機械基礎（少學時第3版） 課件 第5單元 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

第5單元

平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

項目背景

汽車與我們每天的出行息息相關(guān)，它是一種典型的交通運輸機械，它的存在改變了我們的生活，使我們能夠隨時隨地前往想去的地方。

圖5-1a為汽車發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

本單元將以汽車發(fā)動機作為載體，學習正確分析平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、繪制平面機構(gòu)運動簡圖及判斷平面機構(gòu)的運動確定性，另外，還將通過大量的工程實際案例進行相關(guān)能力訓練。圖5-1汽車發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第5單元

平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

平面機構(gòu)運動簡圖構(gòu)件和運動副機構(gòu)具有確定相對運動的條件內(nèi)容CONTENTS綜合項目分析第5單元平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

知識目標

1.掌握構(gòu)件、運動副的概念，能識別并掌握代表常用構(gòu)件及運動副的簡圖符號，能根據(jù)實際機構(gòu)畫出其機構(gòu)運動簡圖。2.熟練掌握自由度與約束的概念及平面機構(gòu)自由度的計算，熟練掌握平面機構(gòu)具有確定相對運動的條件，在計算平面機構(gòu)自由度時，能正確判斷并處理復合鉸鏈、局部自由度、虛約束。

1.能分析平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，正確識別構(gòu)件和運動副的數(shù)目和類型。2.能正確繪制平面機構(gòu)的運動簡圖，并準確判斷平面機構(gòu)運動的確定性。

能力目標

素質(zhì)目標

1.培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新意識。2.學習中國空間站機械臂技術(shù)應用，樹立科技報國的愛國情懷。

1.平面機構(gòu)的運動副及其分類、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制、自由度與約束的概念、平面機構(gòu)的自由度計算、平面機構(gòu)具有確定相對運動的條件。2.機構(gòu)運動簡圖繪制、機構(gòu)的自由度計算。

學習重點和難點第5單元平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

5.1構(gòu)件和運動副

機械一般由若干常用機構(gòu)組成，而機構(gòu)是由兩個以上且具有確定相對運動的構(gòu)件組成的。

平面機構(gòu)：若組成機構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面中運動，則該機構(gòu)稱為平面機構(gòu)。

圖1汽車發(fā)動機測量儀表機構(gòu)5.1.1構(gòu)件的自由度

構(gòu)件的自由度：構(gòu)件作獨立運動的可能性，稱為構(gòu)件的自由度。

一個在平面內(nèi)自由運動的構(gòu)件有三個自由度，可用x、y、φ表示。

5.1構(gòu)件和運動副圖5-2構(gòu)件的自由度

5.1.2運動副和約束

1.運動副：由兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接，稱為運動副。

2.約束：運動副限制了兩個構(gòu)件間的某些獨立運動的可能性，這種限制就稱為約束。

5.1構(gòu)件和運動副圖1汽車發(fā)動機測量儀表機構(gòu)

5.1.3運動副的分類

平面運動副中，兩構(gòu)件之間的直接接觸有三種情況：點接觸、線接觸和面接觸。平面運動副按兩構(gòu)件接觸的幾何特征分為低副和高副。

1.低副：兩構(gòu)件通過面接觸構(gòu)成的運動副稱為低副。每個低副有兩個約束。

按兩構(gòu)件間的相對運動形式，低副又分為移動副和轉(zhuǎn)動副。圓軸扭轉(zhuǎn)變形

平面彎曲變形

圖5-3低副-移動副圖5-3低副-轉(zhuǎn)動副5.1構(gòu)件和運動副

（1）轉(zhuǎn)動副：兩構(gòu)件只能做相對轉(zhuǎn)動的運動副。

轉(zhuǎn)動副的符號：用小圓表示，小圓中心代表轉(zhuǎn)動軸線的位置。若構(gòu)件代表機架則在構(gòu)件上畫上斜線。

5.1構(gòu)件和運動副圖5-4轉(zhuǎn)動副的符號表示

（2）移動副：兩構(gòu)件只能做相對移動的運動副。

移動副符號：用直線表示移動導路或其中心線的位置。

5.1構(gòu)件和運動副圖5-5移動副的符號表示

2.高副

概念：兩構(gòu)件呈現(xiàn)點、線接觸的運動副稱為高副。高副用兩構(gòu)件在直接接觸處的輪廓表示，每個高副有一個約束。

注意：畫高副時，對于凸輪、滾子，習慣上畫出全部的輪廓；對于齒輪，常畫點畫線畫出其節(jié)圓。

5.1構(gòu)件和運動副凸輪機構(gòu)齒輪副高副符號表示圖5-5平面高副☆基礎能力訓練

請判斷圖5-6所示汽車發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)圖中，凸輪軸1與進氣門3、進氣門3或排氣門4與機體7、活塞8與氣缸6、活塞8與連桿9、連桿9與曲軸10、齒形帶13與張緊輪12，是采用何種運動副聯(lián)接起來的？

5.1構(gòu)件和運動副5.1.4構(gòu)件的分類

1.機構(gòu)中的構(gòu)件可分為三類：

（1）固定件(機架)：是用來支承著活動構(gòu)件的構(gòu)件。（如縫紉機腳踏機構(gòu)中的AD構(gòu)件）

（2）原動件:原動件是運動規(guī)律已知的活動構(gòu)件，它的運動是由外界輸入的，故又稱為輸入構(gòu)件。（如縫紉機腳踏機構(gòu)中的CD構(gòu)件）

5.1構(gòu)件和運動副縫紉機腳踏機構(gòu)

（3）從動件:從動件是機構(gòu)中隨著原動件的運動而運動的其余活動構(gòu)件。其中，輸出機構(gòu)為預期運動的從動件稱為輸出構(gòu)件或執(zhí)行件，其他從動件則起傳遞運動的作用。（如縫紉機腳踏機構(gòu)中的CB、BA構(gòu)件）

5.1構(gòu)件和運動副縫紉機腳踏機構(gòu)2.機構(gòu)運動簡圖中構(gòu)件的表示法

5.1構(gòu)件和運動副圖5-7運動簡圖中構(gòu)件的表示法

1.機構(gòu)運動簡圖的概念

（1）機構(gòu)運動簡圖

撇開實際機構(gòu)中與運動無關(guān)的因素，用簡單的線條和符號表示構(gòu)件和運動副，并按一定的比例定出各運動副的相對位置，表示機構(gòu)各構(gòu)件間真實運動關(guān)系的圖，稱為機構(gòu)運動簡圖。執(zhí)行件，其他從動件則起傳遞運動的作用。

5.2平面機構(gòu)運動簡圖縫紉機腳踏機構(gòu)

（2）機構(gòu)示意圖

沒有按一定比例表示出各運動副間準確的相對位置，只能表示機構(gòu)組合方式的機構(gòu)圖稱為機構(gòu)示意圖。

5.2平面機構(gòu)運動簡圖剪刀機構(gòu)攪拌機構(gòu)

2.平面機構(gòu)運動簡圖的繪制

（1）比例尺的概念

（2）比例的概念

5.2平面機構(gòu)運動簡圖

3.平面機構(gòu)運動簡圖繪制的一般步驟

（1）分析機構(gòu)運動的傳遞情況，找出機架、原動件和從動件。

（2）從原動件開始，按照運動的傳遞順序，分析各構(gòu)件間的運動形式，從而確定構(gòu)件和運動副的數(shù)目和類型。

（3）測量各運動副間的相對位置。

（4）選擇適當?shù)囊晥D平面和原動件位置，以便清楚地表達各構(gòu)件間的運動關(guān)系。平面機構(gòu)通常選擇與構(gòu)件運動平行的平面作為投影面。

（5）選擇適當?shù)谋壤擀蘬，按照各運動副間的距離和相對位置，用簡單的線條和運動副符號畫出機構(gòu)運動簡圖。

5.2平面機構(gòu)運動簡圖

項目5-1

試繪出圖5-8a所示抽水唧筒的平面機構(gòu)運動簡圖。

5.2平面機構(gòu)運動簡圖

☆基礎能力訓練

請畫出汽車發(fā)動機罩殼（見圖5-9a）、手搖打氣筒（見圖5-9b）、擺動座椅（見圖5-9c）的機構(gòu)示意圖。

5.2平面機構(gòu)運動簡圖圖5-9工程應用案例

5.3.1平面機構(gòu)具有確定相對運動的條件

機構(gòu)自由度：是指機構(gòu)相對于機架所具有的獨立運動的數(shù)目。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件剪刀機構(gòu)鉸鏈五桿機構(gòu)

1.平面機構(gòu)自由度的計算

（式5-1）

式中：F—平面機構(gòu)的自由度數(shù)

n—機構(gòu)中活動構(gòu)件個數(shù)

PL—機構(gòu)中低副的個數(shù)

PH—機構(gòu)中高副的個數(shù)5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件剪刀機構(gòu)

項目5-2

計算圖5-8所示的抽水唧筒機構(gòu)的自由度。。

5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件

2.平面機構(gòu)具有確定相對運動的條件

(1)請計算下列機構(gòu)的自由度

(2)平面機構(gòu)具有確定相對運動的條件:機構(gòu)自由度F

等于原動件數(shù)W，由于機構(gòu)必有接受外界運動的原動件，即

W>0

(式5-2）

5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件

項目5-3

圖5-11a所示為簡易沖床，動力由齒輪1輸入，帶動同軸的凸輪2、推動桿3，使推桿4（沖頭）上下移動以達到?jīng)_壓的目的。1）試畫出簡易沖床的運動簡圖；2）通過自由度計算判斷該機構(gòu)是否有確定相對運動；3）如果不滿足有確定相對運動的條件，請?zhí)岢鲂薷囊庖姴嫵鰴C構(gòu)運動簡圖。圖5-11簡易沖床及其機構(gòu)運動簡圖5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件

☆綜合應用能力訓練

對于圖5-11a所示的簡易沖床，除圖5-11c、d所示的兩種方案外，你是否還有其他的修改方案？圖5-11簡易沖床及其機構(gòu)運動簡圖簡易沖床修改方案5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件

☆分析思考：

請計算下列機構(gòu)的自由度，并判斷機構(gòu)是否有確定相對運動？請思考B點的轉(zhuǎn)動副有幾個？5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件

5.3.2幾種特殊情況的處理

1.復合鉸鏈：

（1）概念：兩個以上構(gòu)件在同一處用同軸轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接組成的運動副，稱為復合鉸鏈。

（2）處理方法：當由

m

個構(gòu)件組成復合鉸鏈時，則聯(lián)接處就有（m-1）個轉(zhuǎn)動副。在計算機構(gòu)自由度時，應注意這種情況，以免漏算運動副的數(shù)目。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-12復合鉸鏈

項目5-4

試計算圖5-13所示直線機構(gòu)的自由度，并判斷該機構(gòu)是否具有確定的相對運動。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-13直線機構(gòu)

2.局部約束

（1）概念：不影響整個機構(gòu)運動的局部的獨立運動，稱為局部自由度。

（2）出現(xiàn)的場合：將滑動摩擦改為滾動摩擦處。

（3）處理方法：計算自由度時將局部自由度除去，將滾子與桿件固結(jié)一體。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-14局部自由度

3.虛約束

概念：機構(gòu)中與別的約束起重復限制作用的約束，稱為虛約束。

虛約束出現(xiàn)的場合：

（1）兩個構(gòu)件形成多個具有相同作用的運動副

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，如圖5-15a所示。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-15多個運動副的虛約束

2）兩構(gòu)件形成多個導路平行或重合的移動副，只有一個移動副起作用，其余都是虛約束。處理方法：只保留一個移動副，如圖5-15b所示。。

3）兩構(gòu)件在多處接觸形成的高副。處理方法：只保留一個高副，如圖5-15c所示。5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-15c兩構(gòu)件在多處接觸形成的高副圖5-15b兩構(gòu)件形成導路平行或重合的移動副

（2）被聯(lián)接件上點的軌跡與機構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合時，這種聯(lián)接將出現(xiàn)虛約束。

處理方法：去除虛約束及多余的構(gòu)件

5.3機構(gòu)具有確定相對運動的條件圖5-16平行四邊形機構(gòu)中的虛約束

（3）機構(gòu)中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分。

處理方法：去除對稱部