第2章-平面机构运动简图及自由度计算

机械设计基础薛铜龙主编河南理工大学机械与动力工程学院2011年9月电子工业出版社普通高等教育“十二五”机电类规划教材第2章平面机构运动简图及自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院2在设计新机器和研究机器的运动与动力特性时，常采用机械系统运动简图来对比各种设计方案，按照运动要求确定机器组成构件的主要尺寸，按照强度条件和工作情况确定机构各部分的详细结构尺寸。机械系统要完成比较复杂的运动，一般都需要将若干个机构根据机械系统的运动协调配合的要求组合起来，因此机械系统的运动简图也是机构系统的运动简图。机械（机构）系统的运动简图是用规定的符号，绘出能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形。机械系统的运动简图设计是设计机械产品十分重要的内容，正确、合理地设计机械系统简图，对于满足机械产品的功能要求，提高性能和质量，降低制造成本和使用费用等是十分重要的。第2章平面机构运动简图及自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院3第2章平面机构运动简图及自由度计算2－1机构的组成2－2平面机构运动简图2－3平面机构具有确定运动的条件2－4平面机构自由度的计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院4是组成机械的各个相对运动的单元。2.1.1构件构件：2-1机构的组成构件与零件的区别：构件是机械中的运动单元，零件是制造单元，构件可以是一个零件也可以由多个零件组成自由度：构件相对于参考系统所具有的独立运动参数的数目。三维空间构件二维空间构件2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院5构件和构件之间既要相互连接（接触）在一起，又要有相对运动。而两构件之间这种可动的连接（接触）就称为运动副。运动副元素：两构件上直接参加接触构成运动副的部分。2.1.2运动副运动副：2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院6运动副的分类2-1机构的组成1）按其引入的约束数目分：Ⅰ级副、Ⅱ级副、……Ⅴ级副。2）按其接触形式分高副：点、线接触的运动副低副：面接触的运动副3）按其相对运动形式分转动副（回转副或铰链）移动副螺旋副球面副运动副还可分为平面运动副与空间运动副两类。2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院7按两构件接触情况，常分为低副、高副两大类。1.低副两构件以面接触而形成的运动副。(1)转动副：只允许两构件作相对转动，又称作铰链。a)固定铰链平面运动副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院8b)活动铰链转动副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院9(2)移动副：只允许两构件作相对移动。移动副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院102.高副两构件以点或线接触而构成的运动副。凸轮副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院11齿轮副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院12空间运动副若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。螺旋副球面副2-1机构的组成2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院132-1机构的组成运动链构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）1234平面闭式运动链1234空间闭式运动链1234平面开式运动链12345空间开式运动链2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院142-1机构的组成2.1.3机构机构：是指具有确定相对运动的构件组合体。构成机构三要素：构件、运动副、相对运动运动链中，如有将其某一构件加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。平面铰链四杆机构1234机架原动件从动件机架——机构中的固定构件。一般机架相对地面固定不动，但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。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——机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院152-1机构的组成零件构件运动副运动链机构机器机械制造单元运动单元一个或多个刚性联接构件通过运动副联接形成的可动系统其中一个构件固定为机架统称一个或多个按一定的运动要求几个术语及其关系2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院161）低副构件组成转动副时，如下图表示。图垂直于回转轴线时用图a表示；图面不垂直于回转轴线时用图b表示。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线，图c所示。2-2平面机构运动简图2.2.1运动副及构件的表示方法转动副：2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院17移动副：两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院182）平面高副两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院192-2平面机构运动简图3）构件2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院20机架AB机架和活动构件通过转动副联接机架和活动构件通过移动副联接2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院21两个活动构件联接2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院22两副构件(一个构件和两个外副)注：点划线表示与其联接的其他构件2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院23两副构件(一个构件和两个外副)2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院24偏心轮AB12BA212-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院25三副构件(一个构件和三个外副)2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院26三副构件(一个构件和三个外副)2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院272-2平面机构运动简图常用机构运动简图符号2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院282.2.2平面机构运动简图的绘制任何一个机构都是有若干构件组成，这些构件可以分为三类：原动件、机架（即固定件）、从动件。将机构中作用有驱动力或力矩的构件称为原动件，有时也可以把运动规律已知的构架称为原动件；机构中固结于参考系的构件称为机架，机构中除了原动件和机架以外的构件通称为从动件。2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院29绘制机械系统运动简图的步骤1）分析运动情况，确定构件的类型及其数目；2）丛原动件开始，按运动传递顺序确定各运动副的类型和数目；3）选择视图平面；4）选取适当的比例尺，确定个运动副的相对位置；5）用规定的符号画出机构运动简图，通常用阿拉伯数字表示构件，用大写英文字母表示运动副，用箭头表示原动件。2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院30例试绘制内燃机的机构运动简图2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院31气缸体1机架活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7(两件)顶杆8(两件)齿轮9解：1）分析运动，确定构件的类型和数量2）确定运动副的类型和数目3）选择视图平面4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置5）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院322-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院332-2平面机构运动简图练习：三种形式液压泵的机构运动简图。2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院34选择机架提取构件的运动尺寸确定比例尺选择机构运动中的一个状态确定各运动副位置，绘图编号：A、B、C…表示运动副1、2、3…表示构件O1、O2…表示固定转轴原动件的运动方向2-2平面机构运动简图练习：小型压力机机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院35压床曲柄滑块机构简图火车上驱动机构简图2-2平面机构运动简图2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院362-3平面机构具有确定运动的条件实例分析11给定构件1运动参数=(t)构件2、3的运动是确定的机构具有确定运动是指该机构在原动件给定以后，所有从动件的运动是完全确定的。四杆机构2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院37给定构件1运动参数，构件2、3、4的运动是不确定的11t再给定构件4运动参数，构件2、3的运动是确定的t442-3平面机构具有确定运动的条件五杆机构2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院38机构的自由度：机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目。平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数等于机构的自由度数目。原动件数＜自由度数，机构无确定运动原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏2-3平面机构具有确定运动的条件2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院392.4.1平面机构自由度计算一个平面构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个自由度。当用运动副连接后，构件间的相对运动受到约束，失去一些自由度。运动副不同，失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同。一个平面低副引入2个约束，高副引入1个约束。2-4平面机构的自由度计算自由度是指构件相对于参考坐标系所具有独立运动参数的数目。2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院40计算公式n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；F=3n-2Pl-Ph计算实例n=3,Pl=4,Ph=0F=3n-2Pl-Ph=3×3-2Pl-Ph=3×3-2×4-0设则=12-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院41计算实例n=5,Pl=7,Ph=0F=3n–2Pl–Ph=3×5–2×7–0=1解：2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院422.4.2自由度计算时应注意的几种情况1.复合铰链2.局部自由度3.虚约束两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。说明个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度。说明重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。说明4.虚约束常见情况及处理方法说明5.虚约束对机构的影响说明2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院43三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院44惯性筛机构C处为复合铰链◆计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。n=5,Pl=7,Ph=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl–Ph2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院45滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。计入局部自由度时n=3,Pl=3,Ph=1F=3×3-2×-1=2与实际不符2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院46应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。处理方法◆实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并非实际拆除。教材图1-13b动画n=2,Pl=2,Ph=1,F=3×2-2×2–1=1与实际相符2-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院47n=4,Pl=6,Ph=0构件5给机构引入三个自由度，四个约束。多出的一个约束对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。与实际不符F=3×4-2×6–0=02-4平面机构的自由度计算2011年06月河南理工大学机械与动力工程学院4