件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入接將帶入1個虛約束。個虛約束。 例如橢圓儀機構就是這種情況（圖例如橢圓儀機構就是這種情況（圖中：中：CAD90，BCBD）。）。 顯然，轉動副顯然，轉動副C所連接的所

20、連接的C2、C3兩點兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿連接兩構件上距離恒定不變的兩點的情況）用雙副桿連接兩構件上距離恒定不變的兩點的情況 在機構運動過程中，如果兩構件上兩點之間的距離始終保持在機構運動過程中，如果兩構件上兩點之間的距離始終保持不變，不變， 若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(5/6)4機構中的虛約束常發(fā)生的幾種情況機構中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機構就屬于此種情況。例如圖示平行四邊形機構就屬于此種情

21、況。 顯然，構件顯然，構件 5和轉動副和轉動副E、F所聯(lián)所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。帶入一個虛約束。（3）結構重復的情況）結構重復的情況 在機構中，不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束為在機構中，不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。例如圖示輪系就屬于這種情況。 顯然，從機構運動傳遞來看，僅顯然，從機構運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構的運動傳遞，故帶入輪并不影響機構的運動傳遞，故帶入了虛約束，且了虛約束，且p2。計算平面機構自

22、由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(6/6) 2-7 虛約束對機構工作性能的影響虛約束對機構工作性能的影響 及機構結構的合理設計及機構結構的合理設計1.虛約束對機構工作性能的影響虛約束對機構工作性能的影響（1）虛約束的作用）虛約束的作用（2）虛約束對機構運動的影響）虛約束對機構運動的影響 虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構的性能。時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構的性能。例如平行四邊形機構，例如平行四邊形機構， 若誤差較小，則機構裝配困難，若誤差較小，則機

23、構裝配困難，應力將增大，運動不靈活；應力將增大，運動不靈活； 若誤差較大，則機構無法裝配，若若誤差較大，則機構無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構件的受力情況；為了改善構件的受力情況；增加機構的剛度；增加機構的剛度；保證機械通過某些特殊位置。保證機械通過某些特殊位置。 機構中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就機構中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。越高。 結論結論 從保證機構運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應從保證機構運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應盡量減少機構的虛約束。因此，虛約束的多少是機構性能的一個盡量

24、減少機構的虛約束。因此，虛約束的多少是機構性能的一個重要指標。重要指標。2.機構結構的合理設計機構結構的合理設計 機構結構的合理設計是指在不影響機構其他性能的前提下，機構結構的合理設計是指在不影響機構其他性能的前提下，通過運動副類型的合理選擇和裝配來盡可能減少虛約束的問題。通過運動副類型的合理選擇和裝配來盡可能減少虛約束的問題。 （1） 族別虛約束族別虛約束 將某些機構視為將某些機構視為0族機構時機構所存在的族機構時機構所存在的虛約束的數(shù)目，以虛約束的數(shù)目，以p表示，表示， 則則 pFF0式中：式中：F 為機構的實際自由度；為機構的實際自由度；F0為機構被視為為機構被視為0族機構時的自由度數(shù)目

25、。族機構時的自由度數(shù)目。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(2/4)例例2-10 平面鉸鏈四桿機構平面鉸鏈四桿機構F(6m)n(5m)p5(63)3(53)41F06n5p563542故故 pFF01(2)3 顯然，這三個族別虛約束存在的條件是：所有鉸鏈的軸線要顯然，這三個族別虛約束存在的條件是：所有鉸鏈的軸線要彼此平行。彼此平行。若不滿足上述條件，則機構將變成為若不滿足上述條件，則機構將變成為F02的結構了。的結構了。（2）消除或減少族別虛約束的方法消除或減少族別虛約束的方法 通過合理選擇和配置運動副的類型來消除或減少機構中族別通過合

26、理選擇和配置運動副的類型來消除或減少機構中族別虛約束。虛約束。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(3/4)例例2-11 鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構 將轉動副將轉動副B、C改為球面副和球銷副，則機構變?yōu)楦臑榍蛎娓焙颓蜾N副，則機構變?yōu)?族機構，族機構，即無族別虛約束。即無族別虛約束。F6n5p54p43p3635241311例例2-12 曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構 將轉動副將轉動副C變?yōu)榍蛎娓?，則此機構可減變?yōu)榍蛎娓保瑒t此機構可減少少2個族別虛約束。個族別虛約束。例例2-13 正切機構正切機構 將其低副用高副替代，即將其低副用高副替代，即變?yōu)楹?/p>

27、點接觸的高副機構，則變?yōu)楹c接觸的高副機構，則此機構中無虛約束。此機構中無虛約束。 虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(4/4) 任何機構都可看作任何機構都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構成的。機架而構成的。 不能再拆的最簡單的自不能再拆的最簡單的自由度為零的構件組，稱由度為零的構件組，稱阿蘇爾阿蘇爾或或桿組桿組。2-8 平面機構的組成原理、結構平面機構的組成原理、結構 分類及結構分析分類及結構分析1. 平面機構的組成原理平面機構的組成原理例例2-14 顎式碎礦機顎式碎礦機1）基本桿

28、組基本桿組： 2）機構組成原理機構組成原理：例例2-15 顎式碎礦機顎式碎礦機 注意注意 在桿組并接時，不能將同一桿在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構件上，否組的各個外接運動副接于同一構件上，否則將起不到增加桿組的作用。則將起不到增加桿組的作用。（1）基本桿組的條件）基本桿組的條件3n2plph0式中式中n、pl及及ph分別為基本桿組中的構件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。分別為基本桿組中的構件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。全為低副桿組的條件全為低副桿組的條件3n2pl0或或 n/2pl/3 （2）桿組的基本類型）桿組的基本類型1）級桿組級桿組 由由2個構件和個構件和3個低副構成的桿組。個低副構

29、成的桿組。2）級桿組級桿組 由由4個構件和個構件和6個低副構成的桿組。個低副構成的桿組。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(2/4)ABC12a)ABC12b)AC12c)BABC12d)ABC12e)ABCDEF1234a)ABCDEF1234b)ABCDEF1234c)3. 平面機構的結構分析平面機構的結構分析（1）分析的目的）分析的目的了解機構的組成，確定機構的級別。了解機構的組成，確定機構的級別。（2）分析的方法）分析的方法1）先計算機構的自由度，并確定原動件；）先計算機構的自由度，并確定原動件； 2）從遠離原動件的構件先試拆）從遠離原動件的構件先試拆級組，若不成；再拆級組，若不成；再拆級組，直至只剩下原動件和機架為止；級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構的級別。）最后確定機構的級別。（3）舉例）舉例破碎機機構的結構分析：破碎機機構的結構分析：1）若取機構）若取機構1為原動件時，為原動件時， 此機構為此機構為級機構。級機構。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(3/4)2）若取構件5為原動件時，先試拆級桿組， 顯然，這種拆法不成。再試拆級組， 故此機構為