機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、計算和原理

1、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、計算和原理1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容和目的2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的運動簡圖機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)自由度的計算計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項7 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析本章重點、難點重點1.掌握有關(guān)機構(gòu)的概念。2.掌握平面機構(gòu)運動簡圖的繪制方法和步驟。3.掌握機構(gòu)具有確定運動的條件及平面機構(gòu)自由度的計算4.掌握平面低副機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和組成原理，能根據(jù)給定的機構(gòu)運動簡圖進(jìn)行拆桿組，并確定機構(gòu)的級別。難點掌握機構(gòu)自由度的正確計算方法是本章的難點。計算時必須考慮幾種特殊情況，如復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束等情況。尤其注意到各種虛約束出現(xiàn)的場合是有條件的。2.1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

2、的內(nèi)容和目的研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)簡圖的畫法。2. 了解機構(gòu)具有確定運動的條件。3. 研究機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。零件(part) 獨立的制造單元；構(gòu)件(link) 獨立的運動單元。1 構(gòu)件套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋內(nèi)燃機連桿2.2 機構(gòu)的組成運動副由兩個構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運動的連接。三個條件缺一不可： a)兩個構(gòu)件，b) 直接接觸，c) 有相對運動。運動副元素兩構(gòu)件構(gòu)成運動副的直接接觸的部分（點、線、面）。作者：潘存云教授2 運動副運動副的分類： 按引入的約束數(shù)數(shù)目： I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。 構(gòu)件受到約束后自由度減少，每加上一個約束，便失去一個

3、自由度，自由度與約束數(shù)之和為6。 提供一個約束條件的，稱為I級副。其余依此類推。I級副II級副III級副IV級副V級副1V級副2V級副3兩者關(guān)聯(lián) 按運動副元素分有 面接觸（應(yīng)力低）的運動副稱為低副，例如轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副 ； 點、線接觸的運動副（應(yīng)力高）稱為高副，例如滾動副、凸輪副、齒輪副等。 按封閉形式分有 幾何（形）封閉運動副借助于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀所產(chǎn)生的幾何約束來封閉的運動副。 力封閉運動副借助于重力、彈簧力、氣液壓力等來封閉的運動副。 按相對運動分有 轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副、鉸鏈） 兩構(gòu)件之間的相對運動為轉(zhuǎn)動的運動副 。 移動副兩構(gòu)件之間的相對運動為移動的運動副。 螺旋副兩構(gòu)件之間的相對運

4、動為螺旋運動的運動副。 球面副兩構(gòu)件之間的相對運動為球面運動的運動副。 按相對運動范圍分有平面運動副平面運動(plannar kinematic pair)空間運動副空間運動(spatial kinematic pair )例如球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關(guān)節(jié)。平面機構(gòu)全部由平面運動副組成的機構(gòu)?？臻g機構(gòu)至少含有一個空間運動副的機構(gòu)。運動副的圖形符號已經(jīng)有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 4460/T1984)。下表為常用運動副的類型及其代表符號。構(gòu)件和運動副的表示方法雙副三副構(gòu)件兩構(gòu)件為活動構(gòu)件有一個構(gòu)件固定121212121221轉(zhuǎn)動副12兩構(gòu)件為活動構(gòu)件有一個構(gòu)件固定1212121212121212移動副

5、齒輪的輪齒與輪齒接觸凸輪與從動件的接觸高副1212122121213 運動鏈運動鏈兩個以上的構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的系統(tǒng)。分為閉式運動鏈和開式運動鏈兩種。1個或幾個1個機構(gòu)將運動鏈中某一構(gòu)件固定，而其余構(gòu)件相對于它有確定 運動，此種運動鏈稱為機構(gòu) 。機架作為參考系的構(gòu)件，如機床床身、車輛底盤、飛機機身。主（原）動件按給定運動規(guī)律相對于機架獨立運動的構(gòu)件。主動件往往也是驅(qū)動力作用的構(gòu)件，即原動件。從動件除主動件之外，其余相對于機架運動的構(gòu)件。機構(gòu)的組成：機構(gòu)機架原動件從動件若干4 機構(gòu)2.3 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖用以說明機構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系的簡單圖形。作用： 表示機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運

6、動情況。 作為運動分析和動力分析的依據(jù)。機構(gòu)運動簡圖符號已經(jīng)有國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件及各種機構(gòu)的表示符號作了規(guī)定。下表為常用機構(gòu)運動簡圖符號。機構(gòu)運動簡圖應(yīng)滿足的條件： 構(gòu)件數(shù)目與實際相同; 運動副的特點、數(shù)目與實際相符; 運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比例。機構(gòu)示意圖不按精確比例繪制的簡圖。繪制機構(gòu)運動簡圖的思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運動傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運動副的類型，并用符號表示出來。順口溜： 先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍， 數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少，再看它們怎相連。繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟： 運轉(zhuǎn)機械，搞清楚運動副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目； 測量各

7、運動副之間的尺寸，選視圖平面（通常選與運動平面平行的平面），繪制示意圖； 按比例繪制運動簡圖； 檢驗機構(gòu)是否滿足運動確定的條件。EC顎式破碎機舉例：繪制破碎機的機構(gòu)運動簡圖。分析：該例題中各構(gòu)件全部由轉(zhuǎn)動副連接而成，其中O、E、F三處是與機架相連的固定鉸鏈，原動件為AO，作整周旋轉(zhuǎn)。難點：關(guān)鍵是搞清楚原動構(gòu)件AO是一個作整周旋轉(zhuǎn)的偏心輪，不容易看出。BDFAO2.4 機構(gòu)運動確定的條件機構(gòu)的自由度：保證機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，常用F表示。機構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度的數(shù)目。原動件驅(qū)動力作用的，相對于機架能獨立運動的構(gòu)件。給定S3S3(t)，一個獨立參數(shù)11（t）

8、唯一確定，該機構(gòu)僅需要一個獨立參數(shù)。 若僅給定11（t）,則2 3 4 均不能唯一確定。若同時給定1和4 ，則3 2 能唯一確定，該機構(gòu)需要兩個獨立參數(shù)。4S3123S312341因為一個原動件只能提供一個獨立參數(shù)，所以機構(gòu)具有確定運動的條件為：自由度原動件數(shù)。1.平面機構(gòu)自由度的計算2.5 機構(gòu)自由度的計算yx(x , y)F = 3o作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數(shù)（x，y, ）才能唯一確定。平面機構(gòu)中每個自由構(gòu)件具有三個自由度。自由構(gòu)件的自由度數(shù)運動副 自由度數(shù)F 約束數(shù)R回轉(zhuǎn)副 1（） + 2（x，y） = 3Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F

9、=2結(jié)論：構(gòu)件自由度3約束數(shù)自由構(gòu)件的自由度數(shù)約束數(shù)移動副 1（x） + 2（y，）= 3高 副 2（x,） + 1（y） = 3yx12經(jīng)運動副相連后，由于有約束，構(gòu)件自由度會有變化：活動構(gòu)件數(shù) n 計算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度 低副約束數(shù) 高副約束數(shù) 3n 2 PL1 Ph推廣到一般情況：設(shè)一個平面機構(gòu)，共有n個活動構(gòu)件，用PL個低副和PH個高副連接。如上所述，一個沒有任何約束的構(gòu)件作平面運動時具有3個自由度，一個低副有兩個約束條件，一個高副有一個約束條件。因此： 例題 計算曲柄滑塊機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n = 3 低副數(shù)PL

10、 = 4 高副數(shù)PH = 0F = 3n 2PL PH = 33 24 = 1 123例題 計算五桿鉸鏈機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n = 4 低副數(shù)PL = 5 高副數(shù)PH = 0F=3n 2PL PH =34 25 =2 12341例題 計算圖示凸輪機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n = 2 低副數(shù)PL = 2 高副數(shù)PH = 1F=3n 2PL PH =32 221 =1123 復(fù)合鉸鏈。兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連。每兩個構(gòu)件之間構(gòu)成一個轉(zhuǎn)動副，因此，當(dāng)有m個構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連時，有m1轉(zhuǎn)動副。此處有兩個低副2.6 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1.要正確計算運動副的數(shù)目例題

11、 求圖示圓盤鋸機構(gòu)的自由度。解：在B、C、D、E四處各有三個構(gòu)件形成復(fù)合鉸鏈，每處有 2 個運動副，因此有 活動構(gòu)件數(shù) n = 7 低副數(shù)PL = 10F=3n 2PL PH =37 2100 =1如果不考慮復(fù)合鉸鏈，低副數(shù)目為6個，則計算的自由度數(shù)為9，顯然計算有誤！12345678ABCDEF圓盤鋸機構(gòu) 同軸、平行或法線重合，均只算一個運動副。b.兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，且導(dǎo)路平行。 a.兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且同軸。c.兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。注意： 法線不重合時，變成實際約束！W 復(fù)合高副，相當(dāng)于一個低副。AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA如果兩構(gòu)件在多處相接觸所構(gòu)成

12、的平面高副，在各接觸點處的公法線方向彼此不重合，就構(gòu)成了復(fù)合高副。轉(zhuǎn)動副移動副例題 計算圖示兩種凸輪機構(gòu)的自由度。解：如果不考慮局部自由度，那么有 n=3 , PL = 3, PH = 1F = 3n 2PL PH = 33 23 1 = 2對于右邊的機構(gòu)，有： F=32 22 1=1 第一例計算結(jié)果顯然有誤。事實上，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速一樣時，兩個機構(gòu)中從動件的運動完全相同，且兩個機構(gòu)的 F=1。加裝滾子的好處在于將滑動摩擦變成滾動摩擦以減小摩擦力。1231232. 要除去局部自由度定義：構(gòu)件局部運動所產(chǎn)生的自由度。 局部自由度常出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算機構(gòu)自由度時應(yīng)去掉。否則會出錯。解：若套用公式

13、直接計算有 n=4，PL=6，PH=0 F = 3n 2PL PH = 34 26 = 0事實上，該機構(gòu)是可以運動的，老式的蒸汽機火車頭車輪驅(qū)動就采用了該機構(gòu)。3. 要除去虛約束對機構(gòu)的運動實際不起作用的約束。計算自由度時應(yīng)去掉虛約束。因為 AB CD FE ，故增加構(gòu)件4前后E點的軌跡都是圓弧。增加了構(gòu)件4 ，帶來3個自由度，同時多了2個轉(zhuǎn)動副，帶來了4個約束。但增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4后變?yōu)橄聢D，重新計算得 F=1。例題 已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形機構(gòu)的自由度。 1234ABCDEF1234ABCDEF4F特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：ABCDEF出現(xiàn)虛約束的場

14、合：a.兩構(gòu)件連接前后，連接點的軌跡重合。 如平行四邊形機構(gòu)，火車輪，橢圓儀等。b.運動時，兩構(gòu)件上的兩點距離始終不變。c.對運動不起作用的對稱部分。如多個行星輪。EF虛約束虛約束虛約束虛約束注意：各種出現(xiàn)虛約束的場合都是有條件的 !虛約束的作用： 改善構(gòu)件的受力情況，如多個行星輪。 增加機構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機床導(dǎo)軌。 使機構(gòu)運動順利，避免運動不確定，如車輪。 機構(gòu)具有確定運動的條件是：原動件數(shù)自由度。 現(xiàn)設(shè)想將機構(gòu)中的原動件和機架從機構(gòu)中斷開，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)拆分成更簡單的F0的構(gòu)件組，直到不能再拆為止。2.7 平面機構(gòu)的組成原理、

15、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析定義：最簡單的F0的構(gòu)件組，稱為基本桿組。F=1F=01）平面機構(gòu)的組成原理由上述機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的過程可知，平面機構(gòu)的組成原理是：任何機構(gòu)都可以看作是由若干個基本桿組依次連接到原動件和機架上所組成。在設(shè)計一個新機構(gòu)時，可先選定機架，并將等于該機構(gòu)自由度數(shù)的若干個原動件用低副連接于機架上，然后將各個基本桿組連接于機架和原動件上，即可完成該簡圖的設(shè)計。例如下圖所示牛頭刨床主機構(gòu)的設(shè)計過程。12345EDA6CB牛頭刨床主機構(gòu)的組成原理D45E1A612345EDA6CB23CBD45E123A6CB2）平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類：設(shè)基本桿組中有n個構(gòu)件，PL個低副，則由條件F0有： F3n

16、2PLPH0 (低副機構(gòu)中PH0 ) 因為 PL 為整數(shù)， 所以 n只能取偶數(shù)。 n 2 4 PL 3 6 其中最簡單的組合是n=2 ， PL=3。這種基本桿組稱為II級組應(yīng)用最廣而又最簡單的基本桿組。共有以下5 種類型：得 PL3n/2n=4 （PL6）的事級組有以下四種類型:結(jié)構(gòu)特點：其中一個構(gòu)件有三個運動副。級組在實際機構(gòu)中應(yīng)用很少。機構(gòu)命名方式：按所含最高桿組級別命名，如級機構(gòu)，級機構(gòu)等。必須強調(diào)指出： 桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構(gòu)件上，否則將成為剛體。 例如下圖中兩種情況桿組都不能運動。 機構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。3）平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 計算機構(gòu)的自由度，確定原動件。 從遠(yuǎn)離原動件的地方開始拆桿組。先試拆級組，當(dāng)不可能時再試拆級組。但應(yīng)注意，每拆出一個桿組后，剩下的部分仍組成機構(gòu)，且自由度與原機構(gòu)相同，直至全部桿組拆出只剩下級機構(gòu)。確定機構(gòu)的級別。舉例：圖示八桿機構(gòu)中，若分別以構(gòu)件1、6、7為作為原動件，試將其拆分成基本機構(gòu)和基本桿組。解：當(dāng)構(gòu)件1作為原動件時，拆分所得桿組最高級別為級組，故原機構(gòu)為級機構(gòu)。71324568級組 級機構(gòu)當(dāng)構(gòu)件6作為原