2010.9 第1章 平面机构的自由度和速度分析

第1章平面机构的自由度机构Mechanism，具有确定相对运动的组合体，是机器的主要组成部分。（传递运动和力或改变运动形式）机器Machine，具有确定的相对运动的组合体，并能完成有益的机械功或转换机械能。机器可以由一个机构组成，也可以由若干个机构组合而成。机械Machinery，机器和机构的总称。机械机构机器原动机工作机上一章总结：构件机构中独立运动的物体，运动的单元。零件制造的单元，通用零件和专用零件。第1章平面机构的自由度(从运动观点看)由构件组成(从制造观点看)由零件组成机械机器机构构件零件通用零件专用零件原动构件从动构件机架与动力源组合零件构件机构机器静联接动联接(运动副)机器的组成：上一章总结：第1章平面机构的自由度第1章平面机构的自由度和速度分析本章要解决问题构件组合具有确定相对运动的条件是什么？怎样绘制机构运动简图。基本要求理解自由度、运动副、复合铰链、局部自由度、虚约束的概念；能正确计算平面机构的自由度；能绘制简单机械的机构运动简图。重点机构运动简图绘制，机构自由度的计算。所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。第1章平面机构的自由度§1－1运动副及其分类§1－2平面机构的运动简图§1－3平面机构的自由度§1－4速度瞬心及其在机构速度分析中的应用第1章平面机构的自由度和速度分析第1章平面机构的自由度a)两个构件b)直接接触c)有相对运动运动副元素－直接接触的部分（点、线、面），例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。定义：运动副－－两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。三个条件，缺一不可§1-1运动副及其分类第1章平面机构的自由度运动副的分类（接触压强较小）按相对运动范围分：空间运动副－两构件的相对运动是空间运动平面运动副－两构件的相对运动是平面运动1）平面低副根据两构件的接触性质（点、线、面）分：低副：高副：两构件为面接触两构件为点或线接触（接触压强较大）两构件为面接触，允许一个相对运动。可分为转动副和移动副。转动副两构件在接触处只允许相对转动。移动副两构件在接触处只允许相对移动。第1章平面机构的自由度2）平面高副两构件为点或线接触，允许两个相对运动。说明例3）空间运动副球面副螺旋副两者关联第1章平面机构的自由度运动副类型小结•平面低副：转动副、移动副（面接触）第1章平面机构的自由度运动副类型小结•平面低副：转动副、移动副（面接触）•平面高副：齿轮副、凸轮副（点、线接触）第1章平面机构的自由度运动副类型小结•平面低副：转动副、移动副（面接触）•平面高副：齿轮副、凸轮副（点、线接触）•空间低副：螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）两者关联第1章平面机构的自由度运动副类型小结•平面低副：转动副、移动副（面接触）•平面高副：齿轮副、凸轮副（点、线接触）•空间低副：螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）•空间高副：球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)第1章平面机构的自由度运动副类型小结•平面低副：转动副、移动副（面接触）•平面高副：齿轮副、凸轮副（点、线接触）•空间低副：螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）•空间高副：球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)•运动副特性：运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动,只与运动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。第1章平面机构的自由度§1-2平面机构运动简图机构各部分的运动，取决于：原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸)例机构运动简图：撇开与运动无关的构件外形和运动副的具体构造，用简单线条和规定符号来表示构件和运动副，按比例定出各运动副的位置，以说明机构各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图。（表示机构运动特征的一种工程用图）第1章平面机构的自由度§1-2平面机构运动简图机构运动简图：用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较：机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图用途：分析现有机械，构思设计新机械第1章平面机构的自由度若干1个或几个1个原动件1234从动件机架(1)机架（固定构件）：固定不动的构件，或者作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。(2)主动件：按给定运动规律独立运动的构件(3)从动件：其余的活动构件任何一个机构中，必有一个构件被相对地看作固定件。例如气缸体虽然跟随汽车运动，但在研究发动机运动时，仍把气缸体当作固定件。在活动构件中必须有一个或几个原动件，其余的都是从动件。一、机构的组成机构＝机架＋原动件＋从动件第1章平面机构的自由度平面运动副的表示方法：带运动副的构件的表示方法：第1章平面机构的自由度二、构件的表示不管构件形状如何，简单线条表示，带短剖面线表示机架。第1章平面机构的自由度转动副三、运动副用符号代表移动副第1章平面机构的自由度齿轮副凸轮副122122三、运动副用符号代表第1章平面机构的自由度机构运动简图常用符号（摘自GB4460-85）3分钟第1章平面机构的自由度第1章平面机构的自由度第1章平面机构的自由度机构运动简图的绘制思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。第1章平面机构的自由度机构运动简图的绘制1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；3.测量出运动副间的相对位置，适当地选择运动简图的视图平面；4.选择比例，按规定符号绘制。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。绘制路线：原动件中间传动件输出构件观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误区：构件外形注意：要合理选择原动件的位置步骤：第1章平面机构的自由度1234ABC141223A14B12C23432414机构运动简图的绘制第1章平面机构的自由度绘制动画颚式破碎机●A1234BCD第1章平面机构的自由度活塞泵运动简图例２运动简图例１运动简图例3第1章平面机构的自由度自由度相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动称为构件的自由度；或者说：自由度指的是描述构件运动的独立参数。§1-3平面机构自由度的计算自由构件作空间运动→六个自由度作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。说明例一个作平面运动的自由构件有三个自由度。第1章平面机构的自由度(1)平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动)与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后,运动副引入约束,原自由度减少xyＯ21一、平面机构自由度的计算111xyＯ21111xyＯ2第1章平面机构的自由度xyＯ2(2)平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制)一、平面机构自由度的计算运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度。第1章平面机构的自由度1.转动副xyoxyo结论：平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束2.移动副3.齿轮副nnnn4.凸轮副平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束第1章平面机构的自由度(3)平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：n低副数：pL高副数：pH未连接前总自由度：3n连接后引入的总约束数：2pL+pHF=3n-(2pL+pH)•机构自由度F：F=3n-2pL-pH要求：记住上述公式，并能熟练应用。第1章平面机构的自由度①计算曲柄滑块机构的自由度解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1高副数PH=0S3123第1章平面机构的自由度②计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2高副数PH=01234θ1第1章平面机构的自由度③计算图示凸轮机构的自由度解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123第1章平面机构的自由度1234F=3n－2pl－ph=3－2－340=112345F=3n－2pl－ph=3－2－450=2F=3n－2pl－ph=3－2－221=1BCAF=3n－2pl－ph=3－2－340=1F=3n－2pl－ph=3－2－451=1机构自由度举例：第1章平面机构的自由度二、机构具有确定运动的条件F=3n－2pl－ph=33－25－0=-1F=3n－2pl－ph=32－23－0=0F=0，构件之间无相对运动，刚性桁架BCABCADEF=3n－2pl－ph=33－24－0=1F=3n－2pl－ph=34－25－0=2F0，由于约束过多，已成为超静定桁架了，也不能成为机构F原动件数，约束过多，在机构的薄弱处遭到破坏(C)F原动件数，各构件无确定的相对运动(d)第1章平面机构的自由度结论：机构具有确定运动的条件：1、机构自由度02、原动件数＝机构自由度数要求一定要记住总结：F=0不动；F原动件数，运动不确定；F原动件数，破坏当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。第1章平面机构的自由度K=4；n=3；pL=4；pH=0F=3×3－2×4－0=1有一个机架、自由度F0、原动件数目＝机构自由度数目有确定运动Ｆ＝原动件→机构有确定运动例:判断结构是否具有确定运动(F=0不动；多于原动件不确定；少于原动件破坏）第1章平面机构的自由度三、计算平面机构自由度的注意事项(1)复合铰链(2)局部自由度(3)虚约束第1章平面机构的自由度三、计算平面机构自由度的注意事项(1)复合铰链—计算在内•m个构件(m2)在同一处构成转动副•m-1个低副m个构件,m-1个铰链123123第1章平面机构的自由度412356F＝3n－2pl－ph＝3－2－F＝3n－2pl－ph＝3－2－412356复合铰链560＝3错复合铰链例题570＝1对第1章平面机构的自由度例1-6试判定图示圆盘锯机构是否具有确定运动。解：该机构共有7个活动构件，n=7。A、B、C、D是三构件汇交的复合铰链，各为两个回转副，故PL=10，PH=0。于是：Ｆ=3×7-2×10=１Ｆ与主动件个数相等，机构具有确定运动。该机构主动件8匀速转动时，圆盘锯片中心Ｅ将确定地沿直线EE‘移动。复复复复圆盘锯机构第1章平面机构的自由度F＝3n－2pl－ph＝3－2－331＝2F＝3n－2pl－ph＝3－2－221＝1错对—排除(2)局部自由度•定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输出运动的自由度•局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠•解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件动画局部第1章平面机构的自由度•定义：不影响机构运动传递的重复约束•在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束•处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉F＝3n－2PL－PH＝3－2－123F＝3n－2PL－PH＝3－2－231＝-1错221＝1对—排除之一为虚约束(3)虚约束第1章平面机构的自由度虚约束经常发生的场合A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分第1章平面机构的自由度A两构件之间构成多个运动副时认为两个构件只形成一个运动副•两构件组合成多个转动副，且其轴线重合•两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合•两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数123123•目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH＝3－2－221＝