機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析講義

第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析(StructureAnalysisofMechanisms)

第一節(jié)概述

第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算

第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成

*第五節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖（建議實驗課講授）

第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代

本章內(nèi)容第一節(jié)概述（運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)）基本概念：一、運(yùn)動副

(kinematicpair)第一節(jié)概述*構(gòu)成機(jī)構(gòu)的基本要素——

構(gòu)件運(yùn)動副運(yùn)動鏈構(gòu)件(link)——由一個或數(shù)個零件剛性構(gòu)成的運(yùn)動單元體第一節(jié)概述*運(yùn)動副(kinematicpair)*兩構(gòu)件間直接接觸且能產(chǎn)生某些相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副。第一節(jié)概述運(yùn)動副移動副(slidingpair)運(yùn)動副元素轉(zhuǎn)動副(revolutepair)運(yùn)動副符號高副(higherpair)運(yùn)動副元素第一節(jié)概述運(yùn)動副x×yxyo*約束(constraint)---對構(gòu)件間運(yùn)動的限制。第一節(jié)概述運(yùn)動副﹡構(gòu)件自由度

(degreeoffreedom)：

構(gòu)件具有的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)第一節(jié)概述運(yùn)動副空間自由構(gòu)件有六個自由度。12zxyoxy12o平面運(yùn)動：加入三個公共約束以轉(zhuǎn)動副相連，僅剩一個自由度。12oxy自由構(gòu)件第一節(jié)概述運(yùn)動副空間構(gòu)件的自由度:

S——約束數(shù)

F=6-S

平面構(gòu)件的自由度:

F=3-S第一節(jié)概述運(yùn)動副運(yùn)動副的分類第一節(jié)概述運(yùn)動副按運(yùn)動副對空間構(gòu)件提供的約束數(shù)將運(yùn)動副分為五級。第一節(jié)概述運(yùn)動副螺旋1螺母21212運(yùn)動副簡圖V

級副螺旋副結(jié)構(gòu)圖球面副(sphericalpair)Ⅲ

級副球銷副(sphere-pinpair)xzyⅣ級副第一節(jié)概述運(yùn)動副運(yùn)動副符號V級副副元素為面接觸，壓強(qiáng)低，又稱低副IV級副副元素為點(diǎn)（線）接觸，壓強(qiáng)高，又稱高副第一節(jié)概述運(yùn)動副*平面機(jī)構(gòu)中存在幾級副？是否存在Ⅵ級副？只有Ⅳ級副和Ⅴ級副第一節(jié)概述運(yùn)動副二、運(yùn)動鏈

(kinematicchain)*運(yùn)動鏈---

構(gòu)件由運(yùn)動副連接而成的系統(tǒng)第一節(jié)概述運(yùn)動鏈*運(yùn)動鏈（閉式鏈、開式鏈）各構(gòu)件首尾封閉的運(yùn)動鏈稱為閉式鏈(closedkinematicchain)各構(gòu)件首尾不封閉的運(yùn)動鏈稱為開式鏈(openkinematicchain)第一節(jié)概述運(yùn)動鏈*運(yùn)動鏈（閉式鏈、開式鏈）第一節(jié)概述運(yùn)動鏈平面運(yùn)動鏈(planarkinematicchain）空間運(yùn)動鏈(spatialkinematicchain)第一節(jié)概述運(yùn)動鏈三、機(jī)構(gòu)(mechanism)

*選定機(jī)架，給相應(yīng)的原動件，其余構(gòu)件作確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈。第一節(jié)概述機(jī)構(gòu)機(jī)架機(jī)架原（主）動件從動件第一節(jié)概述機(jī)構(gòu)*原動件——運(yùn)動規(guī)律已知的構(gòu)件。其余的活動構(gòu)件統(tǒng)稱從動件*輸出構(gòu)件——輸出運(yùn)動或動力的從動件*主動件——

機(jī)構(gòu)中傳入驅(qū)動力（矩）的構(gòu)件第一節(jié)概述機(jī)構(gòu)第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算一、定義*機(jī)構(gòu)自由度（degreeoffreedmofmechanism)——機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動所必須的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算二、機(jī)構(gòu)自由度的計算公式一個平面自由運(yùn)動的構(gòu)件(link)有三個自由度12xyo第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算xyo21構(gòu)件2，1只有繞o軸的相對轉(zhuǎn)動。xyo21構(gòu)件2、1只有沿x軸的相對移動。2xyo1構(gòu)件2、1有沿x軸的移動和繞o軸的轉(zhuǎn)動。*高副提供一個約束，低副提供兩個約束。自由度公式推導(dǎo)……第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算總約束------2pL+pH

pL--低副數(shù)pH--高副數(shù)n個自由構(gòu)件的自由度---3n。機(jī)構(gòu)自由度公式推導(dǎo)：N--機(jī)構(gòu)的總構(gòu)件數(shù)n--活動構(gòu)件數(shù)

n=N-1機(jī)構(gòu)自由度：F=3n-2pL-pH第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算F=……桁架結(jié)構(gòu)31EBACD

1

4

第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算2

1

34*機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件

1、

F

＞0；

2、F

=原動件數(shù)第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE原動件12345礦石例2-1：判斷破碎機(jī)是否有確定運(yùn)動。第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE原動件12345礦石第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算例2-1：判斷破碎機(jī)是否有確定運(yùn)動。DAFCBE原動件12345礦石F=3n-（2pL+pH）n=5;pL=7;pH=0;F=3

5-(2

7+0)=1.F=原動件數(shù)，故有確定運(yùn)動。第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算例2-1：判斷破碎機(jī)是否有確定運(yùn)動。DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算DAFCBE2345第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算ADECBF計算機(jī)構(gòu)的自由度F=？觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動直線導(dǎo)路機(jī)構(gòu)n=7,PH=0,PL=6?F=37-26-0=9????第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算三、計算機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)該注意的事項

1)復(fù)合鉸鏈；2)局部自由度；

3)虛約束第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算1232131234m*復(fù)合鉸鏈(compoundhinges)——兩個以上的構(gòu)件構(gòu)成的同軸線的轉(zhuǎn)動副。其轉(zhuǎn)動副個數(shù)等于構(gòu)件數(shù)減1。

第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算復(fù)合鉸鏈ADECBF兩轉(zhuǎn)動副的復(fù)合鉸鏈N=7pH=0PL=10F=37-(210+0)=1第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算復(fù)合鉸鏈F=?第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度*局部自由度:(passivedegreeoffreedom)與機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動無關(guān)的自由度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度F=……第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算局部自由度ABCDEF12345機(jī)構(gòu)自由度F=？AB=CD=EF,BE=AF,EC=FD.如何處理？F=?*虛約束(redundantconstraint)——對運(yùn)動不起實際限制作用約束第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算虛約束出現(xiàn)虛約束的場合：

1.兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪橢圓儀等。第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算虛約束2.兩構(gòu)件構(gòu)成多個導(dǎo)路平行的移動副。

虛約束第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算虛約束4.運(yùn)動時，兩構(gòu)件上的兩動點(diǎn)間的距離始終不變。3.兩構(gòu)件構(gòu)成多個同軸的轉(zhuǎn)動副。5.對運(yùn)動不起作用的對稱部分。如多個行星輪。EF第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算虛約束虛約束的作用①改善受力②增加剛度③避免卡死較高制造與安裝精度第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算虛約束ABCDEE'FHOG123456789

求大篩機(jī)構(gòu)的自由度F=？例2-3圖2-24第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算ABCDEE'FHOG123456789求大篩機(jī)構(gòu)的自由度F=？主動件1，8局部自由度兩者之一為虛約束復(fù)合鉸鏈第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算CABDEE'FHOG123456789ABDEE'FHOG123456789計算F…第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算B2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧計算圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。分析：A1B2I9C3J6H87DE4FG52個低副復(fù)合鉸鏈:（D）局部自由度（H、C）虛約束:（9）I8去掉局部自由度和虛約束后的機(jī)構(gòu)

9I第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算B2I9C3A1J6H87DE4FG5A1B2C3J6H87FG5n=6PL=7F=3n

－2PL－PH

=3×6－2×7－3=1PH=3I2個低副A1DE4n=？第二節(jié)平面機(jī)構(gòu)自由度及其計算一、機(jī)構(gòu)的組成原理

第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成(constitutionofmechanism)第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成基本桿組、機(jī)構(gòu)組成第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成234165將機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆分第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成213456還可拆分？第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成21345*F=0的不可再拆分的最簡單的運(yùn)動鏈——基本桿組(assurgroup)第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成215首先將3，4聯(lián)于原動件和機(jī)架如何構(gòu)成機(jī)構(gòu)？第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成3421345第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成214563此為四桿機(jī)構(gòu)再添加5，6于機(jī)構(gòu)。第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成213456第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成213456第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成213456最后得六桿機(jī)構(gòu)第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成213456*機(jī)構(gòu)的組成原理——由若干基本桿組依次連接到原動件和機(jī)架上構(gòu)成機(jī)構(gòu)。第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成基本桿組的條件：……npL234669…...…...第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成Ⅱ級組的五種基本形式n=2；pL=3——II級組第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成3124123442311243*n=4;pL=6,且具有一個含三個低副的中心構(gòu)件的基本桿組——Ⅲ級組第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成23141234*n=4;pL=6,不含三個低副的中心構(gòu)件的基本桿組——Ⅳ級組第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成1423能將其拆成Ⅱ級組嗎？第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成231414不是運(yùn)動鏈*Ⅲ級組并不是由兩個II級組構(gòu)成的！第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成n=4；pL=6,是Ⅲ級組嗎？14232拆開其Ⅱ級組第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成43121423不是Ⅲ級組，而是由兩個Ⅱ級組構(gòu)成的運(yùn)動鏈。第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成2、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類*機(jī)構(gòu)的級別是以其中含有的基本桿組的最高級別確定的。第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成*機(jī)構(gòu)拆組的一般原則1、除掉虛約束和局部自由度，高副低代；2、從遠(yuǎn)離原動件開始拆組,先Ⅱ級后Ⅲ級；3、桿與其上運(yùn)動副一并拆下；4、剩余部分必為一機(jī)構(gòu)，最后為機(jī)架、原動件。第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成圖2-29——30機(jī)構(gòu)的級別例2-5第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代ABo1o2*高副低代——將機(jī)構(gòu)中的高副用低副代替。*高副低代的替代條件：1、機(jī)構(gòu)的自由度不變；2、機(jī)構(gòu)的瞬時運(yùn)動不變。12高副C第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABo1o221為什么？第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABo1o221瞬時運(yùn)動不變——先觀察構(gòu)件1、2的運(yùn)動.第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代ABo1o221r1r2o1o2=r1+r2nn法線nn運(yùn)動時，o1o2=r1+r2=常數(shù)C第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABo1o221第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABo1o221第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21點(diǎn)的軌跡分別為以A，B為圓心的圓o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21*將高副C

用具有兩個鉸鏈的構(gòu)件代替，鉸鏈的中心分別位于高副接觸點(diǎn)的曲率中心處且與高副元素的所屬構(gòu)件相連o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CAB21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代C21o1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABnn作法線nno1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CABo1o2第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代ABo1o2CAB第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代ABo1o2CABABAB*高副低代的瞬時性——機(jī)構(gòu)在不同位置其低副替代機(jī)構(gòu)也不同第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代Ann第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代AnnA第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代相當(dāng)于一個滑塊o2

A12o1Cnn第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CA12第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代CA12A12C第四節(jié)平面機(jī)構(gòu)的高副低代第五節(jié)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖*機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖－用以說明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系的按比例繪制的簡單圖形作用：1.表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況。