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1、机机 械械 原原 理理第二章第二章 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析 2-1 机构的组成要素机构的组成要素 2-2 平面机构运动简图平面机构运动简图2-3 平面机构的自由度平面机构的自由度 2-4 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代 2-5 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析 是两构件直接接触而构成的可动联接；2-1 机构的组成要素机构的组成要素一、构件构件 是机器中的一个独立运动单元体.机构的构件分为：机构的构件分为：二、运动副运动副 任何机构中，必有一个机架，有一个或几个原动件，若干个从动件。（1）运动副的定义和分类各种常用运动副模型构件和运动副
2、是组成机构的两个基本要素。按给定已知运动规律独立运动的构件；机 架原动件从动件机构中的固定构件。机构中其余活动构件。其上常标有表示运动形式的箭头。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。2）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。1）按其接触形式分高副：点或线接触的运动副低副：面接触的运动副运动副的分类运动副的分类运动副的分类运动副的分类3）按其引入的约束数目分：级副、级副、级副。例如：轴与轴承 滑块与导轨 凸轮与尖顶的接触 两轮齿接触（2 2）运动副的约束）运动副的约束）运动副的约束）运动副的约束 构件具有的独立运
3、动数目称为构件的自由度构件具有的独立运动数目称为构件的自由度。一个作平面运动的自由构件具有一个作平面运动的自由构件具有3 3个个自由度自由度。当两个构件用运动副联接后，其相对运动受到限制，引入了约束。约束数=自由度减少的数目 1 1个自由度个自由度 1个自由度个自由度 2个自由度个自由度 一个平面低副具有一个平面低副具有一个平面低副具有一个平面低副具有1 1 1 1个自由度，即引入个自由度，即引入个自由度，即引入个自由度，即引入2 2 2 2个约束；一个平面高副具个约束；一个平面高副具个约束；一个平面高副具个约束；一个平面高副具有有有有2 2 2 2个自由度，即引入个自由度，即引入个自由度，即
4、引入个自由度，即引入1 1 1 1个约束。个约束。个约束。个约束。三、运动链与机构构件通过运动副连接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）：常用开式运动链（简称开链）：用于多自由度的机械系统中。平面闭式运动链空间闭式运动链平面开式运动链空间开式运动链1、运动链2、机构具有固定构件的运动链称为机构。平面铰链四杆机构 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。空间铰链四杆机构机架原动件从动件机架从动件原动件 不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的简图。用简单的线条代表构件，用规定的符号表示运动副，并按一用简单的线条代表构件，用规定的符号表示运动副，并按一定比例绘制的表示
5、机构中各构件间相对运动关系的简单图形称为定比例绘制的表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形称为机构运动简图机构运动简图。2-2 2-2 平面机构运动简图平面机构运动简图 在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。1.机构运动简图 机构示意图（一）运动副符号（一）运动副符号（一）运动副符号（一）运动副符号运动副常用规定的简单符号来表达（GB446084）。常用运动副的符号表2.机构运动简图的绘制（二）构件的表示方法(表2-2）一对相互啮合的齿轮：用点划线或细实线画出两个齿轮的节圆凸轮、滚子要画出全部轮廓（三）常用机构运动简图的图形符号（表2-3）举例：（2）选定视图平面；（
6、3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。（四）机构运动简图的绘制方法及步骤 （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制2-3 2-3 平面机构的自由度平面机构的自由度 机构的自由度机构的自由度是机构具有确定运动时所必须给定的独立运动是机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目参数的数目,用用F F表示。表示。一个作平面运动的自由构件具有一个作平面运动的自由构件具有 3 3个个自由度自由度一个平面机构由一个平面机构由N N
7、个构件组成个构件组成 ,活动构件数活动构件数n=N-1则平面机构的自由度计算公式为：则平面机构的自由度计算公式为：F3n2PL PH （2-1）式中，式中，n为机构的活动构件数目；为机构的活动构件数目；PL 为机构的低副数目；为机构的低副数目；PH为机构的高副数目。为机构的高副数目。一、一、一、一、平面机构的自由度计算公式平面机构的自由度计算公式平面机构的自由度计算公式平面机构的自由度计算公式(1)(1)(1)(1)自由度计算举例自由度计算举例自由度计算举例自由度计算举例2 2 2 2）铰链四杆机构）铰链四杆机构）铰链四杆机构）铰链四杆机构3333 2424 01 13 3 3 3）铰链五杆机
8、构）铰链五杆机构）铰链五杆机构）铰链五杆机构3434 25 25 0 0 2 2二、二、二、二、自由度的意自由度的意自由度的意自由度的意义义义义及机构具有确定运动的条件及机构具有确定运动的条件及机构具有确定运动的条件及机构具有确定运动的条件F F 3 3n n2 2P PL L P PHH1 1 1 1）三角架）三角架）三角架）三角架 3232 2323 0 00 0F F3 3n n2 2P PL L P PHHF F 3 3n n2 2P PL L P PHH给定1个原动件的铰链四杆机构给定2个原动件的铰链四杆机构给定2个原动件的铰链五杆机构给定1个原动件的铰链五杆机构如果原动件数如果原动
9、件数如果原动件数如果原动件数 F F,则机构的运动不确定；则机构的运动不确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。则会导致机构最薄弱环节的损坏。结论：机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目由度的数目由度的数目由度的数目F F F F。例计算右图内燃机机构的自由度F3n2PL PH3627 31三、三、计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 m个构件汇集，共有(m-1)个运动副。（一）复合铰
10、链（一）复合铰链（一）复合铰链（一）复合铰链：在同一点形成两个以上的转动副 复合铰链 是指机构中某些构件所产生的不影响其他构件运动的局部运动带来的自由度，(二）局部自由度二）局部自由度二）局部自由度二）局部自由度 局部自由度在计算自由度是，可在计算自由度是，可在计算自由度是，可在计算自由度是，可预预预预先去掉。先去掉。先去掉。先去掉。滚子绕其轴线的转动为一个局部自由度，例 滚子推杆盘形凸轮机构解故凸轮机构的自由度为 32 221 1F3n2PL PH（三）虚约束 虚约束是指机构中某些运动副或运动副与构件的组合带入的对机构运动起重复约束作用的约束。计算自由度时，应去掉。虚约束出现在下列情况中：1
11、.1.轨迹重合轨迹重合轨迹重合轨迹重合 在机构中，如果用转动副或移动副连接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，该连接将带入1个虚约束。例例例例2 2 椭圆仪机构椭圆仪机构椭圆仪机构椭圆仪机构图中，CAD90，BCBD=BA。构件构件2 2 和构件和构件3 3上的上的C C点轨迹重合点轨迹重合，引入一个虚约束。椭圆仪例例例例1 1 1 1 平行四边形机构平行四边形机构平行四边形机构平行四边形机构含有虚约束的平行四边形机构构件3 和构件2上的F点轨迹重合，因此构件3和两个转动副E、F 引入一个虚约束。F F3333 2424 01 1注意：若两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并
12、不彼此重合，则为复合高副，相当于一个低副（移动副或转动副）。两个公法线重合的高副2.2.2.2.两构件形成多个运动副两构件形成多个运动副两构件形成多个运动副两构件形成多个运动副 (1(1）多个移动副）多个移动副，且移动方向彼此平行或重合；(2(2）多个转动副）多个转动副，且转动轴线重合；(3(3）多个平面高副）多个平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合。两个移动副两个公法线不重合的高副多个转动副3.3.对称结构对称结构 在机构中，当多组完全相同的结构传递运动时，只有一组起作用，其余为虚约束。右图示轮系就属于这种情况。从机构运动传递来看，仅有一个齿轮就可以了，而另一个齿轮并不影响机构的运动传递，
13、故带入了虚约束。轮系则机构的自由度4.4.4.4.用双副杆连接构件上距离恒定不变的两点用双副杆连接构件上距离恒定不变的两点用双副杆连接构件上距离恒定不变的两点用双副杆连接构件上距离恒定不变的两点 在机构运动过程中，如果构件上两点之间的距离始终保持不变，若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例例2-3 2-3 计算包装机送纸机构的自由度计算包装机送纸机构的自由度 分析分析活动构件数活动构件数A1B2J5G4H89IFn 6复合铰链复合铰链虚约束虚约束运动副运动副DDFI杆杆局部自由度局部自由度 滚子滚子3、8绕绕自身轴线的自身轴线的转动转动6ED3
14、2个转动副个转动副杆杆9和运动副和运动副F、I引入一个虚约引入一个虚约束束【例2-4】求图2-16所示机构的自由度，若含有复合铰链、局部自由度、虚约束等特殊情况时，请一一指出，并判断机构的运动是否确定。图中彼此平行且相等。解解 EF为虚约束；C点为复合铰链；滚子与叉子在两处接触，形成2个公法线重合的高副，故G处只算一个高副；I 处也只算一个高副；G处的滚子绕自身轴线的转动是局部自由度。【例2-5】自学 四、虚约束对机构工作性能的影响（1）虚约束的作用（2）虚约束对机构运动的影响 虚约束是存在于某些特定几何条件下的，但这些条件不满足时，它就将成为实际有效的约束，从而影响到机构的性能。例如平行四边
15、形机构，若误差较小，则机构装配困难，应力将增大，运动不灵活；若误差较大，则机构无法装配，若勉强装配，则传动效率低，易损坏。为了改善构件的受力情况；增加机构的刚度；保证机械通过某些特殊位置。平行四边形机构 机构中的虚约束数越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。2-4 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代高副低代 机构中的高副以低副来代替的方法。（1）高副低代应满足的条件：1）代替前后机构的自由度完全相同；2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。（2）高副低代的方法：圆弧高副机构非圆弧高副机构高副低代的一般方法：用一个带有两个转动副的用一个带有两个转动副的虚拟构件来代替一构件来代替
16、一个高副，这两个转动副分别位于高副接触点两元个高副，这两个转动副分别位于高副接触点两元素的曲率中心处。素的曲率中心处。若高副两元素之一为直线，则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。高副低代的一般方法：用一个带有两个转动副的用一个带有两个转动副的虚拟构件来代替一构件来代替一个高副，这两个转动副分别位于高副接触点两元个高副，这两个转动副分别位于高副接触点两元素的曲率中心处。素的曲率中心处。若高副两元素之一为直线，则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处
17、。高副低代的应用：在对高副机构进行分析时，可根据高副低代的方法，先将高副机构转化为低副机构，然后再进行机构的结构、运动及力分析。齿轮副的高副低代：分别过各自的回转中心O1、O2做啮合线的垂线，垂足N1、N2即为两个渐开线齿廓的曲率中心 自由度为零的不能再拆的从动件系统自由度为零的不能再拆的从动件系统自由度为零的不能再拆的从动件系统自由度为零的不能再拆的从动件系统2-5 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理（一）杆组（1）杆组中构件数与运动副数间的关系3n2PL0式中，n、PL为杆组中的构
18、件数、低副数。（2）杆组的基本类型1）级杆组 由2个构件和3个低副构成的杆组。2）级杆组由4个构件和6个低副构成,且具有一个三副构件的杆组。任何机构都可看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架而构成的。（二）、平面机构的组成原理机构组成原理：注意：在杆组并接时，不能将同一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。杆组并接二、平面机构的结构分析二、平面机构的结构分析二、平面机构的结构分析二、平面机构的结构分析（1）分析的目的:了解机构的组成，确定机构的级别。（2）分析的方法 1）先计算机构的自由度，明确原动件；3）从远离原动件的构件先试拆级组；若不成，再拆级组，直至只剩
19、下原动件和机架为止；4）最后确定机构的级别：所含杆组的最高级别。2）除去局部自由度和虚约束；【例2-6】（1）计算机构的自由度；（2）用低副代替其中的高副；（3）当凸轮为原动件时画出机构所含的杆组，并说明机构的级别；（4）若选择J处的滑块为原动件，试对该机构进行结构分析。凸轮为原动件滑块为原动件滑块为原动件级机构级机构II级机构级机构机构结构分析举例机构结构分析举例EF45GIH67J BC2D3A1871245683GEFJIHABCD机构级别机构级别III级机构级机构III级组级组II级组级组5IH7G BC2A1 机构级别为机构级别为II级级。结论：机构的级别与原动件的选择有关结论：机构的级别与原动件的选择有关结论：机构的级别与原动件的选择有关结论：机构的级别与原动件的选择有关。71245683GEFJIHABCDD3EF468J II级组级组II级组级组II级组级组内燃机及其机构运动简图内燃机及其机构运动简图