第二章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

2/1/2023第2章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析§2-1

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的§2-2

機(jī)構(gòu)的組成§2-3

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖§2-4

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件§2-5

機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算§2-6

計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)§2-7

平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析返回§2-1

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：研究機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的畫法；了解機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；研究機(jī)構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。§2-2

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(lái)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構(gòu)件往往是由若干零件剛性地聯(lián)接在一起的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的整體真實(shí)連桿連桿體連桿頭螺栓螺母墊圈為兩構(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

機(jī)構(gòu)的組成2.運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副元素例軸與軸承、

圓柱面與圓孔面棱柱面與棱孔面兩輪輪齒曲面

空間兩構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副，其自由度

f和約束數(shù)

s

滿足

f+s=6滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。3）按其相對(duì)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。2）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)副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：Ⅰ級(jí)副、Ⅱ級(jí)副、……Ⅴ級(jí)副。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(duì)可動(dòng)的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱閉鏈）開式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱開鏈）平面閉式運(yùn)動(dòng)鏈空間閉式運(yùn)動(dòng)鏈平面開式運(yùn)動(dòng)鏈空間開式運(yùn)動(dòng)鏈（2）運(yùn)動(dòng)副符號(hào)運(yùn)動(dòng)副常用規(guī)定的簡(jiǎn)單符號(hào)來(lái)表達(dá)（GB4460－84）。各種常用運(yùn)動(dòng)副模型常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)表機(jī)構(gòu)的組成(3/4)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。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，其中平面機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)一般機(jī)架相對(duì)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(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(jiǎn)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，§2-3

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在對(duì)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(jiǎn)圖。1.何謂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖？

例

內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

采用運(yùn)動(dòng)副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)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(lái)的簡(jiǎn)化圖形。機(jī)構(gòu)示意圖內(nèi)燃機(jī)及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當(dāng)比例尺，作出各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，再畫出各運(yùn)動(dòng)副和機(jī)構(gòu)的符號(hào)，最后用簡(jiǎn)單線條連接，即得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(2/2)2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖繪制顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制§2-4

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？先來(lái)看兩個(gè)例子：例1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)例2

鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定。

機(jī)構(gòu)的自由度結(jié)論機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。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。如果原動(dòng)件數(shù)<F,如果原動(dòng)件數(shù)>F,則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不完全確定；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(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?！?-5

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F＝3n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）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝2(2pl＋ph)－3）內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(2/4)問題1：復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。解決方案k

個(gè)構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，實(shí)際上構(gòu)成了(k-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。

F

=3×5-2×7=1§2-6

計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問題B、C、D、E處都是由三個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，各有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副場(chǎng)合一：兩個(gè)構(gòu)件之間形成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副

F

=3×1-2×2=-1解決方案計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，不考慮虛約束的作用，認(rèn)為兩個(gè)構(gòu)件之間只形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副

F

=3×1-2×1=1兩個(gè)構(gòu)件之間形成多個(gè)與導(dǎo)路重合或平行的移動(dòng)副2)兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其軸線互相重合時(shí)，只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副起約束作用。兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，其導(dǎo)路互相平行時(shí)，只有一個(gè)移動(dòng)副起約束作用。兩構(gòu)建在多處相接觸構(gòu)成平面高副，且各接觸點(diǎn)的公法線彼此重合，只能算一個(gè)平面高副。兩構(gòu)件在多處相接觸構(gòu)成平面高副，在各接觸點(diǎn)的公法線彼此不重合，算2個(gè)平面高副，或者是一個(gè)復(fù)合高副，分別相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副。解決方案計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，假想滾子和安裝滾子的構(gòu)件固接為一個(gè)整體，成為一個(gè)構(gòu)件或在計(jì)算結(jié)果中去除局部自由度問題2：局部自由度某些構(gòu)件具有的只影響自身局部運(yùn)動(dòng)而不影響其它構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的自由度，經(jīng)常發(fā)生在將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的場(chǎng)合。2、要除去局部自由度×√去掉局部自由度算法保留局部自由度算法√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F′從計(jì)算公式中減去，即例2

滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝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(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起重復(fù)約束作用的約束，以p′表示。例3

平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1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BEAF，則∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝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p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊形五桿機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－0)－0＝1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)（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。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)(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、F所聯(lián)接的兩點(diǎn)間的距離始終保持不變，故帶入一個(gè)虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復(fù)的情況在機(jī)構(gòu)中，不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞來(lái)看，僅有一個(gè)齒輪就可以了，而其余兩個(gè)齒輪并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(6/6)例2-8試計(jì)算圖2-22所示某包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度，并判斷該機(jī)構(gòu)是否具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。∥=∥=構(gòu)件+運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件組合F=0基本桿組：最簡(jiǎn)單的不可再拆的自由度為零的構(gòu)件組，簡(jiǎn)稱為桿組?！?-7

平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析任何機(jī)構(gòu)都可看作是由若干個(gè)基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架而構(gòu)成的。不能再拆的最簡(jiǎn)單的自由度為零的構(gòu)件組，也稱阿蘇爾或桿組?！?-7

平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機(jī)構(gòu)的組成原理例顎式碎礦機(jī)1）基本桿組：2）組成原理：

注意：

在桿組并接時(shí)，不能將同一桿組的各個(gè)外接運(yùn)動(dòng)副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。（1）桿組的條件式中n、pl及ph分別為桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。（2）桿組的類型1）Ⅱ級(jí)桿組：由2個(gè)構(gòu)件和3個(gè)低副構(gòu)成的桿組。2）Ⅲ級(jí)桿組：由4個(gè)構(gòu)件和6個(gè)低副構(gòu)成的桿組。平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(2/4)3n－2pl－ph＝0全低副桿組的條件：3n－2pl＝0或n/2＝pl/32.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類3.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）目的：了解機(jī)構(gòu)的組成，確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（2）方法：1）先計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并確定原動(dòng)件；

2）從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級(jí)組，若不成；再拆Ⅲ級(jí)組，直至只剩下原動(dòng)件和機(jī)架為止；3）最后確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（3）舉例：破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。1）若取構(gòu)件1為原動(dòng)件時(shí)，

此機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(3/4)2）若取構(gòu)件5為原動(dòng)件時(shí)，