精密机械设计基础课件(合肥工业大学)第四章

第四章机构的结构分析第四章机构的结构分析参考文献张策主编，《机械原理与机械设计》（上册），机械工业出版社，2004黄锡恺等，《机械原理》，高等教育出版社，1997孙桓等,《机械设计》,高等教育出版社其他机械原理的相关书籍第四章机构的结构分析本章重点构件、运动副、机构、自由度、约束等概念。机构具有确定运动的条件。平面机构自由度的计算。注：本章只研究平面机构的结构分析。第四章机构的结构分析主要内容第一节概述第二节运动副及其分类第三节平面机构的运动简图第四节平面机构的自由度第五节平面机构的组成原理和结构分析第四章机构的结构分析第一节概述机构、构件和零件机构是按一定方式联接的构件组合体，是用来传递运动和力或改变运动的形式。机器机构构件零件独立的运动单元独立的制造单元内燃机仪表机构运动副第四章机构的结构分析由四个杆件组成的装置，当以杆件1为原动件，并做给定的独立运动，杆件2，3随之作确定的运动。该四个杆件组成一个机构。第四章机构的结构分析由五个杆件组成的装置，当以杆件1为原动件，并作给定的独立运动，杆件2，3，4的运动不确定。此种情况下，该五个杆件的组合不能称为机构。第四章机构的结构分析研究机构的目的探讨机构运动的可能性及具有确定运动的条件；将机构进行分类，并建立相应的运动和动力分析的一般方法；正确绘制机构运动简图；熟悉构件组成机构的规律，了解机构的组成原理。第四章机构的结构分析缸体活塞连杆曲轴曲柄连杆机构齿轮系凸轮机构第四章机构的结构分析零件－连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4和5、螺杆6、螺母7、开口销8构件－连杆第四章机构的结构分析仪表机构第四章机构的结构分析第二节运动副及其分类运动副：机构中使两构件直接接触，并能产生一定相对运动的联接。转动副齿轮副移动副第四章机构的结构分析运动副的要素构成运动副的点、线、面。运动副要素的几何形状决定了两构件的相对运动形式。运动副分类根据相对运动是平面的还是空间的，可分为平面运动副和空间运动副。本书主要讨论平面运动副。第四章机构的结构分析自由度构件所具有的独立运动数目。约束对构件独立运动所加的限制。三个独立参变量：x、y、第四章机构的结构分析平面运动副的分类：低副：两构件之间以面接触的运动副。转动副移动副具有两个约束。高副：两构件之间以点或线接触的运动副。具有一个约束。运动链、机构第四章机构的结构分析平面低副转动副（曲面接触）移动副（平面接触）第四章机构的结构分析平面高副凸轮高副（点接触）齿轮高副（线接触）第四章机构的结构分析第三节平面机构的运动简图机构运动简图表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形（用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副间的相对位置）。不按比例绘制的简图称为机构示意图。注意：机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性！第四章机构的结构分析机构运动简图的绘制分析机械的结构和工作原理，沿着运动传递路线，找出原动件、工作执行构件及机架。确定构件数，运动副的数目、类型和相对位置。选择构件的运动平面作为简图的投影面。选择适当的长度比例尺，确定运动副的位置，并用构件和运动副的符号绘出机构的运动简图。第四章机构的结构分析常用平面运动副表示法第四章机构的结构分析第四章机构的结构分析例：油泵机构1圆盘2柱塞3构件4机架ABC123例题二例题三例题一4第四章机构的结构分析例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图24563AB1第四章机构的结构分析例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图第四章机构的结构分析第四章机构的结构分析第四章机构的结构分析第四章机构的结构分析例题三：图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。ABCDE123456第四章机构的结构分析第四节平面机构的自由度运动链闭式链每个构件至少两个运动副；首末封闭的系统开式链有的构件只包含一个运动副；未构成首末封闭的系统1x1x111y1y1y1y1y第四章机构的结构分析机构机架：固定构件；一般相对地面固定不动。原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件；常以转向箭头表示。从动件：其余活动构件；其运动规律决定于原动件的运动规律和机构结构和构件尺寸。1234机架原动件从动件返回第四章机构的结构分析机构自由度机构中各构件相对于机架的所具有的独立运动的数目。以铰链四杆机构为例。故机构自由度为活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差：F=3n-2PL-PH1x1x111y1y1y1y1y12341第四章机构的结构分析机构具有确定运动的条件观察：1）自由度等于1，铰链四杆机构2）自由度等于2，铰链五杆机构3）自由度小于等于0，桁架结论：当F≤0时，构件间不可能有相对运动。当F＞0时，原动件数＞F，机构遭破坏；原动件数＜F，机构运动不确定；原动件数＝F，机构有确定的运动。举例：牛头刨床第四章机构的结构分析计算机构自由度时应注意的事项？？？复合铰链同一轴线上有两个以上的构件用转动副联接时，则形成复合铰链。局部自由度有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。这些局部运动的自由度称为局部自由度。虚约束机构中，有些运动副引入的约束可能与其它运动副的约束重复，因而实际并无约束作用，这类约束为虚约束。第四章机构的结构分析计算机构自由度应注意的事项小结存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副◆复合铰链◆局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。◆虚约束存在于特定几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。第四章机构的结构分析例题：计算图示机构的自由度。n=3PL=4PH=0F=3×3-2×4-0=11234虚约束例题1例题2例题3第四章机构的结构分析12341取构件4为机架与构件1铰接形成转动副引入两个约束，构件2相对于机架4独立运动数为1，F=（3-2）＋（3-2）。引入构件1（x1，y1，1）引入构件2（x2，y2，2）与机架4铰接形成转动副引入两个约束，构件1相对于机架4的独立运动数只剩一个1。则F=3-2。同理引入构件3，与构件2铰接形成转动副引入两个约束，构件3相对于机架4的独立运动数为1，F=(3-2)+(3-2)+(3-2)。最后构件3与机架4铰接形成转动副再引入两个约束，此时机构的F=(3-2)+(3-2)+(3-2)-2＝1。第四章机构的结构分析铰链四杆机构12341F=1，对于构件1的每一个转动位置，构件2，3便有一个确定位置，因此自由度等于1的机构，有一个原动件时运动是确定的。若同时让构件3也为原动件，即让构件3在由构件1确定位置后还可以作独立运动，这是无法实现的，若强迫构件3独立运动，机构将被损坏。第四章机构的结构分析铰链五杆机构若只以构件1为原动件，则对于构件1的每一个独立运动，构件2，3，4的运动位置不确定。若取构件1和4为原动件，可知对于每一组(1,2),构件2，3便有一个确定的相应位置，即机构的运动是确定的。第四章机构的结构分析1）自由度F=0，此为静定桁架，各构件皆不能产生相对运动。2）自由度F=-1，此为超静定桁架，所受约束过多。第四章机构的结构分析图示为一牛头刨床初步设计方案。动力由齿轮1输入，通过齿轮机构1、2，导杆机构3、4，使滑枕5前后运动，达到刨削目的。试分析其是否能实现设计意图。第四章机构的结构分析解：作出机构运动简图。n=5,PL=7,PH=1,机构自由度F=3×5-2×7-1=0说明如此设计该机构不能动。因为构件3与构件5的铰接点c不能同时实现沿水平方向的直线运动和绕A点的圆弧运动。第四章机构的结构分析n=6,PL=8,PH=1,F=3×6-2×8-1=1666第四章机构的结构分析n=5,PL=6,PH=2,F=3×5-2×6-2=1第四章机构的结构分析30625323hlppnF21323323hlppnF00624323hlppnF？？？第四章机构的结构分析由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。32352701lhFnpp注意：复合铰链只存在于转动副中！第四章机构的结构分析计算机构自由度时，将局部自由度除去不计。图示滚子从动件凸轮机构，除去局部自由度后n=2,PL=2,PH=1,F=3×2-2×2-1=1第四章机构的结构分析在计算机构自由度时，应将引入虚约束的运动副和构件除去不计。虚约束发生的几种情况：1）连接点的轨迹重合2）当不同构件上两点间的距离保持恒定时，在两点间加上的一个构件和两个转动副，引入的约束为虚约束。第四章机构的结构分析3）当两构件构成多个移动副而其导路又互相平行；或两构件构成多个转动副而其轴线互相重合时，则只有一个移动副或转动副起作用，其余的都视为虚约束。即两构件在几处接触而构成运动副。第四章机构的结构分析n=3Pl=4PH=0F=3n-(2Pl+PH)=3×3-2×4=1两构件在几处接触而构成运动副两构件在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束;只按一个计算！第四章机构的结构分析4）机构中对运动不起作用的对称部分会出现虚约束。行星轮系第四章机构的结构分析用于连接构件2和3的转动副C即属此种情况。因为C2和C3在未连接前的轨迹都沿Y轴。此时转动副C将引入一个虚约束。计算时去掉构件3和转动副C以及3和机架移动副。F=3n-2pl–ph=3×4-2×6-0=0正确计算：不计引起虚约束的附加构件和运动副数F=3×3-2×4-0=1第四章机构的结构分析F=3n-2pL–pH=3×3-2×4-0=1F=3n-2pL–pH=3×4-2×6-0=0分析：E3和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束正确：n=3PL=4PH=0F=3n-(2PL+PH)=33-24=1第四章机构的结构分析解法：复合铰链：D包含2个转动副(杆4和7)局部自由度：F’=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：n=6pL=7pH=3F=3n-2pL-pH=1例题一一包装机构第四章机构的结构分析例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束,需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链局部自由度1个虚约束复合铰链第四章机构的结构分析例题三：计算图示机构自由度。分析：该机构具有5个活动构件，有7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为123456F=3n-2pL–pH=3×5-2×7-0=1第四章机构的结构分析第五节平面机构的组成原理和结构分析平面机构的高副低代为了便于对含有高副的平面机构进行分析，将机构中的高副根据一定的条件用一种虚拟的低副和构件的适当组合来代替。高副低代的替代条件替代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变。第四章机构的结构分析高副低代的方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。高副两元素均为圆弧nn4第四章机构的结构分析接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心K1、K2，用铰链四杆机构O1K1K2O2来瞬时代替原高副机构。高副元素为非圆曲线第四章机构的结构分析当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，该转动副演化为移动副。第四章机构的结构分析当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副就在该点处。第四章机构的结构分析两接触轮廓分别为直线和点。第四章机构的结构分析高副元素曲线和曲线曲线和直线曲线和点点和直线高副机构瞬时替代机构常见高副低代类型第四章机构的结构分析基本杆组不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为组成机构的基本杆组。机构的组成原理任何机构都可以看做是有若干个基本杆组依次联接于原