第2講 第2章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

第二講機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)械原理本章目錄：§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)動簡圖；§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件；§2-5平面機(jī)構(gòu)自由度的計算；§2-6自由度計算中的特殊問題；§2-7機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)；教學(xué)要求 1、能根據(jù)實物繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖； 2、熟練掌握機(jī)構(gòu)自由度計算方法； 3、機(jī)構(gòu)組成原理教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn) 1、機(jī)構(gòu)及運(yùn)動副的概念、繪機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 2、自由度計算，虛約束、高副低代、局部自由度 3、機(jī)構(gòu)組成原理§2-1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的1.研究機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖畫法目的是2.機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件

怎樣的結(jié)構(gòu)才能保證具有確定的相對運(yùn)動？3.研究機(jī)構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類▲弄清機(jī)構(gòu)包含哪幾個部分；▲各部分如何相聯(lián)？▲為運(yùn)動分析和動力分析作準(zhǔn)備這對于設(shè)計新的機(jī)構(gòu)顯得尤其重要?！?-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)名詞術(shù)語解釋：構(gòu)件(Link)－獨(dú)立的運(yùn)動單元內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋零件(part)－獨(dú)立的制造單元§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)a)兩個構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對運(yùn)動運(yùn)動副元素－直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。1)定義：兩個構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運(yùn)動的聯(lián)接。作者：潘存云教授2.運(yùn)動副三個條件，缺一不可?！?-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)2.運(yùn)動副2)自由度和約束構(gòu)件自由度：構(gòu)件相對于參考系所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)目。兩構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接后，構(gòu)件的某些運(yùn)動必將受到限制，此限制即為約束。運(yùn)動副每引入一個約束，構(gòu)件便失去(減少)1個自由度，自由度和約束之和應(yīng)為6。運(yùn)動副引入的約束數(shù)目最多為5個，而剩下的自由度最少為1個。約束：構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動所受到的限制?？臻g運(yùn)動：6個自由度平面運(yùn)動：3個自由度§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)zz自由度：1約束：2自由度：1約束：2§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)2.運(yùn)動副3)運(yùn)動副的分類A：按引入的約束數(shù)目分有：I級副II級副I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。III級副§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類B：按相對運(yùn)動關(guān)系范圍分有：平面運(yùn)動副－平面運(yùn)動(Plannarkinematicpair)平面機(jī)構(gòu)－全部由平面運(yùn)動副組成的機(jī)構(gòu)。IV級副例如：球鉸鏈、螺旋等?？臻g運(yùn)動副－空間運(yùn)動(Spatialkinematicpair)V級副1V級副2兩者關(guān)聯(lián)空間機(jī)構(gòu)－至少含有一個空間運(yùn)動副的機(jī)構(gòu)。V級副3§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副、螺旋副、球面副、滾轉(zhuǎn)副。C：按運(yùn)動副運(yùn)動形式分轉(zhuǎn)動副移動副螺紋副球面副§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類高副(highpair)－點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。低副(lowerpair)－面接觸，應(yīng)力低。例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。例如：轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副。D：按運(yùn)動副接觸形式分§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類(匯總1)轉(zhuǎn)動副(回轉(zhuǎn)副或鉸鏈)移動副螺旋副球面副③

按其接觸形式：高副：點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動副低副：面接觸的運(yùn)動副②

按其引入的約束數(shù)目：Ⅰ級副、Ⅱ級副、……Ⅴ級副①

按其相對運(yùn)動關(guān)系：平面運(yùn)動副、空間運(yùn)動副④按其相對運(yùn)動形式：滾轉(zhuǎn)副§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類(匯總2)平面高副凸輪副(點(diǎn)接觸)齒輪副(線接觸)轉(zhuǎn)動副(面接觸)移動副(面接觸)平面低副§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)3)運(yùn)動副的分類(匯總3)空間高副球面副(點(diǎn)接觸)滾轉(zhuǎn)副(線接觸)螺旋副(面接觸)球面副(面接觸)空間低副§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)4)常見運(yùn)動副符號的表示:國標(biāo)GB4460－84§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)4)常見運(yùn)動副符號的表示:國標(biāo)GB4460－84§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)4)常見運(yùn)動副符號的表示:國標(biāo)GB4460－84§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)1）定義：兩個或兩個以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動鏈（簡稱閉鏈）開式運(yùn)動鏈（簡稱開鏈）平面閉式運(yùn)動鏈平面開式運(yùn)動鏈空間開式運(yùn)動鏈平面運(yùn)動鏈空間運(yùn)動鏈按運(yùn)動分按結(jié)構(gòu)分2）分類：空間閉式運(yùn)動鏈3.運(yùn)動鏈§2-2機(jī)構(gòu)的組成：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)4.機(jī)構(gòu)具有固定構(gòu)件的運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架：機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件平面四桿鉸鏈機(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。機(jī)架原動件從動件一般機(jī)架相對地面固定不動，但當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)動的機(jī)械上時則是運(yùn)動的。原動件：機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件（常以轉(zhuǎn)向箭頭表示）。從動件：機(jī)構(gòu)中的其余活動構(gòu)件。從動件的運(yùn)動決定于原動件的運(yùn)動規(guī)律、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸?！?-3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)系的簡單圖形。作用：

1.表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況。 2.作為運(yùn)動分析和動力分析的依據(jù)。機(jī)構(gòu)示意圖－不按比例繪制的簡圖現(xiàn)摘錄了部分GB4460－84機(jī)構(gòu)示意圖如下表。采用運(yùn)動副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的代表符號和一般構(gòu)件的表示方法?！?-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動帶傳動圓錐齒輪傳動§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖應(yīng)滿足的條件：

1.構(gòu)件數(shù)目與實際相同2.運(yùn)動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際相符3.運(yùn)動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機(jī)構(gòu)成比例。§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一般構(gòu)件的表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一般構(gòu)件的表示方法三副構(gòu)件兩副構(gòu)件§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖注意事項:

畫構(gòu)件時應(yīng)撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)。§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖順口溜：先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少，再看它們怎相聯(lián)。步驟：1.運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械，搞清楚運(yùn)動副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目；4.檢驗機(jī)構(gòu)是否滿足運(yùn)動確定的條件。2.測量各運(yùn)動副之間的尺寸，選投影面（運(yùn)動平面），繪制示意圖。3.按比例繪制運(yùn)動簡圖。簡圖比例尺：μl=實際尺寸m/圖上長度mm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(yùn)動傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運(yùn)動副的類型，并用符號表示出來。舉例：繪制破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。§2-3平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件給定S3＝S3(t)，一個獨(dú)立參數(shù)θ1＝θ1（t）唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個獨(dú)立參數(shù)。

若僅給定θ1＝θ1（t）,則θ2、θ3、θ4均不能唯一確定。若同時給定θ1和θ4

，則θ3、θ2能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個獨(dú)立參數(shù)。θ4S3123S’3θ11234θ1§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。原動件－能獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件。∵一個原動件只能提供一個獨(dú)立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為：機(jī)構(gòu)自由度＝原動件數(shù)自由度即機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件：機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目F，且F>0

。§2-4機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件活動構(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)3×n2×PL1

×PH例題2-1：計算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL

－PH

=3×3－2×4

=1高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：高副約束數(shù)§2-5平面機(jī)構(gòu)自由度的計算

計算公式：F=3n－(2PL+Ph)例題2-2：計算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL

－PH

=3×4－2×5

=2高副數(shù)PH=0只考慮平面機(jī)構(gòu)自由度的計算，不考慮空間機(jī)構(gòu)。

1234θ1自由度為2說明了什么？1）是否有確定的運(yùn)動？2）原動件的數(shù)目是幾個？§2-5平面機(jī)構(gòu)自由度的計算

計算公式：F=3n－(2PL+Ph)例題2-4：計算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL

－PH

=3×2－2×2－1

=1高副數(shù)PH=1自由度為1說明了什么？123§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項活動構(gòu)件數(shù)n=5低副數(shù)PL=8F=3n－2PL

－PH

=3×5－2×8

－0

=-3高副數(shù)PH=0活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=3F=3n－2PL

－PH

=3×3－2×3

－1

=2高副數(shù)PH=1活動構(gòu)件數(shù)n=5低副數(shù)PL=3F=3n－2PL

－PH

=3×5－2×6

－0

=3高副數(shù)PH=1§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束活動構(gòu)件數(shù)n=5低副數(shù)PL=7F=3n－2PL

－PH

=3×5－2×7

－1

=1高副數(shù)PH=1兩個以上構(gòu)件在同一處(同一軸上)以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接稱為復(fù)合鉸鏈。由m個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，共有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。復(fù)合鉸鏈的三種形式：§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束復(fù)合鉸鏈的三種形式：2)兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，且導(dǎo)路平行或重合(如圖2-16),則只能算一個移動副。

兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動副軸線重合(如圖2-17),則只能算一個轉(zhuǎn)動副?；顒訕?gòu)件數(shù)n=5§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束復(fù)合鉸鏈的三種形式：3)兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如等寬凸輪注意：法線不重合時，變成實際約束！WAA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項例題:計算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。12312活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL

－PH

=3×2－2×2

－1

=1高副數(shù)PH=1事實上，兩個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動相同，且F=1§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束2.要除去局部自由度本例中局部自由度F′=1定義：構(gòu)件局部運(yùn)動所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應(yīng)去掉局部自由度。滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。F=3n－2PL

－PH-F′

=3×3－2×3

－1－1

=1方法1：方法2：直接去掉滾子進(jìn)行計算?！?-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項3.要除去虛約束(formalconstraint)－－對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實際不起作用的約束。計算自由度時應(yīng)去掉虛約束。∵FE＝AB＝CD，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉其存在的虛約束。例題：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF活動構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=6F=3n－2PL

－PH

=3×4－2×6

－0

=0高副數(shù)PH=0§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項例題：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度?；顒訕?gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=6F=3n－2PL

－PH+

p′-F′

=3×4－2×6

+1－0

=1高副數(shù)PH=0

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束2.要除去虛約束方法1：除去虛約束,重新計算,得虛約束數(shù)p′=1虛約束自由度數(shù)F′=01234ABCDEF§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項例題：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL

－PH

=3×3－2×4－0

=1高副數(shù)PH=0

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束2.要除去虛約束方法2：除去虛約束,重新計算,得123ABCDE§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、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(圖2-22)等。1234ABCDEF§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束

計算公式：F=3n－(2PL+Ph)例題2-10：計算圖示精壓機(jī)構(gòu)的自由度。解：該機(jī)構(gòu)中存在結(jié)構(gòu)對稱部分，從運(yùn)動傳遞的獨(dú)立性來看，有機(jī)構(gòu)ABCDE就可以了，其余部分對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動傳遞沒有影響，故引入了虛約束。將機(jī)構(gòu)中的虛約束部分去掉不計，C處為復(fù)合鉸鏈，

n=5,PL

=7,PH

=0F=3n-2PL

-PH

=3×5－2×7－0=1§2-6計算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項

復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束

計算公式：F=3n－(2PL+Ph)例題2-10：圖示凸輪—連桿組合機(jī)構(gòu)的自由度。在D處為鉸接在一起的兩個滑塊。解：該機(jī)構(gòu)中存在結(jié)構(gòu)的虛約束部分，同時還有2處局部自由度；D處復(fù)合鉸鏈。n=5,PL

=6,PH=2F=3n-2PL

-PH

=3×5－2×6－2=1虛約束局部自由度復(fù)合鉸鏈§2-7機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析a)原動件作移動(如直線電機(jī)、流體壓力作動筒)。21b)原動件作轉(zhuǎn)動(如電動機(jī))。21目的:1)設(shè)計新機(jī)械

2)分析現(xiàn)有機(jī)械的性能原動件(基本機(jī)構(gòu)):§2-7機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析舉例：將圖示八桿機(jī)構(gòu)拆分成基本機(jī)構(gòu)和基本桿組。7132456835§2-7機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析即：任何一個平面機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干基本桿組依次聯(lián)接于原動件和機(jī)架上而組成的.機(jī)構(gòu)的組成原理：機(jī)構(gòu)＝原動件(基本機(jī)構(gòu))＋基本桿組+機(jī)架結(jié)論：該機(jī)構(gòu)包含一個基本機(jī)構(gòu)和兩個基本桿組，換句話說，將兩個基本桿組添加到基本機(jī)構(gòu)上，構(gòu)成了該八桿機(jī)構(gòu)。§2-7機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析2.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類設(shè)基本桿組中有n個構(gòu)件，則由條件F＝0有：

F＝3n－2PL－Ph＝0PL＝3n/2(低副機(jī)構(gòu)中Ph＝0)∵PL

為整數(shù)，∴n只能取偶數(shù)。n＝2