机构的结构分析

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
Ｏ 2
(2) 平面运动副引入的约束R
(对独立的运动所加的限制)
y R=2
o
x
y R=2
n
x t
R=1
t
o n
1
x
结论： 平面低副引入
2个约束
平面高副引入
1个约束
(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
3
机构具有确定运动的条件
自由度 F0 原动件数目＝机构自由度数目
(F=0不动；多于不确定 ;少于破坏）
内燃机及其机构运动简图
10
C
11
8 ,9 3
7D B
18
4
1
A
F＝3n－(2pl＋ph)
＝3×6－2×7 －3 ＝1
三 计算机构自由度时应注意的问题 D 5 F
举例 直线机构自由度计算
解 n7，pL6，pH0
B
D5
F
46
1E
7
C
2 3
8
A
准确识别复合铰链举例 关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副
12
3 两个转动副
12
3 4
两个转动副
1 3
2
4 两个转动副
31
2
4
1 2
3
1
2 3
两个转动副
4
两个转动副
两个转动副
◆计算机构自由度应注意的事项（续）
实例分析2：计算图示凸轮机构自由度
解：F=3n-2 pl – ph =3×3 - 2×3-1=2
F3n2pLpH37269
错误的结果！
B
计算错误的原因：
46
1E
7
C
2 3
8
A
直线机构
两个转动副
● 复合铰链 定义：两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运
动副。 k个构件组成的复合铰链，有(k-1)个转动副。
正确计算 B、C、D、E处为复合铰链，转 动副数均为2。 n7，pL10，pH0 F3n2pLpH372101
面接触的平面运动副—平面低副 转动副 移动副
§1-2 机构运动简图
◆ 机构运动简图
为什么要画机 构运动简图？
机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构 运动尺寸有关。
机构运动简图：指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定 出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构 件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。
y 1
未连接前总自由度： 3n
Ｏ
连接后引入的总约束数： 2pl+ph
2
x
机构自由度F： F=3n - ( 2pl + ph )
F=3n - 2pl - ph
机构自由度举例：
2 1
2 3
1
3 4
4
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0
=1
B
5
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－0
机构中给定 独立运动参数的 构件为原动件。
四杆机构
给定一个独立运动参数： 其余构件有确定运动。
一 机构具有确定运动的条件
五杆机构 给定一个独立运动参数： 机构没有确定运动。 给定两个独立运动参数： 机构有确定运动。
机构具有确定运动时所必须给定的独立运 动参数的数目称为机构的自由度。
机构具有确定运动的条件
机构运动简图应满足的条件： ⑴ 构件数目与实际机构相同； ⑵ 运动副的性质、数目与实际机构相符； ⑶ 运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构
成比例。
◆ 机构示意图
机构的示意图：指为了表明机构结构状况, 不要求严格 地按比例而绘制的简图。
◆ 常用运动副和构件的表示方法
运动副 名称
常用运动副的符号
例1:
机架→原动件→从动件
例2:
作图步骤： 1.分析结构和相对运动 2.选择视图平面和比例尺 3.选择原动件的一个位置 4.按表达方式作图
例题3：
3
C23 4
2
B12
1
A14
C234
3
2
4
B12
1
4
A14
例题4：内燃机
例题5：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图
分析：该机构有 6个构件和7个转 动副。
运动副的分类 ● 按运动副引入的约束数分类
I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。 ● 按运动副的接触形式分类
点、线接触的运动副—高副 面与面接触的运动副—低副 ● 按两构件相对运动的形式分类 平面运动副 空间运动副 ● 按接触部分的几何形状分类 圆柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面 副、球面–圆柱副、圆柱–平面副等等。
传
动
动
常用机构运动简图符号（续）
内啮 合圆 柱齿 轮传 动
棘 轮 机 构
◆ 画机构运动简图的方法
1）确定构件数目，辨清主、从动件。 2）确定运动副类型和数目。 3）选定比例尺，用线条和规定符号作图。 例 绘制转动翼板式水泵机构运动简图。 绘制旋转泵机构运动简图。 绘制图示机构的机构运动简图。
空间运动链
4. 机构
2 3
1 4
运动链
2
3
1
4
固定一个构件
机构
满足条件
其余构件运动 是否确定？
机架 原动件 从动件系统
1个
至少1个
2
3
1
4
在另一个（或几个） 构件上加上已知运动
机构
4、机构
原动件
◆机构:在运动链中将一构 件加以固定, 而其余构件都 具有确定的运动，则运动链 便成为机构。 ◆机架：机构中固定不动构件。
连杆体 轴瓦
内燃机连杆
零件(Part)是机械的制造单元。
连杆盖
2. 运动副
两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互直接接触 所形成的可动连接。
运动副元素—两个构件上相互接触的表面。
运动副元素不外乎
为点、线、面。
◆ 构件自由度与约束
1. 构件的自由度：指一 个构件相对另一个构件 可能出现的独立运动。 一个自由构件在空间具 有6个自由度。
F=3n-2 pl – ph + P′ ●不计引起虚约束的附加构件和运动副数。
F=3n-2 pl – ph
● 虚约束 定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。 计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入
虚约束的运动副或运动链部分除去。 虚约束发生的场合
⑴ 两构件间构成多个运动副
sy
x
O
z
x
x
sz
O
sx 空间运动刚体的自由度
y
平面运动刚体的自由
度为sx，sy，z，即自由度
数 F3。
sy
z
(x , y)
O
x
sx
平面运动刚体的自由度
观察图示两构件组成的圆柱副
y
两构件保留的相对运动
sz和z，即自由度数 F 2。
sz
两构件之间受限制的相对运动 z
O x
sx，sy ，x和y，即约束数 s 4。 z
弹簧力封闭
重力封闭
3、运动链
◆ 运动链:指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运 动的系统。
★ 闭链: 运动链 的各构件构成首 尾封闭的系统。
★ 开链: 运动 链的各构件未 构成首尾封闭 的系统。
★平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 ★ 空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。
2. 约束：指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独 立运动所受到的限制。
运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。
运动副引入的约束数：最多为5个。
刚体的自由度 一个完全独立的刚体 在空间直角坐标系下的自
由 度 为 sx ， sy ， sz ， x ， y，z ，即自由度数 F
6。
z
z
y
y y
螺旋副
Helical pair 空间V 级低副
轴承 Bearing
转动副
Revolute pair 平面V 级低副
铰链 Hinged joint
移动副
Prismatic pair, Sliding pair 平面V 级低副
运动副的封闭 保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。 ● 几何封闭(Geometric closure) ● 力封闭(Forced closure)
分析：
绘制简 图：
C D4
A 1 B
3 2
5
E
6
小结：
:
1. 分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、 原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副 的数目。
2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对 运动的性质，确定运动副的类型和数目;
3. 恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的 运动平面相平行的平面作为投影面。
构件的表示方法
两副构件 三副构件
构件的表示方法
画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。
常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）
在 机 架 上 的 电 机
齿 轮 齿 条 传 动
圆
带 传 动
锥 齿 轮 传
动
来自百度文库用机构运动简图符号（续）
圆
柱
链
杆
传
蜗
动
轮
传
动
外啮
合圆
凸
柱齿
轮
轮传
◆ 结论
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 2 原动件数 ＝ 机构自由度数
二 平面机构自由度的计算
y
(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
运动副符号
两运动构件构成的运动副
两构件之一为固定时的运动副
2
2
2
2
转
动
副
平
1
1
1
1
面
运
动 副
22
2
移
动
1
1
副
2
22
11
1
2
2
22
1 1
2
1 2 1
1
1
22
1 2
1
平 面
平 面
2
运高
动副 副
1
2
螺
1
旋
空副 2
间
1
运
动
副
球
1
面
副
球
2
销
副
2 1
2 1
1
2
2 1
2 1
1 2
1 2
2
1
2 1
杆、轴构件 固定构件 同一构件
运动副举例
球面–平面副 Sphere-plane pair
空间I 级高副
圆柱–平面副 Cylinder-plane pair
空间II 级高副
球面副
Spherical pair 空间III 级低副
球销副
Sphere-pin pair 空间IV 级低副
圆柱副
Cylindric pair 空间IV 级低副
§1-2 平面机构的组成
1. 构件(Link) 机械的独立运动单元，传 递运动和力的载体。 实例：内燃机中的缸体、 活塞、连杆、曲轴等。
内燃机连杆
构件可以是一个零件,也可以由几个零件刚性连接组成。 实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺 母、连杆衬套等相互刚性连接组成。
连杆衬套
螺栓
垫圈 螺母
◆计算机构自由度应注意的事项（续）
★ 虚约束
指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动 副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束， 用P′表示。
注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。 去除虚约束的方法：
●将因虚约束而减少的自由度再加上。 即：
机架
◆原动件: 机构中按给定的 运动规律独立运动的构件。
◆从动件:机构其余活动构件。 ◆ 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。
◆ 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。
平面机构是应用最广泛的机构。 平面运动副的约束数为1 s 2。 点、线接触的平面运动副—平面高副 滚动副 凸轮副 齿轮副
=2
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1
=1
C A
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 = 1
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－ 1 = 1
例: n= 6 , Pl= 8 , Ph =1 (3与5同一构件)
F=3n－2Pl－Ph=3×6－2×8－1 =1 Ｆ＝原动件 →机构有确定运动
第一章 平面机构的结构分析
本章教学目的
◆ 了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度 等概念； ◆ 能绘制常用机构的机构运动简图； ◆ 能计算平面机构的自由度； ◆了解平面机构组成的基本原理； ◆ 掌握平面机构结构分析的方法。
第一章 平面机构的结构分析
本章教学内容
1-1 平面机构的组成 1-2 平面机构的运动简图 1-3 平面机构自由度 1-4 机构的组成原理及结构分析 1-5 平面机构中的高副低代
6
1
2 5
4
3
例题5：破碎机
A B
E
DC
F
G
例题６
平面机构运动简图绘制举例
3 2 1 4
偏心泵
◆ 画机构运动简图的方法
例题7、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。
4. 选择适当的比例尺, 定出各运动副之间的相对位置， 用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动 简图画出来。
5. 从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编 号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其 运动的方向。
§1-3 平面机构自由度
◆问题：取运动链中某个构件为机架，其余 构件在什么条件下才具有确定运动？ ◆ 实例分析
注意：计算机构自由度时, 应将局
部自由度除去不计。
方法一： F=3n-2 pl – ph - F′
=3×3 - 2×3-1-1=1
方法二：假想构件2和3焊成一体
★ 局部自由度
F=3n-2 pl – ph=3×2 - 2×2-1=1
机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运 动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F′表示.