机械原理机构的结构分析

第二章 机构的结构分析
第一节 机构结构分析的内容及目的
✓机构运动的可能性及其具有确定运动的条件 ✓研究机构的组成，绘制机构运动简图 ✓研究机构的组成原理
第二章 机构的结构分析
第二节 机构的组成
机构分为两大类： 平面机构 空间机构
机构是由构件和运动 副两个要素组成的
第二章 机构的结构分析
1.构件 构件是指作为一个整体参与机构运动的刚性单元
第二章 机构的结构分析
例4：例1中颚式破碎机的自由度。
F 3n 2Pl Ph
F
35 27 0 1
5 6
4
C
A 1 O
2
3
B
D
E
第二章 机构的结构分析
例5：例2牛头刨床的自由度。
F 3n 2Pl Ph
36 2811
第二章 机构的结构分析
例6：求只有一个原动件的五杆机构的自由度。
第二章 机构的结构分析
3)轨迹重合 如果机构中两活动构件上某两点的距离始 终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来 连接这两个点，则将会引入一个虚约束。
第二章 机构的结构分析
椭圆仪机构，AB=BC=BD， AD与AC垂直，构件2上的C点 与构件3上的C点皆沿X轴运动， 轨迹重合，此处的转动副和移 动副为虚约束。
7个活动构件，10个转动副，根据公式，该机构的 自由度为：
F 3n 2Pl Ph 3 7 2 10 0 1
第二章 机构的结构分析
例9：计算图示凸轮机构的自由度。
左图凸轮机构，活动构件数为3， 3个低副，1个高副，自由度为：
？ F 3n 2PL Ph
33 231 2
例3：绘制图示活塞泵的机构运动简图。
第二章 机构的结构分析
第四节 机构具有确定运动的条件
C
B A
D
C
B
D
A
E
第二章 机构的结构分析
机构的自由度：机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数的数目 ，用F表示。
为了使机构具有确定的运动，则机构的原动件数目 应等于机构的自由度的数目，这就是机构具有确定运 动的条件。
第二章 机构的结构分析
机构中的虚约束常发生在以下几种情况：
1）移动副导路平行 当两构件组成多个移动副，且其 导路相互平行或重合时，则只有一个移动副起约束作 用，其余都为虚约束。
第二章 机构的结构分析
B
1 A
3 2
C
4
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2)转动副轴线重合 当两构件构成多个转动副，且轴线 相互重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副 都是虚约束。
x
第二章 机构的结构分析
y 2
θ1 x
R=2, F=1
y
12 x S
R=2, F=1
y x
1
2
R=1, F=2
第二章 机构的结构分析
平面机构共有n个活动构件 ，3n个自由度 。若 各构件之间共构成PL个低副和PH个高副，则共引入 了（2PL+PH）个约束。
机构的自由度F：
F 3n (2Pl Ph ) 3n 2Pl Ph
F 3n 2Pl Ph F F 为局部自由度数目。
上例左图中的凸轮机构，由1个局部自由度，此时机构的 自由度应为：
F 3n 2Pl Ph F 3 3 2 3 1 1 1
为了防止计算差错，在计算自由度时，也可以设想 将产生局部运动的构件与其连接的构件视为焊接在一 起，以达到消除局部自由度的目的。
第二章 机构的结构分析
两构件间相对运动的平面平行，则称为平面运动副， 否则称为空间运动副。
平面运动副，它只有转动副、移动副（统称为低副） 和平面高副三种形式。
第二章 机构的结构分析
平面高副是两构件以点或线的形式相接触而形成的 运动副，这种运动副允许两构件在接触点A绕垂直于平 面的Z轴作相对转动和沿切线t-t方向作相对移动，而只 约束掉沿着轮廓线接触点A公法线方向的移动自由度。
F 3n 2Pl Ph F 3 3 2 3 2 0 1
第二章 机构的结构分析
基本内容：
(1)机构结构分析的内容及目的。 (2)机构的组成。 (3)机构运动简图。 (4)机构具有确定运动的条件。 (5)平面机构自由度的计算。 (6)计算平面机构的自由度时应注意的事项。 (7)机构的组成原理及平面机构的结构分类。
第二章 机构的结构分析
教学基本要求：
(1)搞清运动副、运动链、约束和自由度等重 要概念。
柱面高副
第二章 机构的结构分析
球面低副
移动副
转动副
第二章 机构的结构分析
3）根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类 两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动副
（回转副、铰链），相对运动为移动的运动副称为移 动副，相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副，相 对运动为球面运动的运动副为球面副。
螺旋副
第二章 机构的结构分析
讨论：
1）若机构自由度F≤0，则机构不能运动（桁架）。
2) 若Ｆ>0且与原动件数相等，则机构各构件间的相
对运动是确定的；这就是机构具有确定运动的条件。
2 1
3
第二章 机构的结构分析
3) 若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不
确定的；
4）若Ｆ>0，而原动件数>F，则构件间不能运动或
体。 一个构件，可以是不能拆开的单一零件，也可以是
由若干个不同零件装配起来的刚性体。
第二章 机构的结构分析
构件与零件的区别： 零件是从制造加工角度提出的最小单元概念，
即零件是制造加工的最小单元，是组成机器最基本的、 不可再拆分的单元。
构件则是从运动和功能实现的角度提出的最小单元概 念，即构件是最小的独立运动单元，从运动角度讲， 构件是一个刚体。
产生破坏。
机构具有确定运动的条件：机构的自由度数目应等 于机构的原动件数目，且自由度大于0。
第二章 机构的结构分析
第五节 机构自由度的计算
在平面机构中，各构件只 作平面运动。
y
F=3
一个作平面运动的自由构 件（刚体），具有三个自由 度：
沿X轴及Y轴的移动和绕与 运动平面垂直的轴线转动 。
θ
(x , y)
第二章 机构的结构分析
3.虚约束
在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的， 这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。
MN与AB、 CD平行且 相等
？
F 3n 2Pl Ph 3 4 2 6 0 0
第二章 机构的结构分析
在计算机构自由度时，因从机构的约束数中减去虚约 束数，若设虚约束数目为 P，则这时机构的自由度为：
(2)掌握平面机构自由度的计算方法及其具有 确定运动的条件。
(3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。 (4)明确机构组成的概念，了解平面机构的组 成原理。
第二章 机构的结构分析
重点： (1)运动副及其分类。 (2)平面机构的自由度计算及具有确定运动的 条件 (3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。 难点： 机构运动简图绘制、机构中的虚约束的判定问 题。
F 3n (2Pl Ph P) F
上例的自由度为： F 3 4 (2 6 0 1) 0 1
也可以将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再按 以前公式计算：
F 3n 2Pl Ph F 3 3 2 4 0 0 1
✓闭式运动链 ✓开式运动链
第二章 机构的结构分析
5.机构
如将运动链中的某个构件固 定，使之成为机架，而让另一 个或几个构件按给定的运动规 律相对于固定构件运动，其余 构件都随之具有确定的相对运 动，则这个运动链即成为机构。
机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件， 随主动件运动的构件称为从动件。
第二章 机构的结构分析
F 3n 2Pl Ph
？ 37 26 0 9
第二章 机构的结构分析
1.复合铰链
两个以上构件在同一处以转动副的形式相连接，所组成的 转动副称为复合铰链。
若有m个构件在一处构成复合铰链，则其所构成 的转动副数应为m-1个。
第二章 机构的结构分析
在上例的圆盘锯机构中，在A、B、C、D处都是3 个构件组成的复合铰链，故在这四处各具有两个转动 副。
可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。
第二章 机构的结构分析
一个构件在三维空间自由 运动时，有6个自由度：
沿三个坐标轴的移动绕三个 坐标轴的转动。
两构件间的运动副所起的作 。
用就是限制构件间的某些相对 运动，这种相对运动的限制作 用称为约束。
若运动副的自由度用f表示，约束用s表示，则自由度
第二章 机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的结构分析
绘制机构运动简图的步骤： 1）确定机构的原动件和执行件，两者之间为传动
部份，确定出组成机构的所有构件，确定出构件间运 动副的类型。
2）恰当地选择投影面，将机构运动简图表示清楚。
3）选择适当的比例尺（μ＝实际尺寸/图示尺寸）， 定出各运动副之间的相对位置，用规定的符号画出各 类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条 连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。
第三节 机构运动简图
第二章 机构的结构分析
在研究机构的运动时，只需按规定符号表示运动副、 常用机构、及一般构件，并按一定的比例尺表示机构 的运动尺寸和运动副的位置，绘制表示机构各构件间 相对运动关系的简化图形，将机构的运动传递情况表 示出来，这种图形被称为机构运动简图。
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
运动副必须始终保持接触。 若借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的 运动副称为几何封闭运动副。 若借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副 称为力封闭运动副，如凸轮机构。
第二章 机构的结构分析
4.运动链 两个以上构件通过运动副的连接而构成的
可相对运动的系统称为运动链。
C
B
D
A
E
F 3n 2Pl Ph
34 250 2
第二章 机构的结构分析
例7：例3中活塞泵机构的自由度。
F 3n 2Pl Ph
34 2511
第二章 机构的结构分析
第六节 计算平面机构自由度时应注意的事项
第二章 机构的结构分析
例8：计算圆盘锯机构的自由度。
第二章 机构的结构分析
2.运动副
两构件间的直接接触而又能产生一定相对运动的 活动连接称为运动副。
第二章 机构的结构分析
两构件上参与接触而构成运动副的部分称为运 动副元素。
构件之间的接触不外乎点、线、面三种形式，运动 副元素也不外乎是点、线、面。
第二章 机构的结构分析
对运动副的理解要把握以下三点： （１）运动副是一种联接（接触）； （２）运动副由两个构件组成； （３）组成运动副的两个构件之间有相对运动。
第二章 机构的结构分析
例1：图示为一颚式破碎机，当曲柄1绕轴心O连续回转 时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎，试 绘制此破碎机的机构运动简图。
第二章 机构的结构分析
A 1
F
O
2
5
6
4 B
C
3 D
E
第二章 机构的结构分析
例2：绘制图示牛头刨床机构的运动简图。
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
圆
柱
I
5套
筒
副
图形
柱 面 高 副
转
II
4动
副
球 面 低 副
移 III 3 动
副
球
螺
销
IV 2 旋
副
副
简图符号 副级 自由度 IV 2
V
1
V
1
V
1
第二章 机构的结构分析
2）根据组成运动副的两运动副元素的接触情况分类
运动副元素以点或线接触的运动副称为高副，运动副 元素以面接触的运动副称为低副。
球面高副
右图凸轮机构，滚子与推杆连成一 体成为一个构件，这时，活动构件数 为2，2个低副，1个高副，自由度为：
F 3n 2Pl Ph 3 2 2 2 1 1
第二章 机构的结构分析
2.局部自由度 不影响整个机构运动的自由度，称为局部自由度。
在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。即有公式：
和约束的关系为： f 6 s
第二章 机构的结构分析
3.运动副的分类
1）根据运动副所引入的约束数分类
引入一个约束称为Ⅰ级副，引入两个约束称为Ⅱ级 副，依次类推，还有Ⅲ级副、Ⅳ级副，最末为Ⅴ级副。
第二表章2-1 常机用构运动的副及结其简构图分析
名 图形 称
球 面 高 副
简图符号
副级 自由度 名 称
F 33 240 1
第二章 机构的结构分析
4）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往 会引入虚约束
F 3n (2Pl Ph P) F 3 5 (2 5 6 2) 0 1
也可以去掉产生虚约束的构件和运动副，再进行自 由度计算：