机械原理第二章

第二章机构的结构分析和综合§2-1机构分析和综合的基本内容§2-2机构的组成及其运动简图的绘制§2-3机构自由度的计算§2-4平面机构的组成原理和结构分析返回*§2-5平面机构的结构综合§2-1结构分析和综合的基本内容机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面：一、对已有机械进行分析二、设计新的机械机构的选型机构的动力设计机械系统总体运动方案设计设计机构机构的运动设计机械的结构分析机械的运动分析机械的动力分析本章的任务：研究机构的结构分析与类型综合1.研究机构的组成要素及机构运动简图的绘制3.研究机构的组成原理4.研究平面机构的类型综合方法2.研究机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件§2-2机构的组成及其运动简图的绘制一、机构的组成要素1.构件作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。例如：2.运动副由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为运动副。对运动副的理解要把握以下三点：（１）运动副是一种联接；（２）运动副由两个构件组成；（３）组成运动副的两个构件之间有相对运动运动副是机械原理中最重要的概念之一两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。例2-1轴与轴承、滑块与导轨、两轮齿啮合。以上是机构的两大组成要素可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。二、运动副的分类组成机构的运动副的类型决定机构的运动形式。运动副有多种类型，对运动副进行正确的分类，在机构设计和综合中是非常重要的。1.根据运动副所引入的约束数分类表2-1常用运动副及其简图名称图形简图符号副级自由度名称图形简图符号副级自由度球面高副I5圆柱套筒副IV2柱面高副II4转动副V1球面低副III3移动副V1球销副IV2螺旋副V12.根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类球面高副柱面高副运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。运动副元素以面接触的运动副称为低副。球面低副移动副转动副3.根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类空间运动副球销副螺旋副圆柱套筒副平面运动副移动副转动副(铰链或回转副)三、运动链与机构运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统开式运动链（开链）运动链的各构件未构成首末封闭系统闭式运动链（闭链）运动链的各构件构成首末封闭的系统机构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。机构是具有确定运动的运动链。平面铰链四杆机构机架原动件从动件在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。机构常分为平面机构和空间机构两类四、机构运动简图的绘制为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形和具体构造，而只用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的简明图形就称为机构运动简图。只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机构示意图。1.机构运动简图（例：内燃机机构运动简图）构件表示方法原动件：固定构件：构件刚化：12112运动副表示方法构件或机构表示方法举例：2.机构运动简图的绘制内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制(1)分析机构运动，弄清构件数目；）图示构件长度（）实际构件长度（比例mmml(4)标注——构件编号、运动副字母、原动件箭头。(3)表达运动副和构件；三选——选视图、选比例、选位置(2)判定运动副的类型和数目——按接触情况和相对运动绘制牛头刨床机构的运动简图4,1A3,43C2,3B1,22C41AB试绘制图示油泵的机构运动简图。例-24,1A3,43C2,3B1,22C41AB3.平面机构运动简图绘制时注意问题(1)忽略构件外形，关注运动副关系；(2)视图平面一般选择为构件的运动平面；(3)同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。§2-3机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算公式(1)自由度与约束构件独立运动的数目称为自由度xyzxyz对构件运动的限制作用称为约束(2)机构自由度机构独立运动的数目称为机构的自由度什么是机构的独立运动?什么是机构的自由度?机构的自由度=机构的独立运动数目平面机构独立运动的数目为:所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。HLHLPPnPPnF23)2(3对于具有个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了个低副和个高副，则它们共引入个约束。机构的自由度F显然应为:nLPHP)2(HLPP例：牛头刨床机构的自由度PL=8;PH=1n=6F=3×6–2×8–1=1二、机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件所谓机构的自由度，实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数的数目。机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。计算下列机构的自由度003223230,3,2HLHLPPnFPPn105233230,5,3HLHLPPnFPPn104233230,4,3HLHLPPnFPPn205243230,5,4HLHLPPnFPPn讨论1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动003223230,3,2HLHLPPnFPPn105233230,5,3HLHLPPnFPPn2)若Ｆ０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由度数；3)若Ｆ0，而原动件数F，则构件间的运动是不确定的；4）若Ｆ０，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。104233230,4,3HLHLPPnFPPn205243230,5,4HLHLPPnFPPn三、计算机构自由度时应注意的事项1.复合铰链例：由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副1231342123441321432312两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副2.局部自由度不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。解决方案：计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度3.虚约束在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。常见的虚约束有以下几种情况:１）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。带虚约束的凸轮机构带虚约束的曲轴２）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。３）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。带虚约束的杆机构4)轨迹重合的情况在机构中，如果用转动副连接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，该连接将带入1个虚约束。AB=BC=BD,DAC=90°除B、C、D点，各点轨迹为一椭圆D点轨迹是沿Y轴的直线DBACF=3×1-2×2=-15）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。带虚约束的行星轮系对称部分：机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分。1213233F3525161F6）平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合。如果两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并不彼此重合，则为复合高副，相当于一个低副（移动副或转动副）。虚约束的本质是什么?从运动的角度看,虚约束就是“重复的约束”或者是“多余的约束”。机构中为什么要使用虚约束?a.使受力状态更合理b.增加机构的刚度c.考虑机构在特殊位置的运动使用虚约束时要注意什么问题?保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。虚约束是存在于某些特定几何条件下的，但这些条件不满足时，它就将成为实际有效的约束，从而影响到机构的性能。§2-4平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。机架原动件从动件组从动件组当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下的从动件组为：这个从动件组的自由度为零，即：06243236,4LLPnFPn这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。分解？？？？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。通常把这样的从动件组称为：基本杆组基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。机构的组成原理任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的任何复杂的机构机架原动件若干基本杆组注意在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。外运动副：在杆组中，不与其他构件相连的运动副内运动副：在杆组中，已经相连两个构件的运动副如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：023LPnFLPn32由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数，所以n应是２的倍数，PL应是３的倍数。这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2,PL=3n=4,PL=6n=6,PL=9二、基本杆组的类型最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为Ⅱ级杆组。Ⅱ级杆组是机构中最常见的一类基本杆组Ⅱ级杆组有以下五种形式：（１）RRR杆组（２）RRP杆组（３）RPR杆组（４）PRP杆组（５）RPP杆组除Ⅱ级杆组外，还有Ⅲ、Ⅳ级等较高级的基本杆组。这是Ⅲ级杆组——由４个构件６个低副组成，具有一个３副构件，而每个内副所连接的分支是双副构件。这是Ⅳ级杆组——由４个构件６个低副组成，有４个内副。三、平面机构的结构分析（1）分析的目的了解机构的组成，确定机构的级别。（2）分析的方法1）去除虚约束和局部自由度，计算机构的自由度，并确定原动件；2）从远离原动件的构件先试拆Ⅱ级组，若不成；再拆Ⅲ级组，直至只剩下原动件和机架为止；3）最后确定机构的级别。注意：改变原动件，可以改变机构的级别。例：破碎机机构的结构分析此机构为Ⅱ级机构。1）若取机构1为原动件时，2）若取构件5为原动件时，先试拆Ⅱ级杆组显然，这种拆法不成。再试拆Ⅲ级组，故此机构为Ⅲ级机构。四、平面机构的高副低代高副低代——机构中的高副以低副来代替的方法。（1）高副低代应满足的条件：1）代替前后机构的自由度完全相同；2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。替代的瞬时性：在大多数情况下，不同瞬时高副接触点处的曲率中心不同，其曲率中心到回转轴心的距离也不同，所以在不同位置有不同的瞬时替代机构（2）高副低代的方法：圆弧高副机构非圆弧高副机构一个虚拟构件和两个低副来代替一个高副结论：在平面机构中进行高副低代时，为了使代替前后机构的自由度、瞬时速度和加速度都保持不变，只要用一个虚拟的构件分别与两高副构件在接触点的曲率中心处以转动副相联就行了。若高副两元素之一为直线，则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。由上述可知，在对高副机构进行分析时，可根据高副低代的方法，先将高副机构转化为低副机构，然后再进行机构的结构、运动分析。2-2；2-3；2-4；2-5本章作业：例：确定杆组及机构的级别Ⅱ级机构本章重点小结一、构件+运动副运动链机构机架原动件从动件基本杆组二