机械设计基础第三章 平面连杆机构

机械设计基础 16
2018/10/20
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 例题：内燃机
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机械设计基础
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试绘制如图所示机构的运动简图
1、气缸体 2、活塞 3、进气阀
4、排气阀 5、连杆 6、曲轴
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7、凸轮
8、顶杆 9、10齿轮 机械设计基础
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绘出图所示泵结构的构件图
C 两构件上联接点的轨迹重合

在该机构中，构件2上的C点C2与构 件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束 计算时应将构件3及其引入的约束去
3
C(C2,C3) 2 1 B
动画
D

掉来计算

A
4
同理，也可将构件4当作虚约束，将 构件4及其引入的约束去掉来计算，
效果完全一样
F＝3n－2PL－PH 4 0 ＝3 3 －2 － ＝1
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＝1
4
机械设计基础 36
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束——结论

3
机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出
现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束 将变成有效约束，而使机构不能运动
2
1


采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率； 或满足某种特殊需要 在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则 必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所 需要的几何条件

机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 构件的表示方法


杆、轴类构件
机架

同一构件
两副构件 三副构件
机械设计基础 14


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机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 运动副的表示方法

转动副
移动副


高副（齿轮副、 凸轮副）
２
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机械设计基础
3 3 2
2
1 1
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目的：为了改善构件的受力情况 机械设计基础
F＝3n－2PL－PH 2 1 ＝3 2 －2 －
＝1
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时

在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，
为虚约束

计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算
C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时 D 机构中对运动不起作用的对称部分
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
A 两构件之间构成多个运动副时

两构件组合成多个转动副，且其轴线重合 两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合
两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3-1 平面机构的运动简图和自由度
一、构件
二、运动副
三、机构
四、平面机构的运动简图
五、平面机构的自由度
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机械设计基础
1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、构件
构件：独立影响机构功能并能独立运 动的单元体 （实物、刚体、运动的整体） 机架、原动构件、从动构件 零件：单独加工的制造单元体 通用零件、专用零件
n
R=1
t
结论： 平面低副引入
2个约束
1个约束
平面高副引入
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o
x
o
机械设计基础
n
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 平面机构自由度计算公式
如果：活动构件数：n 低副数： pl 高副数： ph 未连接前总自由度： 3n 连接后引入的总约束数： 2pl+ph

y 1
Ｏ 2 x


—计算在内
3
2 5
m个构件(m>2)在同一处构成转动副 3 m-1个低副
机械设计基础 2 5 1
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m个构件, m-1个铰链
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
(2) 局部自由度

—排除
定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动, 不影响机 构输出运动的自由度 局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加 的滚子、轴承中的滚珠 解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的 构件固结在一起，视作一个构件 F＝3n－2pl－ph ＝3 3 －2 3 －1 ＝2 F＝3n－ 2pl－ph ＝3 2－2 2－ 1 ＝1
（面接触） （点、线接触） （面接触）

空间低副: 螺旋副、球面副、圆柱副
空间高副: 球和圆柱与平面、球与圆柱副 (点、线接触) 运动副特性:运动副一经形成, 组成它的两个构件间的可能 的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动, 只与运动 副类型有关, 而与运动副的具体结构无关。 工程上常用一些规定的符号代表运动副
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1 =1
C A
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 = 1 2018/10/20
F =3n－2pl－ph 机械设计基础 = 3 4－2 5－ 1 = 1
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 机构具有确定运动的条件
B C B
C
机构自由度F： F=3n - ( 2pl + ph ) F=3n - 2pl - ph
机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
机构自由度举例：
2 3 1 1 4 5 2 3 4
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 =1
B
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－ 0 =2
按相对运动分类：

运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相 对运动
按相对运动分类：
转动副：相对转动 ——回转副、铰链
移动副：相对移动 螺旋副：螺旋运动

球面副：球面运动
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副类型小结

平面低副: 转动副、移动副 平面高副: 齿轮副、凸轮副
1 概述
2 构件的表示方法 3 运动副的表示方法 4 运动简图的绘制方法 5 例题
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 概述
机构各部分的运动，取决于： 原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸 (确定各运动副相对位置的尺寸) 机构运动简图: （表示机构运动特征的一种工程用图） 用简单线条表示构件 规定符号代表运动副 按比例定出运动副的相对位置 与原机械具有完全相同的运动特性 比较： 机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图 用途：分析现有机械，构思设计新机械
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 平面机构自由度的计算
(1) 平面运动构件的自由度 (构件可能出现的独立运动) 与其它构件未连之前：3 用运动副与其它构件连接后, 运 动副引入约束, 原自由度减少 (2) 平面运动副引入的约束R (对独立的运动所加的限制)
y
y
1
Ｏ 2 x
R=2
y
R=2
x t
机械设计基础 —— 平面连杆机构
三、机构

机构是由构件通过运动副连接而成的 原动件：按给定运动规律独立运动的构件 从动件：其余的活动构件 机 架：固定不动的构件
2 从动件 3
闭链
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开链
原动件
1 机架 4
机构
机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
四、平面机构的运动简图
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
D 机构中对运动不起作用的对称部分

在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束
计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算
同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样 目的：为了改善构件的受力情况
2
1 5
3
F＝3n－2PL－PH 3 2 ＝3 3 －2 －
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－0= 2
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 几种特殊结构的处理
2 3 1
②
2
3 5 6 4 1
5
6
4
F ＝ 3n－2pl－ph 6 0 ＝ 3 － 5 2 － ＝3
错
F ＝ 3n－ 2pl－ph ＝ 3 － 5 2 － 7 0 ＝1
对
(1) 复合铰链
F＝3n－2PL－PH 2 1 ＝3 2 －2 －
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＝1
对
F＝3n－2PL－PH 3 1 ＝3 2 －2 － ＝-1 错
机械设计基础
虚约束
2 1
31
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束经常发生的场合
A 两构件之间构成多个运动副时
B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时
D
D
A
E
A
C
B A E
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 3－0=0
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 5－0= -1
F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动 原动件数小于F,各构件无确定的相对运动 原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏 结论：机构具有确定运动的条件： 1 机构自由度 >0 2018/10/20 机械设计基础 2 原动件数 ＝ 机构自由度数
错
对
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 虚约束

—排除



不影响机构运动传递的重复约束 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束 可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限 制作用的运动副叫虚约束 虚约束经常发生的场合 处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其 3 所带入的运动副）去掉 之一为 结论
例题：
3
C234 C23 4
2
3 4
2
B12
1
B12
A14
4
1
A14
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
五、平面机构的自由度
1 平面机构自由度的计算
2 机构具有确定运动的条件
3 几种特殊结构的处理
复合铰链 局部自由度 虚约束
4 小结
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 运动简图的绘制方法

步骤：
确定构件数目及原动件、输出构件 各构件间构成何种运动副？（注意微动部分） 选定比例尺、投影面，确定原动件某一位置，按规定
符号绘制运动简图 标明机架、原动件和作图比例尺


绘制路线：原动件中间传动件 输出构件 观察重点：各构件间构成的运动副类型 良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达 误 区：构件外形
静联接
构件
动联接
(运动副)
机构
与动力 源组合
机器
3
机械设计基础
机械设计基础 —— 平面连杆机构
二、运动副

运动副: 两构件直接接触而形成的可动联接 运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分

接触形式: 点、线、面
y
o
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x
4
机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副分类

按接触形式分类
按相对运动分类
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
按接触形式分类：

接触形式: 点、线、面 低副：面接触 高副：点、线接触
平面低副 空间低副
y
o
x
高副
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高副
空间低副
机械设计基础
平面低副
平面低副
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 1 A B 4 2
3
1
5 4
3
F＝3n－2PL－PH F＝3n－2PL－PH F＝3n－2PL－PH ＝3 － 3 2 4 4 2 － 6 0 －0 ＝3 － 4 0 ＝3 3 －2 － ＝0 错 ＝1 对 2018/10/20 机械设计基础 ＝1
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
机械设计基础 8


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机械设计基础 —— 平面连杆机构
平面副
y y x
n n
o
x
o
t
t n
t
低副：转动副、移动副( 面接触)
高副：齿轮副、凸轮副(点、 线接触)
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
空间副
了解
高副：点、线接触
球面副
螺旋副
2018/10/20 机械设计基础 10
1、偏心圆盘 2、带环的柱塞 3、摆动盘 4、机架
2018/10/20 机械设计基础 19
2018/10/20
机械设计基础
20
2018/10/20
机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
例题：破碎机
A B E
F D C
G
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机械设计基础
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
2

构件可以由一个零件组成 也可以由几个零件组成
机械设计基础
从动件 1 原动件
3
机架 4
2
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机械设计基础 —— 平面连杆机构
机器的组成
(从运动观点看)由构件组成 (从制造观点看)由零件组成
机器
机械
机构
构件

原动构件
从动构件
零件

通用零件 专用零件
机
架
零件
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机械设计基础 37Fra Baidu bibliotek
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机械设计基础 —— 平面连杆机构