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1、平面机构结构分析平面机构结构分析00002第一节第一节 机构的组成机构的组成一、构件一、构件(Link)组成机构的每一个具有独立运动的单元体称为构件。组成机构的每一个具有独立运动的单元体称为构件。连杆体连杆体1连杆盖连杆盖2轴瓦轴瓦3、4和和5螺栓螺栓6螺母螺母7开口销开口销8第1页/共52页二、运动副二、运动副（kinematic pair）两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副。运动副。1、定义、定义2、运动副的分类、运动副的分类1）平面运动副和空间运动副）平面运动副和空间运动副构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运
2、动的称为构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的称为平面平面运动副运动副。相对运动为空间运动的称为。相对运动为空间运动的称为空间运动副空间运动副，如螺纹副。，如螺纹副。第2页/共52页2）高副和低副）高副和低副高副高副：两构件通过点或线的接触而构成的运动副。两构件通过点或线的接触而构成的运动副。低副低副：两构件通过面接触而构成的运动副。：两构件通过面接触而构成的运动副。转动副转动副：两构件之间的相对运动为转动的低副，也称为铰链。：两构件之间的相对运动为转动的低副，也称为铰链。移动副移动副：两构件之间的相对运动为移动的低副。：两构件之间的相对运动为移动的低副。螺螺旋旋副副球球销销副副3）按组
3、成运动副两构件的相对运动形式分类）按组成运动副两构件的相对运动形式分类还有螺旋副、球销副等。还有螺旋副、球销副等。第3页/共52页三、运动链三、运动链(Kinematic chain)若干构件通过运动副连接而成的可动系统。若干构件通过运动副连接而成的可动系统。机构中构件的分类机构中构件的分类：1、机架、机架(frame):描述运动的参考系描述运动的参考系，机构中相对不动的构件机构中相对不动的构件 2、原动件、原动件(driving link):运动规律已知的构件运动规律已知的构件 输入构件输入构件 3、从动件、从动件(driven link)输出构件输出构件开式链开式链(open chain)
4、闭式链闭式链(close chain)四、机构四、机构(Mechanism)若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。第4页/共52页一、机构运动简图及其意义一、机构运动简图及其意义一、机构运动简图及其意义一、机构运动简图及其意义 机构运动简图：机构运动简图：机构运动简图：机构运动简图：用简单线条和规定的符号表示构件和运用简单线条和规定的符号表示构件和运用简单线条和规定的符号表示构件和运用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与动副，并按照一定的比例
5、尺确定运动副的相对位置及与动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。意义：意义：意义：意义：机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机械系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价。械系统的组成情
6、况，而且运动特性与其实际完全等价。械系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价。械系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价。人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关。置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关
7、。置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关。置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关。第二节第二节 机构运动简图机构运动简图第5页/共52页二、运动副和构件的表示二、运动副和构件的表示1、移动副的表示、移动副的表示2、转动副的表示、转动副的表示第6页/共52页3、高副的表示、高副的表示齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副第7页/共52页4、构件的表示、构件的表示第8页/共52页三、绘制平面机构运动简图的方法和步骤三、绘制平面机构运动简图的方法和步骤1、分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。、分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。2、从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件之间的、从原动件开始，
8、按照运动的传递顺序，分析各构件之间的相对运动的性质；确定活动构件的数目、运动副的类型和数相对运动的性质；确定活动构件的数目、运动副的类型和数目。目。3、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。4、选择比例尺、选择比例尺 l构件实际尺寸构件实际尺寸/构件图样尺寸（单位：构件图样尺寸（单位：m/mm或或mm/mm），定出各运动副之间的相对位置，用规定），定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构运动简图。符号绘制机构运动简图。第9页/共52页例例例例1 1：试绘制内燃机的机构运动试绘制内燃机的机构运动试绘制内燃机的机构运动试绘制内燃机的机构运动
9、简图简图简图简图1 1、内燃机由机架（汽缸体）、内燃机由机架（汽缸体）、内燃机由机架（汽缸体）、内燃机由机架（汽缸体）、活塞（原动件）、连杆、曲柄、活塞（原动件）、连杆、曲柄、活塞（原动件）、连杆、曲柄、活塞（原动件）、连杆、曲柄、齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排气阀）组成。气阀）组成。气阀）组成。气阀）组成。2 2、活塞与机架间构成移动副；、活塞与机架间构成移动副；、活塞与机架间构成移动副；、活塞与机架间构成移动副；活塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄活塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄活塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄活塞与连杆、连
10、杆与曲柄、曲柄与机架、齿轮（凸轮）与机架间与机架、齿轮（凸轮）与机架间与机架、齿轮（凸轮）与机架间与机架、齿轮（凸轮）与机架间构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮与推杆间构成高副。与推杆间构成高副。与推杆间构成高副。与推杆间构成高副。3 3、选择适当的视图平面和适当、选择适当的视图平面和适当、选择适当的视图平面和适当、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置。的机构运动瞬时位置。的机构运动瞬时位置。的机构运动瞬时位置。4 4、选择合适的比例尺，绘制机、选择合适的比例尺，绘制机、选择合适的比例尺，绘制机、选择合适的比例
11、尺，绘制机构运动简图。构运动简图。构运动简图。构运动简图。四、举例四、举例第10页/共52页例例例例2 2：如图所示为一：如图所示为一：如图所示为一：如图所示为一偏心轮机构偏心轮机构偏心轮机构偏心轮机构模型图，试绘制其模型图，试绘制其模型图，试绘制其模型图，试绘制其运动简图。运动简图。运动简图。运动简图。第11页/共52页例例例例3 3：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图。第12页/共52页第三节第三节 平面机构的自由平面机构的自由度计算度计算一、平面机构自由度定义一、平面机构自由
12、度定义机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。二、约束二、约束对独立运动的限制。对独立运动的限制。一个低副引入一个低副引入2个约束。个约束。第13页/共52页F 3n 2PL PH三、平面机构自由度三、平面机构自由度F计算计算一个高副引入一个高副引入1 1个约束。个约束。n活动构件数活动构件数PL低副数低副数PH高副数高副数第14页/共52页例例4：求下图所示机构的自由度。：求下图所示机构的自由度。1）构件总数）构件总数N 42）活动构件数）活动构件数n 33）低副数）低副数PL 4（3个转动副，个转动副，1个移动副）个移动副）4）高副数
13、）高副数PH05）F 3n-2PL-PH3324=11234第15页/共52页例例5：求下图所示航空照相快门机构的自由度。：求下图所示航空照相快门机构的自由度。1）构件总数）构件总数N 62）活动构件数）活动构件数n 53）低副数）低副数PL 7（6个转动副，个转动副，1个移动副）个移动副）4）高副数）高副数PH 05）F 3n-2PL-PH35-271123456第16页/共52页例例6：求下图所示内燃机组成机构的自由度。：求下图所示内燃机组成机构的自由度。1）活动构件数）活动构件数n 73）低副数）低副数PL 8（5个转动副，个转动副，3个移动副）个移动副）4）高副数）高副数PH 45）F
14、 3n-2PL-PH37-28-411234567第17页/共52页四、机构具有确定运动的条件四、机构具有确定运动的条件所谓机构具有确定的运动，是指该机构中所有的构件在任所谓机构具有确定的运动，是指该机构中所有的构件在任一瞬时的运动都是完全确定的。一瞬时的运动都是完全确定的。这就意味着该机构的自由度大于零，即满足这就意味着该机构的自由度大于零，即满足F0，否则该，否则该构件系统就不是机构。构件系统就不是机构。若F0，则各构件间不可能产生相对运动。各构件间不可能产生相对运动。12345那那F0运动就确定吗运动就确定吗？第18页/共52页AECDBDC1 1）原动件数）原动件数 机构自由度数，将杆
15、机构自由度数，将杆2拉断。拉断。机构具有确定运动的条件是：机构具有确定运动的条件是：（1）机构自由度）机构自由度 F0，（2）机构自由度）机构自由度 F等于原动件数。等于原动件数。第20页/共52页五、自由度计算时的注意事项五、自由度计算时的注意事项 1、复合铰链、复合铰链例例7 7：计算原盘锯主体机构的自由度：计算原盘锯主体机构的自由度.7低副低副PL12345676活动构件活动构件nF=3n2PLPH =37-26=9两个以上的构件同时在一处用转动副构成的联结两个以上的构件同时在一处用转动副构成的联结由由K个构件组成的复合铰链应含有个构件组成的复合铰链应含有(K-1)个转动副。个转动副。第
16、21页/共52页7低副低副PL123456710活动构件活动构件nF=3n2PLPH =37-210 =1第22页/共52页2、局部自由度局部自由度例题例题8：计算滚子从动件凸轮机构的自由度。：计算滚子从动件凸轮机构的自由度。ABC321n 2PL 2PH 1ABC132n 3PL3PH1F=3n2PLPH=33-23-1=2F=3n2PLPH =32-22-1 =1就是与机构运动无关的构件的独立运动。就是与机构运动无关的构件的独立运动。第23页/共52页3、虚约束、虚约束在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束
17、。不起独立限制作用的约束。AMBNDCF F 3n-2P3n-2PL L-P-PHH 334 4226 6=0 0例题例题9：计算下列机构的自由度：计算下列机构的自由度,且满足且满足AB/CD,AD/BC/MN。AMB2314NO3O1AMBNDC12345F F 3n-2P3n-2PL L-P-PHH 333 3224 4=1 1第24页/共52页虚约束的处理办法：虚约束的处理办法：将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。关的运动副一并不计。（1 1）机构中某两构件用转动副相联的联结点，在组成运动机构中某两构件用
18、转动副相联的联结点，在组成运动副前后，其各自的轨迹重合为一，则此联结带入的约束为虚副前后，其各自的轨迹重合为一，则此联结带入的约束为虚约束。约束。常见的几种虚约束：常见的几种虚约束：第25页/共52页F F 3n3n 2P2PL L P PHH 332 2222 21 1 1 1x1x2ABC1234x1x2F F 3n3n 2P2PL L P PHH 333 3224 4=1 1（2 2）两构件在多处构成多个移动副，且各移动副的导路重合两构件在多处构成多个移动副，且各移动副的导路重合或平行或平行。123第26页/共52页（3 3）两构件在多处构成多个转动副，且各转动副的轴线重合。两构件在多处
19、构成多个转动副，且各转动副的轴线重合。F F 3n-2P3n-2PL L-P-PH H=3=32 2-2-22 2-1 1 1 1（4 4）机构中具有对运动不起作用的对称部分。机构中具有对运动不起作用的对称部分。F=F=3n-2P 3n-2PL L-P-PHH=3=33 3-2-23 3-2=12=1第27页/共52页F F 3n-2P3n-2PL L-P-PHH 332 2222 21 1 1 1（5）两构件构成高副，多处接触，且公法线重合。两构件构成高副，多处接触，且公法线重合。第28页/共52页注意：注意：虚约束是为了改善机构的刚性或受力情况，虚约束是为了改善机构的刚性或受力情况，对机构
20、运动不起作用。对机构运动不起作用。虚约束是在一定的几何条件下形成的。若虚约束是在一定的几何条件下形成的。若不能满足此条件，就会形成不能满足此条件，就会形成“实际约束实际约束”。第29页/共52页F F=3n-2P=3n-2PL L-P-PHH=3=36 6-2-27 7-2 2 =2 2ADCBFEGHI123456例例10：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部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自由度和虚约束,需明确指出。需明确指出。局部自由度局部自由度虚约束虚约束虚约束虚约束复合铰链复合铰链I虚约束虚约束第30页/共52页例例1111：计算图示机构的自由度，如有复合铰
21、链、局部自由度：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和虚约束,需明确指出。需明确指出。复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链I第31页/共52页第四节第四节 平面机构的组成原理平面机构的组成原理和结构分析和结构分析一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理F=1F=0基基本本杆杆组组：最最最最简简简简单单单单的的F0 的的构构件件组组，也也称称为为基基本本杆杆组组，也也称称阿苏尔杆组。阿苏尔杆组。杆组杆组第32页/共52页组成平面机构的基本杆组自由度：组成平面机构的基本杆组自由度：F F 3n-2P3n-2PL L-P-PHH=0=0若基
22、本杆组中的运动副全为低副，则：若基本杆组中的运动副全为低副，则：F F 3n-2P3n-2PL L=0=0n和和PL的组合有：的组合有：二杆三副二杆三副级杆组级杆组四杆六副四杆六副级杆组级杆组或或级杆组级杆组第33页/共52页外接副外接副内接副内接副按所含最高杆组级别机构命名方式：如按所含最高杆组级别机构命名方式：如级机构，级机构，级机构等。级机构等。第34页/共52页杆组的特性（决定机构的特性）杆组的特性（决定机构的特性）杆组的特性（决定机构的特性）杆组的特性（决定机构的特性）1 1 1 1、运动确定性、运动确定性、运动确定性、运动确定性当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，当杆
23、组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，组内各构件和内接副的运动也就随之确定。组内各构件和内接副的运动也就随之确定。组内各构件和内接副的运动也就随之确定。组内各构件和内接副的运动也就随之确定。2 2 2 2、静力确定性、静力确定性、静力确定性、静力确定性因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力。杆组结构不同，杆组中构件和运动副的配置形式就不同，杆组结构不同，
24、杆组中构件和运动副的配置形式就不同，杆组结构不同，杆组中构件和运动副的配置形式就不同，杆组结构不同，杆组中构件和运动副的配置形式就不同，就具有不同的运动学和动力学特性。就具有不同的运动学和动力学特性。就具有不同的运动学和动力学特性。就具有不同的运动学和动力学特性。按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理。动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理。动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成
25、原理。动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理。第35页/共52页优点：用杆组搭接，不会引入多余的约束和自由度，且优点：用杆组搭接，不会引入多余的约束和自由度，且机构的自由度不变。机构的自由度不变。1、结构分析的目的、结构分析的目的A）通过将已知机构分解为基本机构和）通过将已知机构分解为基本机构和若干基本杆组，进若干基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的类型。而了解机构的组成，并确定机构的类型。B）利用机构组成原理搭接新机构。）利用机构组成原理搭接新机构。1）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构；）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构；2）选择基本杆组搭接新机构
26、。）选择基本杆组搭接新机构。二、平面机构结构分析二、平面机构结构分析第36页/共52页1）除去机构的局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，确）除去机构的局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，确定原动件。定原动件。2）从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆）从远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆II级组，当不级组，当不可能时再试拆可能时再试拆III级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下拆出，只剩下I级机构。级机构。3）确定机构的级别。）确定机构的级
27、别。注意：拆杆组前后自由度不发生变化，剩余部分还应是机构，复合铰注意：拆杆组前后自由度不发生变化，剩余部分还应是机构，复合铰链应按复合的实际次数进行多次拆卸，原动件不同会直接影响机构拆链应按复合的实际次数进行多次拆卸，原动件不同会直接影响机构拆解次序和结果。解次序和结果。2、结构分析的步骤、结构分析的步骤第37页/共52页例例12：将将图图示示八八杆杆机机构构拆拆分分成成基基本本机机构构和和基基本本杆杆组组，并并确确定定机机构的级别构的级别。（构件。（构件1为原动件）为原动件）7132456835F=3 2-2 3=0F=3 4-2 6=0该机构为该机构为级机构级机构F=3 1-2 1=1第3
28、8页/共52页713246835例例13：将将图图示示八八杆杆机机构构拆拆分分成成基基本本机机构构和和基基本本杆杆组组，并并确确定定机机构的级别构的级别。（构件。（构件6为原动件）为原动件）该机构为该机构为级机构级机构第39页/共52页例例14：将将图图示示八八杆杆机机构构拆拆分分成成基基本本机机构构和和基基本本杆杆组组，并并确确定定机机构的级别。（构件构的级别。（构件7为原动件）为原动件）713246835该机构为该机构为级机构级机构第40页/共52页2、杆组的各个外接副不可以同时加在同一个构件上，否杆组的各个外接副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。则将成为刚体。注意：注意：1、杆
29、组的外接副参与搭接，且必须搭在运动已确定处。、杆组的外接副参与搭接，且必须搭在运动已确定处。外接副外接副内接副内接副第41页/共52页三、高副低代三、高副低代（一）定义（一）定义（二）目的（二）目的使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的平面机构。副的平面机构。（三）条件（三）条件1.1.替代前后机构自由度不变。替代前后机构自由度不变。2.2.替代前后瞬时速度、加速度不变。替代前后瞬时速度、加速度不变。用低副代替高副。用低副代替高副。用用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置
30、分别在高副两轮廓接触点的曲率中心。副位置分别在高副两轮廓接触点的曲率中心。（四）方法（四）方法第42页/共52页4注意注意：对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬：对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。经高副低代后的平面机构，可视为平面时替代机构。经高副低代后的平面机构，可视为平面低副机构。低副机构。第43页/共52页 接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心 KK1 1、KK2 2，用铰链四杆机构用铰链四杆机构用铰链四杆机构用铰链四杆机构OO1 1KK1 1
31、KK2 2OO2 2来来来来瞬时瞬时瞬时瞬时代替原高副机构。代替原高副机构。代替原高副机构。代替原高副机构。K1K2C第44页/共52页 当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，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。该转动副演化为移动副。该转动副演化为移动副。该转动副演化为移动副。K1 Cnn第45页/共52页 当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副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。就在该点处。就在该点处。就在该点处。第46页/共52页例例14：试对图示机构进行结构分析。：试对图示机构进行结构分析。消除虚消除虚约束约束消除局消除局部自由部自由度度第47页/共52页高副低代高副低代第48页/共52页拆拆级级杆组杆组 56CB第49页/共52页 56CBA拆拆级级杆组杆组3BG4第50页/共52页 56CBA3BG4拆拆级级杆组杆组原动件原动件与机架与机架此机构为此机构为级机构级机构第51页/共52页