機(jī)械基礎(chǔ) 課件 模塊2 平面機(jī)構(gòu)

教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.掌握運(yùn)動副的類型與判別方法。2.掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制。3.掌握機(jī)構(gòu)自由度的計算。能力目標(biāo)1.能分析并繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。2.能計算出機(jī)構(gòu)的自由度并能判斷機(jī)構(gòu)是否具有確定的相對運(yùn)動。3.能對不具有確定相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。素養(yǎng)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機(jī)構(gòu)

任務(wù)一平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及自由度【學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1.運(yùn)動副的類型及判別。2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制。3.平面機(jī)構(gòu)自由度的計算及機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的條件。4.復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束等特殊情況下自由度的計算。【相關(guān)知識】

本模塊只討論平面機(jī)構(gòu)。平面機(jī)構(gòu)是指組成機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面中運(yùn)動。一、平面運(yùn)動副的概念與分類、自由度和約束條件（一）運(yùn)動副的概念

構(gòu)件和構(gòu)件之間這種直接接觸又產(chǎn)生相對運(yùn)動的連接，稱為運(yùn)動副。使兩構(gòu)件之間保持接觸的點(diǎn)、線、面稱為運(yùn)動副元素。如圖所示為常見的運(yùn)動副。轉(zhuǎn)動副移動副凸輪副齒輪副（三）運(yùn)動副的分類

兩構(gòu)件一般通過點(diǎn)、線、面三種接觸形式連接起來，根據(jù)組成運(yùn)動副兩構(gòu)件之間的接觸幾何特征不同，運(yùn)動副可分為低副和高副。1.低副

兩構(gòu)件通過面接觸構(gòu)成的運(yùn)動副稱為低副。每個低副有兩個約束。按兩構(gòu)件間的相對運(yùn)動形式，低副又分為轉(zhuǎn)動副和移動副。移動副的符號轉(zhuǎn)動副的符號2.高副

兩個構(gòu)件之間通過點(diǎn)或者線接觸的運(yùn)動副稱為高副。高副時用兩構(gòu)件在直接接觸處的輪廓表示，如圖所示。每個高副引入一個約束，保留兩個自由度數(shù)。凸輪副齒輪副平面運(yùn)動構(gòu)件的自由度（二）自由度與約束

構(gòu)件相對于參考系所具有的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度。如圖所示，構(gòu)件可隨其上任一點(diǎn)A沿x軸、Y軸移動和繞垂直于XOY平面的軸轉(zhuǎn)動。因此作平面運(yùn)動的自由構(gòu)件具有三個自由度，用三個獨(dú)立的參數(shù)

、

、

表示。

兩構(gòu)件通過運(yùn)動副連接后，其相對運(yùn)動會受到限制，自由度數(shù)也隨之減少。運(yùn)動副限制了兩個構(gòu)件間的某些獨(dú)立運(yùn)動的可能性，這種限制稱為約束。（四）構(gòu)件的分類與表示法1.構(gòu)件的分類

機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可分為三類：機(jī)架、原動件、從動件。2.構(gòu)件的表示法

構(gòu)件有兩運(yùn)動副、三運(yùn)動副構(gòu)件，其運(yùn)動副按如圖所示表示。二運(yùn)動副構(gòu)件三運(yùn)動副構(gòu)件二、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖步驟：1）分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳遞情況，找出機(jī)架、主動件和從動件；2）從主動件開始，按照運(yùn)動的傳遞順序，確定構(gòu)件和運(yùn)動副的數(shù)目和類型；3）測量各運(yùn)動副間的相對位置；4）選擇適當(dāng)?shù)囊晥D平面（通常選擇與構(gòu)件運(yùn)動平行的平面作為平面機(jī)構(gòu)的投影面）和主動件位置，合理表達(dá)各構(gòu)件間的運(yùn)動關(guān)系。5）選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，按照各運(yùn)動副間的距離和相對位置，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。繪制如圖所示抽水唧筒機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。抽水唧筒機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖三、平面機(jī)構(gòu)自由度的計算及機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的條件1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計算機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。設(shè)平面機(jī)構(gòu)中共有n個活動構(gòu)件（機(jī)架不是活動構(gòu)件），共有個

低副和

個高副，則機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F為：2.平面機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的條件（a）F=0，機(jī)構(gòu)都不能產(chǎn)生運(yùn)動（b）F=-1，機(jī)構(gòu)都不能產(chǎn)生運(yùn)動（c）F=1，機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生確定的相對運(yùn)動（d）F=2，運(yùn)動不確定，不能成為機(jī)構(gòu)如何使（d）能產(chǎn)生確定的相對運(yùn)動？機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的充分必要條件是：

構(gòu)件系統(tǒng)的自由度F必須大于零，且自由度必須等于原動件數(shù)W。四、機(jī)構(gòu)自由度計算中幾種特殊情況的處理（一）復(fù)合鉸鏈

兩個以上的構(gòu)件在同一軸線上用轉(zhuǎn)動副相連接就構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。如圖所示，三個構(gòu)件組成復(fù)合鉸鏈，這三個構(gòu)件共組成兩個轉(zhuǎn)動副。依次類推，m個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)具有m-1個轉(zhuǎn)動副。請找出復(fù)合鉸鏈？（二）局部自由度

機(jī)構(gòu)中不影響整個機(jī)構(gòu)的輸出與輸入運(yùn)動關(guān)系的局部的獨(dú)立運(yùn)動，稱為局部自由度。在計算自由度時應(yīng)將局部自由度除去。（三）虛約束

機(jī)構(gòu)中與其它約束起重復(fù)限制運(yùn)動作用的約束稱為虛約束。在計算機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)除去虛約束不計。虛約束出現(xiàn)的場合有以下幾種情況：1.兩個構(gòu)件形成多個具有相同作用的運(yùn)動副（1）兩個構(gòu)件在同一軸線上形成多個轉(zhuǎn)動副處理方法：只保留一個轉(zhuǎn)動副。兩個構(gòu)件在同一軸線上形成多個轉(zhuǎn)動副（2）兩構(gòu)件形成多個導(dǎo)路平行或重合的移動副處理方法：只保留一個移動副。兩構(gòu)形成多個導(dǎo)路平行或重合的移動副（3）兩構(gòu)件在多處接觸形成高副處理方法：只保留一個高副。兩構(gòu)件在兩處形成高副2.兩聯(lián)接構(gòu)件在聯(lián)接點(diǎn)上的運(yùn)動軌跡重合處理方法：去除虛約束及多余的構(gòu)件?；疖囓囕喡?lián)動機(jī)構(gòu)3.機(jī)構(gòu)中對傳遞運(yùn)動不起獨(dú)立作用的對稱部分處理方法：去除對稱部分的構(gòu)件和形成的運(yùn)動副。周轉(zhuǎn)輪系例：

計算如圖所示機(jī)構(gòu)的自由度，指出并說明其中是否有復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束，并判斷該機(jī)構(gòu)是否有確定的相對運(yùn)動（圖中箭頭所示構(gòu)件為原動件）？答案：（1）F=1（2）G處有復(fù)合鉸鏈，C處存在局部自由度，K、I處存在虛約束。（3）機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動。課堂練習(xí)：1.計算如圖所示的機(jī)構(gòu)自由度，并判斷它是否具有確定的相對運(yùn)動（圖中畫有箭頭的構(gòu)件為原動件）。2.計算如圖所示的機(jī)構(gòu)自由度，并指出其中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束。并判斷它是否具有確定的相對運(yùn)動（圖中畫有箭頭的構(gòu)件為原動件）。課堂練習(xí)：教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.掌握曲柄存在的條件；2.掌握判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的方法；3.掌握鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化的類型；4.掌握平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性。能力目標(biāo)1.具有分析和應(yīng)用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化各機(jī)構(gòu)的能力；2.具有分析和應(yīng)用各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的能力。素養(yǎng)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機(jī)構(gòu)

任務(wù)二鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型及演化【學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及判別；2.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等的演化；3.平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性?！鞠嚓P(guān)知識】一、平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用和基本類型

所有構(gòu)件均作平行于某一平面運(yùn)動的連桿機(jī)構(gòu)，稱為平面連桿機(jī)構(gòu)。如果所有低副均為轉(zhuǎn)動副，這種平面四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。（一）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其應(yīng)用

組成：機(jī)架、連架桿、連桿。

能繞固定鉸鏈中心作整周轉(zhuǎn)動的連架桿稱為曲柄；不能繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動，只能在一定角度范圍內(nèi)擺動的連架桿稱為搖桿。

按連架桿運(yùn)動形式的不同，可將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個連架桿中，若一個是曲柄，另一個是搖桿，則稱此四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖所示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：（a）雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)（b）攪拌機(jī)構(gòu)（c）縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)2.雙曲柄機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿相對機(jī)架都是作整周回轉(zhuǎn)的曲柄，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)及應(yīng)用：平行雙曲柄機(jī)構(gòu)及應(yīng)用：機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)慣性篩機(jī)構(gòu)反向平行雙曲柄機(jī)構(gòu)公共汽車的車門啟閉機(jī)構(gòu)反向平行雙曲柄機(jī)構(gòu)及應(yīng)用：3.雙搖桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖所示。雙搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)及應(yīng)用：鶴式起重機(jī)飛機(jī)起落架（1）以最短桿的相鄰桿為機(jī)架時得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。（2）以最短桿為機(jī)架時得到雙曲柄機(jī)構(gòu)。以最短桿的對邊桿為機(jī)架時得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。若機(jī)構(gòu)不滿足桿長和條件，則無論以哪個構(gòu)件為機(jī)架，都只能為雙搖桿機(jī)構(gòu)。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不存在曲柄，即雙搖桿機(jī)構(gòu)：（二）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件及判斷方法

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件：1.長度和條件：2.最短桿條件：連架桿和機(jī)架中必有一桿為最短桿。（1）以最短桿的相鄰桿為機(jī)架時得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。（2）以最短桿為機(jī)架時得到雙曲柄機(jī)構(gòu)。二、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化（一）轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演化過程：（a）（c）對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（b）（d）偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（二）取不同構(gòu)件為機(jī)架1.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

如果將圖2-32（c）所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件AB作為機(jī)架，構(gòu)件BC成為曲柄，滑塊沿導(dǎo)桿移動并做平面運(yùn)動，則可得到導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。（1）當(dāng)AB＞BC，為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖所示。擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（2）當(dāng)AB≤BC，為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖所示。轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)2.搖塊機(jī)構(gòu)

如果選連桿BC作為機(jī)架，滑塊只能繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動，則可得如圖所示的搖塊機(jī)構(gòu)，常用于卡車車廂翻斗機(jī)構(gòu)中。翻斗機(jī)構(gòu)3.定塊機(jī)構(gòu)

如果取滑塊C為機(jī)架，AB為主動件，導(dǎo)桿AC作往復(fù)移動，此機(jī)構(gòu)稱為定塊機(jī)構(gòu)，又稱移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖所示。三、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性（一）急回特性

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄轉(zhuǎn)動一周的過程中，有兩次與連桿共線。這時搖桿分別處于左、右兩個極限位置DC1、DC2。DC1與DC2所夾的銳角稱為搖桿的擺角，記為Ψ；θ為搖桿處于兩極限位置時，曲柄兩對應(yīng)位置所在直線間所夾的銳角，稱為極位夾角。

當(dāng)曲柄等速轉(zhuǎn)動，搖桿來回擺動的快慢不同，返回時的速度較快，四桿機(jī)構(gòu)的這種特性稱為機(jī)構(gòu)的急回特性。機(jī)構(gòu)的急回特性通常用行程速比系數(shù)K來表示，即：總結(jié)：只要θ＞0，則K＞1，機(jī)構(gòu)就存在急回特性；極位夾角θ越大，K值也越大，急回特性也越顯著。當(dāng)θ=0，即K=1時，機(jī)構(gòu)沒有急回特性。急回特性應(yīng)用之一：牛頭刨床（二）壓力角α和傳動角γ

作用于從動件CD的力F與CD桿上C點(diǎn)的速度vc之間所夾的銳角α稱為壓力角α。F的兩個分力中Fn是有害分力，F(xiàn)t是有效分力。壓力角α越小，有效分力越大，有害分力越小，機(jī)構(gòu)越省力，效率越高，所以壓力角α是判斷機(jī)構(gòu)傳力性能的重要參數(shù)。傳動角γ是壓力角α的余角，也是判斷機(jī)構(gòu)傳力性能的參數(shù)。機(jī)構(gòu)的傳動角γ越大，傳力性能越好。顯然傳動角γ愈大愈好，理想情況是γ=90°。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角α和傳動角γ為了保證機(jī)構(gòu)的正常傳動，通常應(yīng)使傳動角γ的最小值γmin大于或等于其許用值[γ]。最小傳動角的許用值與其受力情況、運(yùn)動副間隙的大小、摩擦、速度等因素有關(guān)。一般機(jī)械中，推薦γ=40°～50

°。對于傳遞功率大的機(jī)構(gòu)，如沖床、鄂式破碎機(jī)中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為使工作時得到更大效率，可取γmin=[γ]≥50

°。對于一些非傳力機(jī)構(gòu)，如控制、儀表等機(jī)構(gòu)，也可取=[γ]≤40

°，但不能過小。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角α和傳動角γ（三）機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置

如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如果搖桿CD為主動件，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動到連桿BC與從動曲柄AB共線時，若不考慮慣性力、重力和運(yùn)動副中的摩擦力，則主動件CD通過連桿作用于從動件曲柄AB上的力剛好通過其轉(zhuǎn)動中心而出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。此時無論怎樣加大驅(qū)動力，均不能僅靠驅(qū)動力的作用使從動件運(yùn)動，這種特性稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置

對傳動而言，死點(diǎn)的存在是不利的。為了順利通過死點(diǎn)位置，使機(jī)構(gòu)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用以下方法：1.采用錯位排列的方法，將兩組機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置互相錯開，從而使曲柄始終獲得有效的驅(qū)動力矩，如圖所示機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)兩組車輪的錯位裝置。2.在輸出件上安裝飛輪，利用其慣性通過死點(diǎn)位置，如縫紉機(jī)的踏板為主動件時，與曲柄固連的大帶輪即起飛輪的作用。車輪的錯位裝置

在實(shí)際機(jī)械中，也常利用死點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。飛機(jī)起落架鉆床夾具教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.掌握設(shè)計平面連桿機(jī)構(gòu)的方法。能力目標(biāo)1.能設(shè)計簡單的平面連桿機(jī)構(gòu)。素養(yǎng)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機(jī)構(gòu)

任務(wù)三平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計【學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1.

設(shè)計平面連桿機(jī)構(gòu)的圖解法；2.已知連桿位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)；3.已知行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計是指其運(yùn)動設(shè)計，即根據(jù)機(jī)構(gòu)給定的運(yùn)動要求，在滿足幾何條件和動力情況下，確定與機(jī)構(gòu)有關(guān)的重要尺寸參數(shù)及各構(gòu)件的相對位置，不涉及構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)。

平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法一般可歸納為兩類基本問題：

1.實(shí)現(xiàn)給定的從動件運(yùn)動規(guī)律：位置、速度和加速度

2.實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動軌跡。

平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法有