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1、第第2章章 機構的結構分析機構的結構分析21 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的 研究組成機構的要素及機構具有確定運動的條件研究組成機構的要素及機構具有確定運動的條件,然后判斷機構能否運動。然后判斷機構能否運動。研究機構運動簡圖的繪制方法，即研究如何用簡研究機構運動簡圖的繪制方法，即研究如何用簡單的圖形表示機構的結構和運動狀態。單的圖形表示機構的結構和運動狀態。研究機構的組成原理，并根據結構特點對機構進研究機構的組成原理，并根據結構特點對機構進行分類，以便于對其進行運動分析和動力分析。行分類，以便于對其進行運動分析和動力分析。22 機構的組成機構的組成構件和運動副是組成機構的兩個
2、基本要素，而機構構件和運動副是組成機構的兩個基本要素，而機構則是具有固定構件的運動鏈。要知道機構是怎樣則是具有固定構件的運動鏈。要知道機構是怎樣組成的組成的,首先要搞清構件、運動副和運動鏈的概念。首先要搞清構件、運動副和運動鏈的概念。1、構件構件 2、運動副運動副3、運動鏈、運動鏈 4、機構、機構 1.構件：構件：組成機構的各個獨立運動單元組成機構的各個獨立運動單元內燃機內燃機零件：零件：加工制造的單元加工制造的單元在各種機器或機構中常用的零件，稱為通用零件 只在特定的機器中才用到的零件，稱為專用零件。通用零件是本課程的主要學習對象，而專用零件的設計方通用零件是本課程的主要學習對象，而專用零件
3、的設計方法應在有關專業課中學習。法應在有關專業課中學習。內燃機中的連桿內燃機中的連桿套筒套筒連桿體連桿體螺栓螺栓墊圈墊圈螺母螺母軸瓦軸瓦連桿蓋連桿蓋構件可以由一個或幾個零件（剛性聯結）組成構件可以由一個或幾個零件（剛性聯結）組成機器、機構、構件與零件機器、機構、構件與零件一部機器可以只包含一個機構（如電動機），也一部機器可以只包含一個機構（如電動機），也可包含多個機構可包含多個機構在研究構件的運動和受力情況時，機器與機構之在研究構件的運動和受力情況時，機器與機構之間并無區別間并無區別機械機械構件：組成機構的各個獨立運動單元構件：組成機構的各個獨立運動單元構件可以由一個或幾個零件（元件剛性）組成
4、。構件可以由一個或幾個零件（元件剛性）組成。a)兩個構件、兩個構件、b)直接接觸、直接接觸、c)有相對運動有相對運動運動副元素：兩構件上能夠參與接觸而構成運動副運動副元素：兩構件上能夠參與接觸而構成運動副的部分（點、線、面）的部分（點、線、面）常用運動副類型及動畫演示常用運動副類型及動畫演示2.運動副：運動副：使兩個構件直接接觸并能產生一定相對使兩個構件直接接觸并能產生一定相對運動的聯接。運動的聯接。三個條件，缺一不可三個條件，缺一不可一個自由構件作平面運動時有三個獨立運動的可能性。如在Oxy坐標系中，構件S可隨其上任一點A沿x軸、y軸方向移動和繞O點轉動。要描述構件S的狀態需要三個變量：x、
5、y、xyASO一個自由構件作平面運動、空間運動的自由度？構件的自由度：構件的自由度：構件含有獨立運動的數目構件含有獨立運動的數目答案：答案：36構件構件xzyO約束約束：對獨立運動的限制：對獨立運動的限制組成運動副兩構件的相對自由度組成運動副兩構件的相對自由度 f 及約束及約束s 的關系為：的關系為：sf6運動副的分類：運動副的分類：1)按引入的約束數分有：按引入的約束數分有：I級副級副II級副級副III級副級副I級副、級副、II級副、級副、III級副、級副、IV級副、級副、V級副。級副。2)按按運動副的運動性質分有：按按運動副的運動性質分有：平面運動副平面運動副平面運動平面運動平面機構平面機
6、構全部由平面運動副組成的機構。全部由平面運動副組成的機構。IV級副級副例如：例如：球鉸鏈球鉸鏈、拉桿天線、拉桿天線、螺旋螺旋、生物關節。、生物關節?？臻g運動副空間運動副空間運動空間運動V級副級副1V級副級副2空間機構空間機構至少含有一個空間運動副的機構。至少含有一個空間運動副的機構。4)按運動副元素分有：按運動副元素分有：高副點、線接觸，應力高，易磨損。高副點、線接觸，應力高，易磨損。低副面接觸，應力低低副面接觸，應力低例如：例如：滾動副滾動副、凸輪副凸輪副、齒輪副齒輪副等。等。轉動副轉動副：兩個構件之間只能繞同一軸線做相對轉動兩個構件之間只能繞同一軸線做相對轉動移動副移動副：兩個構件之間只能
7、沿某一軸線相對移動兩個構件之間只能沿某一軸線相對移動 3)按相對運動的形式分有：按相對運動的形式分有：轉動副轉動副（或回轉副、鉸鏈），（或回轉副、鉸鏈），移動副移動副，螺旋副螺旋副和和球面副球面副等。等。例如：例如：轉動副轉動副、移動副移動副等。等。運動副的符號表示運動副的符號表示:轉動副轉動副移動副移動副高副高副高副高副高副高副常用運動副的符號常用運動副的符號:國標國標GB446084運動副運動副名稱名稱運動副符號運動副符號兩運動構件構成的運動副兩運動構件構成的運動副轉轉動動副副移移動動副副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副兩構件之一為固定時的運動
8、副122121平平面面運運動動副副平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球銷銷副副121212空空間間運運動動副副1212123.運動鏈運動鏈 4.機構機構四、機構四、機構平面機構：機構中各構件的運動平面互相平行平面機構：機構中各構件的運動平面互相平行空間機構：空間機構：機構中至少有一構件不在相互平行的平面上運機構中至少有一構件不在相互平行的平面上運 動，或至少有一構件能在三維空間中運動動，或至少有一構件能在三維空間中運動 低副機構：低副機構：完全由低副連接而成的機構完全由低副連接而成的機構 高副機構：高副機構：只要含有一個高副的機構只要含有一個高副的機構 23
9、 機構運動簡圖機構運動簡圖在對現有機械進行分在對現有機械進行分析或設計新機械時析或設計新機械時,都都需要繪制出其機構運需要繪制出其機構運動簡圖。動簡圖。機構運動簡圖機構運動簡圖根據機構的運動尺寸根據機構的運動尺寸,按一定的比例尺定出各運動副的按一定的比例尺定出各運動副的位置，就可以用運動副及位置，就可以用運動副及常用機構運動簡圖的代表符常用機構運動簡圖的代表符號號和和構件的表示方法構件的表示方法，將機構的運動傳遞情況表示出，將機構的運動傳遞情況表示出來。用以表示機構運動傳遞情況的簡化圖形稱為來。用以表示機構運動傳遞情況的簡化圖形稱為機構機構運動簡圖運動簡圖。忽略構件和運動副具體的結構和形狀，用
10、忽略構件和運動副具體的結構和形狀，用簡單的線條簡單的線條和和符號符號來表示構件和運動副，并來表示構件和運動副，并按比例按比例定出各定出各運動副運動副的的位置位置。作用：作用：1.1.表示機構的結構和運動情況。表示機構的結構和運動情況。2.2.作為運動分析和動力分析的依據。作為運動分析和動力分析的依據。根據機構運動簡圖對機械進行運動及動力分析就變得根據機構運動簡圖對機械進行運動及動力分析就變得十分簡明和方便了。十分簡明和方便了。而只是為了表明機械的結構情況，也可以不要求嚴格而只是為了表明機械的結構情況，也可以不要求嚴格的按比例來繪制出的簡圖稱為的按比例來繪制出的簡圖稱為機構示意圖機構示意圖。注意
11、事項注意事項:畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質的性質。常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號 在在機機架架上上的的電電機機齒齒輪輪齒齒條條傳傳動動帶帶傳傳動動圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動鏈鏈傳傳動動圓柱圓柱蝸桿蝸桿蝸輪蝸輪傳動傳動凸凸輪輪傳傳動動外嚙外嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動機構運動簡圖機構運動簡圖應滿足的應滿足的條件條件：1.構件數目與實際相同構件數目與實際相同 2.運動副的性質、數目與實際相符運動副的性質、數目與實際相符 3.運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構 成比例。成比例
12、。棘棘輪輪機機構構內嚙內嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動4.繪制機構運動簡圖步驟第二章 機構的機構分析（1）分析機構：判斷機架、原動件、執行部件；沿運動傳遞路線，分析原動件的運動如何傳至執行部件；數清從動件、構件數目、運動副類型和數目；（2）選擇大多數構件所在平面為投影面選擇大多數構件所在平面為投影面（3）選擇適當的比例尺（實長/圖長）；（4）按順序用規定符號繪圖，并標出原動件運動方向例例 題題 2 21 1 第二章 機構的機構分析例：圖為鄂式破碎機。當曲軸1繞軸心O連續回轉時，動鄂板5繞軸心F往復擺動，從而將礦石軋碎。試繪制此破碎機的機構運動簡圖。2-4 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動
13、的條件一個機構在什么條件下才能實現確定的運動呢？先來看兩個例子：例1 鉸鏈四桿機構例2 鉸鏈五桿機構若給定機構一個獨立運動，則機構的運動完全確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的最薄弱環節損壞。若給定機構一個獨立運動，則機構的運動不確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的運動完全確定。機構的自由度 結論 機構具有確定運動的條件是：機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，其數目用F表示。機構的原動件數目應等于機構的自由度數目。25 機構自由度的計算機構自由度的計算運動副對構件自由度的影響運動副對構件自由度的影響低副：低副：2個約束，1個自由度1個約束，2個自由度（1 1）一個作平面運動的
14、自由構件具有三個自由度。）一個作平面運動的自由構件具有三個自由度。高副：高副：（2 2）引入一個轉動副約束了構件兩個自由度，引入一個）引入一個轉動副約束了構件兩個自由度，引入一個移動副也約束了構件的兩個自由度。移動副也約束了構件的兩個自由度。（3 3）引入一個高副約束了構件的一個自由度。）引入一個高副約束了構件的一個自由度。1.1.平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算 機構的自由度：機構的自由度：機構中各構件相對于機架所能有的機構中各構件相對于機架所能有的獨立運動的數目獨立運動的數目平面機構自由度計算公式設平面機構共有設平面機構共有K個構件，除去自由度等于零的固個構件，除去自由度等于零的固
15、定構件，則機構中的定構件，則機構中的活動構件數活動構件數n=K-1，若機構中有，若機構中有PL個低副，個低副，PH個高副，該機構的自由度為：個高副，該機構的自由度為：要求：要求：記住上述公式，并能熟練應用。記住上述公式，并能熟練應用。24 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件為了按照一定的要求進行運動的傳遞及變換，當機構的原動為了按照一定的要求進行運動的傳遞及變換，當機構的原動件按給定的運動規律運動時，該機構中的其余構件的運動也都件按給定的運動規律運動時，該機構中的其余構件的運動也都應是完全確定的。應是完全確定的。機構具有確定運動的條件：機構具有確定運動的條件：機構的原動件數目機構的原
16、動件數目等于機構自由度的數目等于機構自由度的數目F 機構的自由度數機構的自由度數F原動件數原動件數0機構的自由度就是機構具有確定運動時所必須給定機構的自由度就是機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目的獨立運動參數的數目。只有當給機構的獨立運動。只有當給機構的獨立運動數等于機構的自由度數時機構才能具有確定運動，數等于機構的自由度數時機構才能具有確定運動，一般只有原動件具有獨立運動，而且通常每個原動一般只有原動件具有獨立運動，而且通常每個原動件只有一個獨立運動。件只有一個獨立運動。當機構不滿足這一條件時，如果原動件數目小于機構的當機構不滿足這一條件時，如果原動件數目小于機構的自由度，則機
17、構的運動不確定；若原動件數目大于機構自由度，則機構的運動不確定；若原動件數目大于機構的自由度，則導致機構的最薄弱環節破壞。的自由度，則導致機構的最薄弱環節破壞。計算曲柄滑塊機構的自由度。計算曲柄滑塊機構的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n=3低副數低副數PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數高副數PH=0S3123機構自由度計算舉例機構自由度計算舉例計算五桿鉸鏈機構的自由度計算五桿鉸鏈機構的自由度解：活動構件數解：活動構件數n=4低副數低副數PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副數高副數PH=012341 1計算圖示凸輪機構的自由度。計算圖示凸輪機構的
18、自由度。解：活動構件數解：活動構件數n=2低副數低副數PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副數高副數PH=11232、4計算平面機構自由度的注意事項第二章 機構的機構分析 1、復合鉸鏈CB321A5E6D 增加構件5、6 后，n=5，pl=6，ph=0 F=3n-2pl-ph=35-26=3 顯然是錯誤的 如圖：n=3，pl=4，ph=0 F=3n-2pl-ph=33-24=1由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸鏈312 推廣：m個構件鉸接在一起，有(m-1)個轉動副 上例：F=35-27=1第二章 機構的機構分析 由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸
19、鏈，如：123213第二章 機構的機構分析 例：活動構件：n=7 運動副：不考慮復合鉸鏈，pl=6，ph=0，F=3n-2pl-ph =9（）考慮復合鉸鏈，pl=10，ph=0，F=3n-2pl-ph =1（）第二章 機構的機構分析 2、局部自由度不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。例如：圖示滾子推桿盤形凸輪機構F=3n-2pl-ph=2（）焊接法：仍采用原公式，但活動構件、運動副數目均變化。F=3n-2PL-PH=1變換公式：在原公式中減去局部自由度。F=3n-(2pl+ph)-F =1局部自由度常出現場合：活動摩擦變為滾動摩擦時添加的滾子，
20、軸承中的滾珠等。第二章 機構的機構分析 3、虛約束不起獨立限制作用的約束。虛約束處理方法：計算自由度時，將虛約束去除。此時，自由度計算公式為：F=3n-(2pl+ph-p)-F其中：n活動構件數目 pl、ph分別為低副數和高副數 p虛約束個數 F局部自由度約束此為平面機構自由度計算的完整公式第二章 機構的機構分析 虛約束常出現場合:1、兩構件之間形成多個運動副。2、用轉動副聯接兩構件上軌跡重合的點。AB=CD=EF，BC=AD BE=AF F=34 (26+0-0)-0=0 錯誤E點軌跡重合 EF為虛約束（或AB、CD)F=34-(26+0-1)-0=1 下一個第二章 機構的機構分析 兩個構件
21、之間形成多個運動副 多個轉動副軸線重合F=31-22=-1（）F=31-21=1 多個移動副導路平行 F=32-22-1=1多個高副在特定幾何條件下（法線重合）F=32-22-1=1返回第二章 機構的機構分析3、用雙轉動副構件聯接兩構件上距離不變的兩點。如圖：DC間 距離不變如圖：AB間 距離不變F=34-(26+0-1)-0=14、不影響機構運動的對稱部分，且p=2pl+ph-3n其中：n、pl、ph為重復部分構件、低副和高副數。如：第二章 機構的機構分析其中：p=2pl+ph-3n =2所以，機構自由度為：F=3n-(2pl+ph-p)-F =15-（10+6-2）-0 =1計算圖示圓盤鋸
22、機構的自由度。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n=7低副數低副數PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明：可以證明：F點的軌跡為一直線。點的軌跡為一直線。12345678ABCDEF圓盤鋸機構圓盤鋸機構CDABGFoEE計算圖示大篩機構的自由度。計算圖示大篩機構的自由度。位置位置C，2個個低副低副復合鉸鏈復合鉸鏈:局部自由度局部自由度 1個個虛約束虛約束EF=3n (2PL+PH P)F =38(211+1 2)1 =2第二章 機構的機構分析 例1：計算圖示機構自由度，并判斷機構是否具有確定運動。注：C 處為復合鉸鏈；E處為虛約束；F 處為局部自
23、由度F=36-(28+1-0)-0=1F=38-(210+1-0)-1=2例2：如圖所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。局部自由度復合鉸鏈虛約束例3：計算圖所示機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。局部自由度虛約束第二章 機構的機構分析2、7平面機構組成原理平面機構的組成原理2基本桿組的概念3 1平面機構的機構分析3 3第二章第二章 機構的機構分析機構的機構分析機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。原動件從動件組機架
24、 一、基本桿組的概念一、基本桿組的概念第二章第二章 機構的機構分析機構的機構分析基本桿組基本桿組 對具有確定相對運動的對具有確定相對運動的低副機構低副機構（原動件數（原動件數=自由度數），將原動件和自由度數），將原動件和機架拆下，剩余的從動件系統就是一個自由度為零的運動鏈。若將其進一步機架拆下，剩余的從動件系統就是一個自由度為零的運動鏈。若將其進一步拆為不可再拆的自由度為零的運動鏈，即得到基本桿組。簡稱拆為不可再拆的自由度為零的運動鏈，即得到基本桿組。簡稱“桿組桿組”DCAB+EFAODCBEF F=32-23=0O+第二章 機構的機構分析結論：34121）用桿組搭接機構不代入多余的約束不代入
25、多余的自由度機構的自由度不變。2）對桿組概念的理解：F=0，不能理解為不能動。而是，桿組參與搭接機構時不會引入多余的約束和自由度。56第二章 機構的機構分析1 1、基本機構、基本機構 （原動件原動件+機架）機架）2 2、機構的組成、機構的組成（基本機構（基本機構+桿組）桿組）3 3、平面機構的級別、平面機構的級別機構的級別按其中所含桿組的最高機構的級別按其中所含桿組的最高級別確定級別確定。第二章 機構的機構分析基本桿組的類型基本桿組的類型F=3 n 2 Pl=0由桿組的定義：3 n=2 Pl級組級組級組名稱構件數、低副數桿組的基本型 n=2；Pl=3 n=4；Pl=6 n=4；Pl=6桿組的級
26、別按其中所含最大封閉形邊數確定。概念：桿組的外接副、內接副。外接副內接副常見2級桿組第二章 機構的機構分析級組的基本型 n=4；Pl=6ACB1234DEF桿組的演化途徑轉動副變移動副桿長的變化桿組的演化第二章 機構的機構分析三、平面機構的結構分析 機構的結構分析是機構組成的逆過程，也可稱為機構的拆桿組。步驟及注意事項1。除去機構中的虛約束和局部自由度。計算自由度，明確原動件。2。拆桿組。一般是從遠離原動件處開始拆，應首先試拆級組，若不成再試拆高一級桿組。重復進行直至原動件。123456789567834 F=38-211=2第二章 機構的機構分析 機構的結構分析是機構組成的逆過程，也可稱為機
27、構的拆桿組。步驟及注意事項1。除去機構中的虛約束和局部自由度。計算自由度，明確原動件。2。拆桿組。一般是從遠離原動件處開始拆，應首先試拆級組，若不成再試拆高一級桿組。重復進行直至原動件。123456789567834 F=38-211=23。注意：（1）拆解桿組前后。自由度不應發生變化。剩余部分還應是機構。（2）復合鉸鏈應按復合的次數拆多次。（3）原動件的不同會直接影響機構拆解次序和結果。級機構三、平面機構的結構分析第二章 機構的機構分析例題：分別以2、6構件為原動件，分析圖示機構的組成。123456F=3 5-2 7 =1若以構件2為原動件345612 級機構例題：分別以2、6構件為原動件，
28、分析圖示機構的組成。123456F=3 5-2 7 =1若以構件6為原動件234516 級機構第二章 機構的機構分析2-9 平面機構中的高副低代平面機構中的高副低代高副低代高副低代 機構中的高副以低副來代替的方法機構中的高副以低副來代替的方法。（1）高副低代應滿足的條件高副低代應滿足的條件：1）代替前后機構的自由度完全相同代替前后機構的自由度完全相同；2）代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度完全相同代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。（2）高副低代的方法：高副低代的方法：圓弧高副機構圓弧高副機構非圓弧高副機構非圓弧高副機構結論：在對平面機構進行高副低代時，為了滿足高副低代的條件，只要用一個虛擬的構件分別與兩高副構件在接觸點的曲率中心處以轉動副相聯即可。若高副兩元素之一為直線，若高副兩元素之一為一個點，結論：在對高副機構進行分析時，可根據高副低代的方法，先將高副機構轉化為低副機構，然后在進行機構的結構、運動及力分析。平面機構中的高副低代平面機構中的高副低代(2/2)則低代時虛擬構件這一端的轉動副將轉化為移動副。則低代時虛擬構件這一端的轉動副就在此點處。結構分析
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