项目3平面机构的结构分析1

机械设计与应用机械工程学院项目3平面机构的结构分析目录运动副及其分类1平面机构运动简图2平面机构的自由度和机构具有确定运动的条件3•颚式破碎机平面机构的结构分析•颚式破碎机平面机构的结构分析图3-1颚式破碎机1—机架2—偏心轴3—动颚4—肘板5—带轮机构中各构件怎样联接在一起？机构具备什么条件才能具有确定的相对运动？本项目主要讨论运动简图的绘制方法；机构自由度的计算；对已有构件进行工作分析、判断机构是否具有确定相对运动，为机构的创新设计提供条件。平面机构中构件是靠运动副联接的，所以讨论平面机构首先要研究运动副。平面机构的结构分析3.1运动副及其分类一、构件的自由度图3-2平面运动刚体的自由度一个做平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。如图3-2所示,在xOy坐标系中,构件可随其上任一点沿x轴、y轴方向移动，也可在xOy平面(绕垂直于xOy平面的轴线z)转动,这三个独立的运动称为该构件的自由度。因此，一个作平面运动的自由构件有三个自由度。平面机构的结构分析运动副机构是由多个构件组成，机构的每个构件都是以一定的方式与其他构件相互联接。这种使构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为运动副。如：轴与轴承的联接、活塞与气缸的联接、车轮与钢轨以及一对传动齿轮两个轮齿间的啮合等都构成运动副。当两个构件直接接触组成运动副之后,它们的相对运动就受到限制,自由度随之减少。运动副是通过点、线或面的接触来实现的。按两构件间的接触特性，平面运动副通常分为低副和高副两类。平面机构的结构分析二、低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面机构中的低副有转动副和移动副两种。(1)转动副组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动，这种运动副称为转动副，如图3-3a所示。(2)移动副组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副，如图3-3b所示。图3-3平面低副a)转动副b)移动副图3-3平面低副a)转动副b)移动副平面机构的结构分析三、高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图3⁃4a中的轮齿1与轮齿2在接触处A组成高副，图3⁃4b中的凸轮3与从动件4、图3⁃4c中车轮6与钢轨5等，分别组成高副。组成平面高副两构件间的相对运动是沿接触处切线tt方向的相对移动和在平面内的相对转动。图3-4平面高副a)齿轮副b)凸轮副c)高副1、2—轮齿3—凸轮4—从动件5—钢轨6—车轮平面机构的结构分析四、空间运动副机械中常用的运动副还有球面副，如图3-5a所示；螺旋副，如图3-5b所示,这些运动副的两构件间的相对运动是空间运动，属于空间运动副。图3-5空间运动副平面机构的结构分析3.2平面机构运动简图一、运动副和构件的表示为了便于研究机构运动，可不考虑构件和运动副的实际结构，只考虑与运动有关的构件数目、运动副类型及相对位置。用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种能够表达机构的组成和各构件间相对真实运动关系的简单图形，称为机构运动简图。平面机构的结构分析一、运动副和构件的表示实际中，有时不要求严格按比例尺绘制简图，只定性地表示机构的组成和运动原理的简图，称为机构示意图。机构运动简图中运动副及构件的表示方法如图3-6、图3-7、图3-8所示。图3-6转动副的表示方法平面机构的结构分析一、运动副和构件的表示图3-7移动副的表示方法平面机构的结构分析一、运动副和构件的表示3-8平面高副的表示方法平面机构的结构分析二、平面机构运动简图的绘制1.机构中构件的分类(1)固定件(机架)机架是指机构中固定不动的、用来支承活动构件(运动构件)的构件。(2)原动件(主动件)原动件是指机构中作用有驱动力或已知运动规律的构件，它的运动是由外界输入的，一般与机架相连。(3)从动件从动件是指机构中除原动件以外的所有活动构件。平面机构的结构分析二、平面机构运动简图的绘制2.运动简图的绘制步骤1)分析研究机构的组成及运动原理，确定机架、原动件和从动件。2)由原动件开始，按照各构件之间运动传递路线，依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。3)选择适当的视图平面，以便清楚地表达各构件间的运动关系。4)选择适当的比例尺μ1=构件实际尺寸/构件图样尺寸(单位：m/mm或mm/mm)，按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的线条和符号绘出运动简图。平面机构的结构分析二、平面机构运动简图的绘制1)确定构件的数目。2)确定运动副的种类和数目。3)选择与构件运动平行的平面作为视图平面。4)选择适当的比例尺，绘制机构运动简图。3-1绘制图3-9a所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。平面机构的结构分析二、平面机构运动简图的绘制1)确定构件的数目。2)确定运动副的种类和数目。3)选择与构件运动平行的平面作为视图平面。4)选择适当的比例尺，绘制机构运动简图。3-2绘制图3-10所示牛头刨床主体运动机构的运动简图。平面机构的结构分析3.3平面机构的自由度和机构具有确定运动的条件一、平面机构的自由度计算1.平面机构的自由度计算(1)约束当两构件组成运动副后，它们之间的某些相对运动受到限制，这种对相对运动所施加的限制称为约束。(每加上一个约束，自由构件便失去一个自由度)①平面低副引入两个约束，保留一个自由度；②平面高副引入一个约束，保留两个自由度。平面机构的结构分析3.3平面机构的自由度和机构具有确定运动的条件一、平面机构的自由度计算(2)机构自由度的计算机构所具有的独立运动数目，称为机构的自由度。设有一个平面机构由N个构件组成，1个构件为机架，活动构件数为：n=N-1在未组成运动副前，活动构件的自由度总数为：3n当引入约束后，自由度减少。若共有PL个低副、PH个高副平面机构的自由度F的计算公式为：F=3n-2PL-PH平面机构的结构分析2.计算平面机构自由度时的特殊情况(1)复合铰链两个以上的构件在同一处以同轴线构成的转动副称为复合铰链。•如图3-12所示是三个构件汇交成的复合铰链,图中构件1分别与构件2、构件3构成两个转动副。依此类推，m个构件在一处以转动副相连,应具有m-1个转动副。因此在统计转动副数目时应注意识别复合铰链,避免遗漏。图3-12复合铰链平面机构的结构分析计算如图3-13所示圆盘锯主体机构的自由度。图3-13圆盘锯机构机构中，A、B、C、D四点均为由三个构件组成的复合铰链，每处有两个转动副。因此，该机构n=7,PL=10,PH=0，其自由度F=3×7-2×10-0=1。平面机构的结构分析(2)局部自由度机构中某些构件产生的与其他运动无关的独立运动，称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应除去不计。图3-14局部自由度1—凸轮2—从动件3—滚子•机构中n=2,PL=2,PH=1，其自由度F=3×2-2×2-1=1平面机构的结构分析(3)虚约束机构中与其他约束重复而对机构运动不起限制作用的约束，称为虚约束。1)两构件间形成多个具有相同作用的运动副，分别有下列三种情况：①两构件形成多个轴线重合的转动副，如图3-15a所示，轮轴1与机架2在A、B两处组成了两个转动副，从运动关系看，只有一个转动副起约束作用，其余各处的引入约束均为虚约束，计算机构自由度时应按一个转动副计算。②两构件组成多个移动方向一致的移动副，如图3-15b所示，构件1与机架组成了A、B、C三个导路平行的移动副，计算机构自由度时应按一个移动副计算。平面机构的结构分析③两构件组成多处接触点公法线重合的高副，如图3-15c所示，同样应只考虑一处高副，其余为虚约束。图3-15两构件组成多个运动副a)轴线重合引入的虚约束b)移动方向一致引入的虚约束c)接触点公法线重合引入的虚约束平面机构的结构分析•2)两构件构上联接点的运动轨迹互相重合。图a自由度F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1图b，若用一附加构件5在E和F两点铰接，EF平行AB及CD，则构件5上的E点的轨迹与杆3上的E点的轨迹重合。构件5对机构的运动并不产生影响，为虚约束。计算其自由度可按图a计算。图c不满足上述几何条件，EF杆的约束为有效约束，此时计算其自由度F=0，机构不能运动。平面机构的结构分析•3)机构中存在不起作用的对称部分。EBDAC2H12′2″如图所示，为使受力均匀，安装三个相同的行星轮对称布置，从运动关系看，只需一个行星轮2就能满足要求，如图a所示。其余行星引入的约束均为虚约束，应除去不计。该机构的自由度为：F=3n-2PL-PH=3×3-2×3-2=1平面机构的结构分析机构中滚子有一个局部自由度；顶杆DF与机架组成两个导路平行的移动副，故其中一个为虚约束；C处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束，按图b所示机构计算自由度。F=3n-2PL-PH=3×7-2×9-1=2此机构中的自由度等于2，有两个原动件。3-4计算图3-18a所示筛料机构的自由度。平面机构的结构分析机构中刨头6与机架7组成两个导路平行的移动副，故其中一个为虚约束；去除虚约束，机构自由度为：F=3n-2PL-PH=3×6-2×8-1=1此机构中的自由度等于1，有1个原动件。3-5计算图3-11所示牛头刨床主机构的自由度。平面机构的结构分析二、平面机构具有确定运动的条件在机构分析中，都要求机构有确定运动，显然，不能产生相对运动或作无规则运动的一些构件难以用来传递运动。为了使组合起来的构件能产生相对运动并具有运动确定性，有必要探讨机构具有确定运动的条件。平面机构的结构分析图3-19原动件数大于自由度数图3-19所示，图中原动件数等于2，机构自由度F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1，原动件数大于机构的自由度。若机构同时要满足原动件1和原动件3的给定运动，则势必将杆2拉断。平面机构的结构分析图3-20原动件数小于自由度数的构件组合图3-20所示，图中原动件数等于1，机构自由度F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2，原动件数小于机构的自由度。当只给定原动件1的位置ψ1时，从动件2、3、4的位置可以处于实现位置，也可以处于图中双点画线位置或其他位置，说明从动件的运动是不确定的。因此，只有给出两个原动件，使构件1、4处于给定位置，才能使从动件获得确定运动。平面机构的结构分析图3-21自由度数等于零的构件组合图3-21所示，机构自由度F=3n-2PL-PH=3×4-2×6-0=0，即机构自由度为零的构件组合，各构件之间不能产生相对运动。由此得到机构具有确定运动的条件为：自由度F＞0，且机构的自由度数F等于机构的原动件数目。平面机构的结构分析•实践中常见问题解析1)要使机构能够运动，应使机构自由度F＞0；若F≤0，说明机构不能运动。2)计算机构自由度时，应先判断是否有复合铰链、局部自由度和虚约束三种特殊情况，如果有，则应处理后再计算机构自由度。3)应用机构具有确定相对运动的条件，可以判断任意一个机构设计得是否合理，是否能够运动，并且是否具有确定的相对运动。平面机构的结构分析小结•1)运动副分类：低副和高副。•2)运动简图的绘制步骤：•①确定机架、原动件和从动件；•②确定运动副的类型和数目；•③选择适当的比例尺，按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的线条和符号绘出运动简图•3)平面机构的自由度计算：F=3n-2PL-PH。•4)机构具有确定运动的条件：自由度F＞0，且机构的自由度数F等于机构的原动件数目。Theend,thankyou!