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1、2-1 2-1 机构的组成机构的组成 平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构。平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构。一、构件一、构件 零件零件：制造单元：制造单元 构件构件：运动单元：运动单元构件是由若干个零件组合成的构件是由若干个零件组合成的刚性刚性结构。结构。如：内燃机连杆如：内燃机连杆第1页/共101页零件连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4和5、螺杆6、螺母7、开口销8第2页/共101页在在三三维维空空间间内内自自由由运运动动的的构件具有六个自由度构件具有六个自由度。作作平平面面运运动动的的构构件件(如图所示)则则只只有有三三个个自自由由度度，这三个自由度可以用三个
2、独立的参数x、y和角度表示。1、构件的自由度构件所具有的独立运动数目构件所具有的独立运动数目。二、运动副及其分类二、运动副及其分类第3页/共101页2、运动副、运动副运运动动副副是使使两两构构件件直直接接接接触触并并能能产产生生一一定定相相对对运运动动的的联联接接。是由两构件组成的可动联接。运动副是约束运动的，构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度便随之减少。如：轴与轴承、凸轮与从动件由运动副的定义可知：构成机构的两个基本要素是构成机构的两个基本要素是构件构件和和运动副运动副。约束约束对构件的独立运动所加的限制对构件的独立运动所加的限制。每加一个约束，构件便失去一个自。每加一个约束，构件
3、便失去一个自由度。由度。第4页/共101页运动副的基本特征是：具有一定的接触形式，并把把两两构构件件上上直直接接参参与与接接触触而而构构成成运运动动副副的的部部分分称为运运动副元素：动副元素：点、线、面点、线、面能产生一定形式的相对运动。运动副的类型：按运动副元素接触形式可将运动副分为低副低副和高副高副。低副：面接触高副：点线接触第5页/共101页如如果果构构成成运运动动副副的的两两构构件件间间相相对对运运动动是是平平面面运运动动，则称为平平面面运运动动副副；如如果果构构成成运运动动副副的的两两构构件件间间相相对对运运动是空间运动动是空间运动，则称为空间运动副空间运动副。第6页/共101页1.
4、低低副副两两运运动动副副元元素素通通过过面面接接触触所所构构成的运动副成的运动副。转动副和移动副都属于低副。转转动动副副两两构构件件间间只只能能作作相相对对转转动动的的低低副副称为转转动动副副或铰铰链链。转动副及其简图符号表示如下图所示。如如果果转转动动副副中中的的一一个个构构件件为为固固定定构构件件，则该转动副又称为固固定铰链定铰链，否则称为活动铰链活动铰链。第7页/共101页转动副第8页/共101页转动副（曲面接触）转动副（曲面接触）第9页/共101页转动副第10页/共101页 两个构件间形成的运动副引入两个构件间形成的运动副引入多少个约束多少个约束，限制了构件的哪些独立运动，则完全取决于
5、运动副的，限制了构件的哪些独立运动，则完全取决于运动副的类型类型。由此可见，在平面机构中，每个由此可见，在平面机构中，每个转动副转动副引入引入两个约束两个约束，使构件失去，使构件失去两个自由度两个自由度。第11页/共101页转动副的表示方法第12页/共101页移动副两构件间只能作两构件间只能作相对移动相对移动的低副称为移动副的低副称为移动副，移动副及其简图符号表示如下图所示。移动副移动副的表示方法第13页/共101页移动副（平面接触）移动副（平面接触）第14页/共101页移动副第15页/共101页2.高副高副两运动副元素通过两运动副元素通过点点或或线线接触所构成的运接触所构成的运动副动副。如图
6、所示。用简图表示高副时，应将两构件用简图表示高副时，应将两构件接触处的几何形状绘出接触处的几何形状绘出。对于齿轮与齿轮啮合及齿轮与齿条啮合的高副，可按规定的简图表示。第16页/共101页凸轮高副（点接触）凸轮高副（点接触）齿轮高副（线接触）齿轮高副（线接触）常见的高副：常见的高副：第17页/共101页齿轮副第18页/共101页 两个构件间形成的运动副引入两个构件间形成的运动副引入多少个约束多少个约束，限制了构件的哪些独立运动，则完全取决于运动副的，限制了构件的哪些独立运动，则完全取决于运动副的类型类型。由此可见，在平面机构中，每个由此可见，在平面机构中，每个高副高副引入引入一个约束一个约束，使
7、构件失去，使构件失去一个自由度一个自由度。第19页/共101页第20页/共101页空间运动副：球面副、螺旋副空间运动副：球面副、螺旋副第21页/共101页第22页/共101页2-22-2 平面机构平面机构运动运动简图简图一一、机机构构运运动动简简图图根根据据机机构构的的运运动动尺尺寸寸，按按一一定定的的比比例例尺尺定定出出各各运运动动副副的的位位置置，再再用用规规定定的的运运动动副副代代表表符符号号和和简简单单的的线线条条或或几几何何图图形形表表示机构各构件间相对运动关系的一种简化图形示机构各构件间相对运动关系的一种简化图形。它是表示机构运动特征的一种工程用图。注意：机构运动简图与原机构具有完
8、全相同的运动特性！第23页/共101页二二.绘制机构运动简图的目的绘制机构运动简图的目的：机构运动简图与真实机构具有完全相同的运动特性，主要用于简明地表达机构的组成情况和运动情况，进行运动分析，作为运动设计的目标和构造设计的依据。也可对机构进行力分析并作为专利性质的判据。第24页/共101页三三.机构运动简图中运动副的表示方法机构运动简图中运动副的表示方法机构运动简图中运动副(转动副、移动副)的表示方法如前面所述。需要注意的是需要注意的是：移动副的导路必须与相对移动方向一致。表示机架的构件需画上阴影线。第25页/共101页常用平面运动副表示法第26页/共101页四四.机构运动简图中构件的表示方
9、法机构运动简图中构件的表示方法 机构中构件的相对运动是由运动副的类型及同一构件上各机构中构件的相对运动是由运动副的类型及同一构件上各运动副的相对位置决定的运动副的相对位置决定的。因此，在绘制机构运动简图时，要表示参与构成不同类型的若干运动副的构件，应按其运动副的类别，用规定的符号画在相应的位置上，再用简单的线条将这些符号联成一体即可。右图所示为参与构右图所示为参与构成不同类型的两个成不同类型的两个运动副的构件的表运动副的构件的表示方法。示方法。第27页/共101页第28页/共101页参与构成参与构成n个运动副的构件，可以用个运动副的构件，可以用n边形表示，并在相交的边形表示，并在相交的部位涂上
10、焊缝标记部位涂上焊缝标记 或在几何图形中间或在几何图形中间画上剖面线画上剖面线。下图所示为参与构成三个运动副的构件。下图所示为参与构成三个运动副的构件。第29页/共101页五、构件的分类：任何机构都包含任何机构都包含机架机架、原动件原动件和和从动件从动件3个部分。个部分。固定构件固定构件(机架机架)是用来支承活动构件的构件是用来支承活动构件的构件。原原动动件件(主主动动件件)是是运运动动规规律律已已知知的的活活动动构构件件。它的运动是由外界输入的，又称为输入构件输入构件。从动件 是是机机构构中中随随着着原原动动件件的的运运动动而而运运动动的的其其余余活活动动构构件件。相对于机架有确定的相对运动
11、。从从动动件件的的运运动动规规律律取取决决于于原原动动件件的的运运动动规规律律和和机机构构的的结结构构。当当机机构构的的结结构构确确定定之之后，从动件的运动规律完全取决于原动件的运动规律。后，从动件的运动规律完全取决于原动件的运动规律。第30页/共101页六六.绘制机构运动简图的方法及步骤绘制机构运动简图的方法及步骤通过观察和分析机构的结构组成和运动传递情况，首先认清机构的机架、原动件，按传动路线逐个分清各从动件，并依次标上数字编号；然后循着传动路线仔细分析各构件之间的相对运动性质，各构件间形成的运动副类别和数目，并对各运动副标上字母：A，B，C，。恰当地选择投影面。选择时应以能简单、清楚地把
12、机构的运动情况表示出来为原则。一般选取与构件运动平面相平行的平面作为投影面。第31页/共101页把原动件固定在某一位置，选取适当的比例尺。定出各运动副的相互位置：转动副中心位置、移动副导路方位、平面滚滑副轮廓形状等。用规定的符号画出运动副，并用简单的线条或几何图形联接起来，标出构件号数字及运动副的代号字母，以及原动件的转向箭头，即得机构运动简图。第32页/共101页例例2-12-1 绘制如图(a)所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。解：解：（1）分析机构的组成及运动情况(2)确定运动副的类型及数量(3)选定投影面和比例尺，定出各运动副的相对位置，绘制出机构运动简图如图(b)所示。第33页/共1
13、01页第34页/共101页活塞泵活塞泵第35页/共101页例：油泵机构例：油泵机构 1圆盘圆盘 2柱塞柱塞 3 构件构件 4机机架架ABC1234第36页/共101页例题三：图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。第37页/共101页ABCDE123456第38页/共101页牛头刨床的机构运动简图牛头刨床的机构运动简图第39页/共101页第40页/共101页唧筒机构回转柱塞泵第41页/共101页缝纫机下针机构机构模型第42页/共101页2
14、-3 2-3 平面机构的自由度平面机构的自由度一、平面机构自由度计算公式机构的自由度指机构所具有的独立运动数目。作平面运动的自由构件有三个自由度。当两构件组成运动副后，它们的相对运动就受到限制（约束），自由度随之减少。运动副的作用是约束构件间的某些运动，而保留另外一些运动。一个运动副至少引入一个约束，也至少保留一个自由度。第43页/共101页不同类型的运动副引入的约束不同，保留的自由度也不同。平面运动的一个转动副或一个移动副引入两个约束，保留一个自由度。一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。综上所述，平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一
15、个自由度。第44页/共101页1.平面机构自由度计算公式在机构中，若共有K个构件，除去机架外，其活动构件数为n=K-1。显然，这些活动构件在未组成运动副之前，其自由度总数为3n，当它们用PL个低副和PH个高副联接组成机构后，因为每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束，所以，总共引入(2PL+PH)个约束。故整个机构的自由度应为活动构件的自由度总数与全部运动副引入的约束总数之差，用F 表示，即F=3n-2PL-PH(2-1)由上式可知：机构自由度F取决于活动构件的件数与运动副的性质（高副或低副）和个数。第45页/共101页试机算图示航空照相机快门机构的自由度。第46页/共101页解：该机构的
16、构件总数N=6,活动构件数n=5,6个转动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1第47页/共101页试计算图示牛头刨床工作机构的自由度第48页/共101页解：该机构的构件总数N=7,活动构件数n=6,5个转动副、3个移动副，1个高副。由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1 第49页/共101页2.机构具有确定运动的条件机构的自由度也是机构相对机架所具有的独立运动的数目。在机构中，当机构的结构确定之后，从动件的运动规律完全取决于原动件的运动规律。通常一个原动件只能给定一种独立运动规律，那么在一个机构中，
17、应该给定几个原动件，才能使其具有确定运动？如图a所示为五构件运动链。其自由度为：F=3n2PLPH=34250=2若给定一个原动件(构件1)的角位移规律为1=1(t)，此时构件2、3、4的运动并不能确定。说明当原动件数少于机构的自由度时，其运动是不确定的。第50页/共101页第51页/共101页又如图b所示四构件机构，其自由度为：F=3n2PLPH=33240=1设构件1为原动件，1为其独立转动的参变量，那么每给定一个的值1，构件2、3便随之有一个确定的相对位置。说明该机构具有确定的相对运动。若在该机构中同时给定构件1和构件3作为原动件，这时构件2势必既要处于由原动件1的参变量1所决定的位置，
18、又要随构件3的独立运动规律而运动，显然是不可能的。说明：当原动件数多于机构的自由度时，机构的运动难以确定。第52页/共101页桁架在机构分析中作为一个构件(结构体)来对待。综上所述可知，机构具有确定运动的条件是：机构的自由度F0且等于原动件数。如图所示静定的桁架（图a）和超静定的桁架（图b），自由度分别为0和1，即各构件之间不可能运动。第53页/共101页由两个以上的构件在同一处以转动副相联而成的铰链称为复合铰链。如图所示。由K个构件以复合铰链相联接时构成的转动副数为(K-1)个。计算自由度时要特别注意“复合铰链”。二、计算平面机构自由度时应注意的事项1.复合铰链图a所示的机构的自由度计算为：
19、n=5、PL=7(PL6)、PH=0，则F=3n2PLPH=35270=1。第54页/共101页1.复合铰链 由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含（m-1）个转动副。第55页/共101页锯床机构F=3n-2PL-PH3*7-2*6=9？3*7-2*10=1错误计算平面机构自由度第56页/共101页钢板剪切机 第57页/共101页不影响机构中其它构件相对运动的自由度称为局部自由度。如右图所示。在计算机构的自由度时，局部自由度不应计入。图a所示的凸轮机构中，自由度计算为：n=2、PL=2(PL3)、PH=1，则 F=3n2PLPH=32221=1
20、。局部自由度2.局部自由度第58页/共101页F=3n-2PL-PH=3*3-2*(2+1)-1=2F=3n-2PL-PH=3*2-2*2-1=1错误 正确第59页/共101页一般在高副接触处，若有滚子存在，则滚子绕自身轴线转动的自由度属于局部自由度，采用滚子结构的目的在于将高副间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，以减轻摩擦和磨损。3.虚约束对机构的运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。如平行四边形机构；如图a所示为机车车轮联动机构，图b为其机构运动简图。计算机构自由度时，应将产生虚约束的构件连同它所带入的运动副一起除去不计。第60页/共101页虚约束虚约束不起独立限制作用的约束称为虚约不起独立限制作
21、用的约束称为虚约束。如图所示的平行四边形机构中，束。如图所示的平行四边形机构中，加上一个构件加上一个构件5，便形成具有一个，便形成具有一个虚约束的平行四边形机构。虚约束的平行四边形机构。第61页/共101页第62页/共101页对于上图a所示的机构可就看成是图c所示的机构，此时n=3(而不是n=4)、PL=4、PH=0，则 F=3n2PLPH=33240=1。平面机构的虚约束常出现于下列情况中：两构件间形成多个轴线重合的转动副(如下图所示)在此情况下，计算机构自由度时，只考虑一处运动副引入的约束，其余各运动副引入的约束为虚约束。第63页/共101页第64页/共101页 两构件形成多个导路平行的移
22、动副(如右图所示)在此情况下，计算机构自由度时，只考虑一处运动副引入的约束，其余各运动副引入的约束为虚约束。用一个构件及两个转动副将两个构件上距离始终不变的两个动点相联时，引入一个虚约束。如右图所示，如用构件5及两个转动副联接E、F点时，将引入一个虚约束。第65页/共101页在机构中如果有两构件相联接，当将此两构件在联接处拆开时，若两构件上原联接点的轨迹是重合的，则该联接引入一个虚约束。如机车车轮联动机构和右图所示的椭圆仪机构中的虚约束均属于这种情况。对机构运动不起作用的对称部分引入虚约束。如下图所示的行星轮系，只需一个行星齿轮2便可满足运动要求。但为了平衡行星齿轮的惯性力，采用多个行星齿轮对
23、称布置。由于行星齿轮2的加入，使机构增加了一个虚约束。第66页/共101页分分析析计计算算时时，须须将将对对运运动动不不起起作用的其它对称部分除去不计作用的其它对称部分除去不计。机机构构中中的的虚虚约约束束都都是是在在某某些些特特定定的的几几何何条条件件下下产产生生的的。如如果果不不满满足足这这些些几几何何条条件件，虚虚约约束束将将变变成成实实际际的的有有效效约约束束，从从而而使机构的自由度减少使机构的自由度减少。所以从保证机构的运动和便于加工装配等方面考虑，应尽量减少机构中的虚约束。但为了改善受力情况、增加机构刚度或保证机械运动的顺利进行，虚约束往往又是不可缺少的。第67页/共101页第68
24、页/共101页综上所述，运用公式(2-1)计算机构的自由度时，需正确计算复合铰链处的运动副数目、除去局部自由度和虚约束。例计算图示的发动机配气机构的自由度，并判断其运动是否确定？解在此机构中,n=6、PL=8、PH=1，由(2-1)式得 F=3n2PLPH=36281=1由机构运动简图可知，该机构有一原动件1，原动件数与自由度数相等，所以该机构的运动是确定的。第69页/共101页第70页/共101页例判别图示构件的组合是否能动？如果能动，要满足什么条件才能有确定的相对运动？如果有复合铰链、局部自由度或虚约束，须一一指出。解(a)在此构件组合中,n=5、PL=7、PH=0，由(1-1)式得F=3
25、n2PLPH=35270=1因F0，所以该构件组合可动。由机构具有确定的相对运动条件可知，当机构原动件数为1时，原动件数与自由度数相等，机构才能有确定的运动。在C处构件BC与两滑块构成复合铰链。(a)第71页/共101页(b)(b)在此构件组合中,n=3、PL=4、PH=1，由(1-1)式得F=3n2PLPH=33241=0因F=0，所以该构件组合不能动。无复合铰链、局部自由度或虚约束存在。(c)(c)在此构件组合中,在B处滚子与凸轮构成高副，滚子引入一局部自由度，应除去；在F和F两处，竖杆与机架组成导路平行的移动副，引入一虚约束，应除去；因此，n=4、PL=5、PH=1，由(1-1)式得第7
26、2页/共101页F=3n2PLPH=34251=1因F0，所以该构件组合可动。由机构具有确定的相对运动条件可知，当机构原动件数为1时，原动件数与自由度数相等，机构才能有确定的运动。第73页/共101页计算自由度F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2C：复合铰链 E：虚约束 滚子为局部自由度 第74页/共101页求图示机构的自由度解：2、3、4是复合铰链F=3*7-2*10=1第75页/共101页冲压机构冲压机构12345678910F=3n-2PL-PH=3*9-2*12-2=1第76页/共101页F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1C:复合铰链E：虚约束滚子为局部自由度第7
27、7页/共101页推土机机构F=3*5-2*7=1第78页/共101页锯木机机构F=3*8-2*11-1=1第79页/共101页平炉渣口堵塞机构F=3*6-2*8-1=1第80页/共101页测量仪表机构F=3*6-2*8-1=1第81页/共101页缝纫机送布机构F=3*4-2*4-2=2第82页/共101页2-4 速度瞬心简介速度瞬心简介一、速度瞬心一、速度瞬心1.1.速度瞬心(瞬心)的概念速速度度瞬瞬心心(瞬瞬心心)作作相相对对平平面面运运动动的的两两构构件件(刚刚体体)瞬瞬时时相相对对速速度度为为零零的的重重合合点点，即即瞬瞬时时绝绝对对速速度度相相等等的的重重合合点点(即即同速点同速点)。
28、如右图所示。第83页/共101页如果两构件都是运动的，则其瞬心称为相对速度瞬心相对速度瞬心；如果两构件中有一个是静止的，则其瞬心称为绝对速度瞬心绝对速度瞬心。因静止构件的绝对速度为零，所以绝对瞬心是运动刚体上瞬时绝对速度等于零的点。在机构分析中，瞬心概念适用于任意两个构件（运动构件或固定构件）间的运动关系。第84页/共101页2.机构瞬心的数目由于作相对运动的任意两个构件都有一个瞬心，如果一个机构中含有 K个构件，则其瞬心数目N为第85页/共101页二、二、瞬心的确定瞬心的确定 根据瞬心定义确定 当两构件的相对运动已知时，其瞬心位置可根据瞬心定义求出。如图所示，构件1 1和构件2 2的瞬心P
29、P1212是两速度向量的垂线的交点。第86页/共101页当两构件组成转动副时，其瞬心P P1212为转动副的中心，如图a a所示。第87页/共101页当两构件组成移动副时，其瞬心P P1212位于垂直于移动方向的无穷远处，如图b b所示。第88页/共101页当两构件组成纯滚动的高副时，接触点处的相对速度为0 0，所以接触点即为其瞬心，如图c c所示 。第89页/共101页当两构件组成滑动兼滚动的高副时，如上图d d所示，由于接触点处的相对速度不为0 0，因此其瞬心应位于过接触点的公法线上，但具体位置还要根据其它条件才能确定。第90页/共101页 不直接相联的两构件的瞬心可用三心定理来确定三三心
30、心定定理理作作平平面面相相对对运运动动的的三三个个构构件件共共有有三个瞬心，它们位于同一直线上三个瞬心，它们位于同一直线上。其证明如下图所示。第91页/共101页例例2-6 2-6 求图2-23所示铰链四杆机构的各速度瞬心。图2-23铰链四杆机构的瞬心第92页/共101页练习：练习：求曲柄滑块机构的瞬心。求曲柄滑块机构的瞬心。第93页/共101页 二、瞬心在速度分析上的应用二、瞬心在速度分析上的应用 利利用用瞬瞬心心进进行行速速度度分分析析，可可求求出出两两构构件件的的角角速速度度之之比比，构件的角速度及构件上某点的线速度构件的角速度及构件上某点的线速度。1.铰链四杆机构如图2-23所示，P2
31、4为构件4和构件2的等速重合点，而构件4和构件2分别绕绝对瞬心P14和P12转动，因此有故得第94页/共101页上式表明：作作平平面面相相对对运运动动的的两两构构件件，在在已已知知两两构构件件绝绝对对瞬瞬心心的的情情况况下下，只只要要定定出出相相对对瞬瞬心心位位置置，就就可可求求出出二二者者的的角角速速度度比比。即即角角速速度度比比等等于于二二构构件件的的相相对对瞬瞬心心至至其其绝对瞬心之距离的反比绝对瞬心之距离的反比。如果P24在P14和P12的同一侧，则2和4方向相同；如果P24在P14和P12之间，则2和4方向相反。如再知一构件的角速度，即可求出另一构件的角速度大小和方向。第95页/共1
32、01页2.齿轮或摆动从动件凸轮机构如图所示为相啮合的两齿轮，可以利用相对瞬心求两轮的角速度之比。齿轮2和3的绝对瞬心为P12和P13，其相对瞬心P23应在过接触点K的公法线n-n上，又应位于P12和P13的连线上，故二线的交点即为P23。齿轮机构的瞬心第96页/共101页上式表明：组组成成高高副副的的两两构构件件，其其角角速速度度比比与与连连心心线线被被接接触触点点处处的的公公法法线线所所分分成成的的两两线线段段长长度度成成反反比比。因因P P2323为为内内分分连连线线，故故两两构构件件转转向向相相反反；如如P P2323为为外外分分连连线线，则则两两构件转向相同构件转向相同。齿轮机构的瞬心
33、因因P23为该瞬时两轮的同速点，为该瞬时两轮的同速点，即即故故第97页/共101页3.直动从动件凸轮机构对于象右图所示的平底直动从动件凸轮机构，可以利用速度瞬心求出从动件3的速度。P23为在图示位置时凸轮与从动件的同速点，故 直动从动件凸轮机构的瞬心用瞬心法求简单机构的速度很方便，但是构件数目较多时，瞬心数目太多，求解费时，且作图时某些瞬心可能落在图纸之外。此外，瞬心法只能用于速度分析，不能用于加速度分析。第98页/共101页练习：练习：1、求如图导杆机构的全部瞬心和构件、求如图导杆机构的全部瞬心和构件1、3的角速比。的角速比。第99页/共101页2、求如图正切机构的全部瞬心。设、求如图正切机构的全部瞬心。设1=10rad/s,求构件求构件3的速度的速度v3。第100页/共101页感谢您的观看。第101页/共101页