機(jī)械基礎(chǔ) 課件 項(xiàng)目二 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

項(xiàng)目二平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析學(xué)習(xí)導(dǎo)航知識(shí)目標(biāo)：能力目標(biāo)：掌握機(jī)構(gòu)的組成。掌握平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制方法。掌握機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法。會(huì)區(qū)分運(yùn)動(dòng)副的類型。會(huì)繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。會(huì)判斷機(jī)構(gòu)是否具有確定的運(yùn)動(dòng)。項(xiàng)目二平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析任務(wù)一機(jī)構(gòu)的組成任務(wù)三平面機(jī)構(gòu)的自由度任務(wù)四計(jì)算自由度時(shí)的特殊情況任務(wù)二

平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.機(jī)器概述機(jī)架曲軸連桿活塞進(jìn)氣閥排氣閥推桿凸輪大齒輪小齒輪動(dòng)畫單缸內(nèi)燃機(jī)1.機(jī)器概述顎式破碎機(jī)功用：壓碎物料組成：見右圖大帶輪4電動(dòng)機(jī)1V帶3小帶輪2肘板7定顎板8動(dòng)顎板6偏心軸5動(dòng)畫2.機(jī)器功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)潤(rùn)滑、顯示、照明等輔助部分操縱與控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器2.機(jī)器功能控制器(控制)電動(dòng)機(jī)(原動(dòng))帶(傳動(dòng))減速器(傳動(dòng))波輪(執(zhí)行)分析自動(dòng)洗衣機(jī)的組成：3.機(jī)器和機(jī)構(gòu)的定義

機(jī)器的主要特征：

1.它們都是人為實(shí)體（構(gòu)件）的組合。

2.各個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)體（構(gòu)件）之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3.能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人類完成有用的機(jī)械功。具有以上3個(gè)特征的實(shí)物組合稱為機(jī)器。而僅具備前兩個(gè)特征的稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)器由機(jī)構(gòu)組成，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析，兩者無(wú)差異。工程上將機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為機(jī)械。3.機(jī)器和機(jī)構(gòu)的定義凸輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)

如圖所示的齒輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是把高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榈退俎D(zhuǎn)動(dòng)或者相反。如圖所示的凸輪機(jī)構(gòu)，它利用凸輪的輪廓曲線使從動(dòng)件做周期性的有規(guī)律的移動(dòng)或擺動(dòng)。4.構(gòu)件和零件的定義

構(gòu)件，是指機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)單元。它可以是單一的零件，也可以是幾個(gè)零件聯(lián)接而成的運(yùn)動(dòng)單元。

零件是組成機(jī)器的最小制造單元。

部件是機(jī)器的裝配單元。4.構(gòu)件和零件的定義4.構(gòu)件和零件的定義動(dòng)畫內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋第2章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)械一般由若干個(gè)常用機(jī)構(gòu)組成，而機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)以上具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組成的。若組成機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或平行平面中運(yùn)動(dòng)，則稱該機(jī)構(gòu)為平面機(jī)構(gòu)。工程中常見的機(jī)構(gòu)大多屬于平面機(jī)構(gòu)，本章僅討論平面機(jī)構(gòu)。任務(wù)一機(jī)構(gòu)的組成學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握運(yùn)動(dòng)副的分類及構(gòu)件組成。2.1.1基本概念2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件有三類：固定不動(dòng)的構(gòu)件稱為機(jī)架（或固定構(gòu)件）；按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件；機(jī)構(gòu)中其他活動(dòng)構(gòu)件稱為從動(dòng)件。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸。構(gòu)件的受力狀況及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，下面介紹幾種常見的構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

2.1.1基本概念如圖所示，圖(a)~圖(c)為含有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的桿狀構(gòu)件，圖(d)~圖(f)為含有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的桿狀構(gòu)件。桿件的形狀主要取決于機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生干涉。具有轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的桿狀構(gòu)件1桿狀構(gòu)件具有轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的桿狀構(gòu)件

2.1.1基本概念設(shè)計(jì)時(shí)為了保證桿件受力時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，其截面形狀可以設(shè)計(jì)成不同形式，常見的有如圖所示的幾種。具有轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的桿狀構(gòu)件1桿狀構(gòu)件截面形狀

2.1.1基本概念具有移動(dòng)副元素和轉(zhuǎn)動(dòng)副元素的構(gòu)件2單缸內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

2.1.1基本概念2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類自由度1運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相對(duì)于參考系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，稱為構(gòu)件的自由度。

任一做平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。

自由構(gòu)件的自由度動(dòng)畫2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類約束2當(dāng)兩構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，它們之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到限制，對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)所加的限制稱為約束。每加上一個(gè)約束，自由構(gòu)件便失去一個(gè)自由度。

運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)目和約束特點(diǎn)取決于運(yùn)動(dòng)副是低副還是高副。2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類運(yùn)動(dòng)副的概念3兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接稱為運(yùn)動(dòng)副。兩構(gòu)件只能在同一平面內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為平面運(yùn)動(dòng)副。機(jī)構(gòu)是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多構(gòu)件組合體，為了傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，各構(gòu)件之間必須以一定的方式連接起來(lái)，并且具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接稱為運(yùn)動(dòng)副。2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類平面運(yùn)動(dòng)副的分類4按兩構(gòu)件間接觸性質(zhì)不同，平面運(yùn)動(dòng)副通?？煞譃榈透焙透吒?。(1)低副兩構(gòu)件形成面與面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副，又分轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副。動(dòng)畫動(dòng)畫2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類平面運(yùn)動(dòng)副的分類4(2)高副

兩構(gòu)件以點(diǎn)或線的形式相接觸而組成的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。動(dòng)畫動(dòng)畫動(dòng)畫2.1.2運(yùn)動(dòng)副及其分類運(yùn)動(dòng)副分類舉例限制自由度數(shù)量限制作用低副（面接觸）轉(zhuǎn)動(dòng)副（圓柱面）2個(gè)限制兩個(gè)平移移動(dòng)副（平面）限制一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)法線平移高副（點(diǎn)線接觸）齒輪副1個(gè)限制法線平移凸輪副任務(wù)二平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖學(xué)習(xí)要點(diǎn)認(rèn)識(shí)平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的符號(hào)及繪畫方法。2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的概念2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的概念在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，為使問題簡(jiǎn)化，可不考慮構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的實(shí)際結(jié)構(gòu)，只考慮與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副類型及相對(duì)位置。用規(guī)定的線條和符號(hào)表示構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副，并按一定的比例確定運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置及與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的尺寸，這種表明機(jī)構(gòu)的組成和各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。不嚴(yán)格按比例繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制表明機(jī)構(gòu)的組成和各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制步驟：

(1)分析機(jī)構(gòu)的組成，確定機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件。

(2)由原動(dòng)件開始，依次分析構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。

(3)選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面和原動(dòng)件位置，以便清楚地表達(dá)各構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。通常選擇與構(gòu)件運(yùn)動(dòng)平面平行的平面作為投影面。

(4)選擇適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬=構(gòu)件實(shí)際長(zhǎng)度/構(gòu)件圖樣長(zhǎng)度。(5)標(biāo)記原動(dòng)件。2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制例2-1繪制如圖所示的顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制例2-1繪制如圖所示的顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。解

(1)由圖可知，顆式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)由機(jī)架1、偏心軸2(如圖(b)所示)、動(dòng)顆3、肘板4組成。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)由帶輪J輸人，帶輪J與偏心軸2固連成一體(屬于同一構(gòu)件)，繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心A轉(zhuǎn)動(dòng)，故偏心軸2為原動(dòng)件。動(dòng)領(lǐng)3和肘板4為從動(dòng)件，動(dòng)顆3通過肘板4與機(jī)架相連，并在偏心軸2的帶動(dòng)下做平面運(yùn)動(dòng)將礦石打碎，故動(dòng)顆3和肘板4為從動(dòng)件。

(2)偏心軸2與機(jī)架1、偏心軸2與動(dòng)領(lǐng)3、動(dòng)領(lǐng)3與肘板4、肘板4與機(jī)架1均構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，其轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別為A、B、C、D。選擇構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面為視圖平面，圖(c)所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置為原動(dòng)件位置。2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制

例2-2繪制如圖所示單缸內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。已知LAB=75mm，LBC=300mm。

單缸內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制解(1)在內(nèi)燃機(jī)中，活塞為原動(dòng)件，曲軸AB為工作構(gòu)件?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)經(jīng)連桿BC變換為曲軸AB的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(2)活塞與缸體(機(jī)架)組成移動(dòng)副，與連桿BC在C點(diǎn)組成轉(zhuǎn)動(dòng)副;曲軸與缸體在A點(diǎn)組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，與連桿BC在B點(diǎn)組成轉(zhuǎn)動(dòng)副。

(3)選長(zhǎng)度比例尺μl=0.01m/mm，按規(guī)定符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖所示?；钊拇笮∨c運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，可酌定。任務(wù)三平面機(jī)構(gòu)的自由度學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握自由度與約束的概念。會(huì)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度并判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的確定性。2.3.1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件2.3.1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)由N個(gè)構(gòu)件組成，其中必有一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，則活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=N-1。它們?cè)谖唇M成運(yùn)動(dòng)副之前，共有3n個(gè)自由度。用運(yùn)動(dòng)副連接后便引入了約束，減少了自由度。若機(jī)構(gòu)中有PL個(gè)低副、PH個(gè)高副。則平面機(jī)構(gòu)的自由度F的計(jì)算公式為F=3n-2PL-PH因此，當(dāng)機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件就會(huì)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2.3.1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算計(jì)算顎式破碎機(jī)的自由度。2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件當(dāng)F≤0時(shí)F=3n-2PL-PH=3×2-2×3-0=0剛性結(jié)構(gòu)不可動(dòng)，不是機(jī)構(gòu)動(dòng)畫當(dāng)F＞0，P＞F時(shí)F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1機(jī)構(gòu)卡死或損壞2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件動(dòng)畫F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2當(dāng)F＞0，P＜F時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件由上述分析可知，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目、原動(dòng)件數(shù)目與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性之間有著密切的聯(lián)系。自由度數(shù)目原動(dòng)件數(shù)目結(jié)論F≤0－機(jī)構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不能構(gòu)成機(jī)構(gòu)F＞0P＞F會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的薄弱構(gòu)件損壞P＜F機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定，從動(dòng)件首先沿阻力小的方向運(yùn)動(dòng)P=F機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的判斷方法動(dòng)畫2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件任務(wù)四計(jì)算自由度時(shí)的特殊情況學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握復(fù)合鉸鏈的識(shí)別和應(yīng)對(duì)方法。掌握局部自由度的識(shí)別和應(yīng)對(duì)方法。掌握虛約束的識(shí)別和應(yīng)對(duì)方法。2.4.1復(fù)合鉸鏈2.4.2局部自由度2.4.3

虛約束2.4.1復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以同軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，稱為復(fù)合鉸鏈。一般地，k個(gè)構(gòu)件形成復(fù)合鉸鏈應(yīng)具有（k-1）個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)注意找出復(fù)合鉸鏈。復(fù)合鉸鏈動(dòng)畫動(dòng)畫2.4.1復(fù)合鉸鏈

如圖所示為直線機(jī)構(gòu)，其構(gòu)件的長(zhǎng)為AF=FE，AD=AB，BC=

CD=DE=EB，當(dāng)構(gòu)件FE搖動(dòng)時(shí)，C點(diǎn)的軌跡為垂直于AF的直線。該機(jī)構(gòu)在A、B、D、E四點(diǎn)均為由三個(gè)構(gòu)件組成軸線重合的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，即復(fù)合鉸鏈。該機(jī)構(gòu)n=7，PL=10，PH=0，其自由度為：F=3n-2PL-PH=3×7-2×10-0=1

直線機(jī)構(gòu)2.4.1復(fù)合鉸鏈2.4.2局部自由度

機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運(yùn)動(dòng)并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。這些構(gòu)件所產(chǎn)生的這種局部運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度。

在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)略去不計(jì)。

該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=1動(dòng)畫凸輪機(jī)構(gòu)局部與整體動(dòng)畫2.4.2局部自由度2.4.3虛約束

機(jī)構(gòu)中與其他約束重復(fù)而對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起新的限制作用的約束，稱為虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)除去不計(jì)。

虛約束常出現(xiàn)在下列場(chǎng)合:

(1)兩構(gòu)件間形成多個(gè)具有相同作用的運(yùn)動(dòng)副。

①兩構(gòu)件在同一軸線上組成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)按一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副計(jì)算。兩構(gòu)件組成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副動(dòng)畫動(dòng)畫②兩構(gòu)件組成多處接觸點(diǎn)公法線重合的高副同樣應(yīng)只考慮一處高副，其余為虛約束。

③兩構(gòu)件組成多個(gè)導(dǎo)路平行或重合的移動(dòng)副。

計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)只算作一個(gè)移動(dòng)副。兩構(gòu)件組成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副2.4.3虛約束(2)兩構(gòu)件上