《机械设计基础(第4版)》教学课件—03计算单缸内燃机的自由度

n2 A
1
B n
虚约束
夯实理论
（4）转动副M连接前后连杆上M点的运动轨迹互相重合。
处理方法
虚约束
计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。
夯实理论
两构件两点间未组成运动副前距离保持不变，两点间用另一 构件连接时，将产生虚约束。
处理方法 计算中应将产生虚约束的构件 及运动副一起除去不计。
虚约束
任务实施
1.设计要求与数据 计算图示单缸四冲程内燃机的自由度 2.设计内容 确定该机构中机构中PL、PH、的数量， 计算机构自由度。
任务实施
3.设计步骤、结果及说明 （1）机构运动副分析 活塞与连杆；连杆与曲轴；小齿轮、大齿轮与机架构成5个转动副； 活塞与机架；顶杆与机架均构成3个移动副； 小齿轮与大齿轮；凸轮与滚子之间均构成4个高副。 机构中滚子自转为2个局部自由度，去除局部自由度。 （2）机构自由度计算 机构中 n = 7, PL = 8, PH = 4 其自由度为 F = 3n – 2PL – PH=3×7 – 2×8 – 4= 1
F = 3n－2PL – PH
= 3×5－2×7 – 0 =1
C处为复合铰链
3 B
2
C 5
4
A1
D
E 6
F
夯实理论
（二）局部自由度 与机构原动件和从动件的运动传递无关的构件的独立自由度。
计入局部自由度时 n = 3 ， PL= 3 ， PH = 1
F = 3n－2PL – PH
=3×3 - 2×3- 1 =2 与实际不符合
通过对单缸四冲程内燃机自由度的计算，来判定通过运动副相连起来的构 件系统是否为机构，以及机构是否具有确定的相对运动。
任务目标
（1）掌握平面机构自由度的计算方法，能准确识别机构中的复合铰链、 局部自由度和虚约束。
ຫໍສະໝຸດ Baidu（2）掌握平面机构具有确定运动的条件。
夯实理论
一、力学的基本概念 （一）力
力是物体之间相互的机械作用。 力对物体产生内、外效应。 力的三要素 大小、方向和作用点。 单位 牛（N）或千牛（KN）表示。 力是矢量，用一条有向线段表示。
夯实理论
外效应
内效应
夯实理论
（二）自由度 作平面运动的构件相对于定参考系具有的独立运动数目。
自由度
夯实理论
（三）约束 对构件的运动起限制作用的物体。
约束对自由度的影响
夯实理论
柔性约束
光滑面约束
光滑圆柱铰链约束
固定端约束
夯实理论
二、自由度的计算和机构具有确定运动的条件
计算公式
设 n：机构中活动构件数； PH ：机构中高副数；
2
1 2
A
B
处理方法
计算中只计入一个转动副。
虚约束
夯实理论
（2）两构件组成多个移动副
1
A
B
2
处理方法 计算中只计入一个移动副。
虚约束
C F
夯实理论
（3）两构件组成多处接触点公法线重合的高副
两构件1、2在A、B点构成平面高副， 且接触点A、B处的公法线n-n彼此重合。
处理方法 计算中只计入一个高副。
机械设计基础 (第四版)
机械设计基础 (第四版)
项目一
单缸四冲程内燃机的机构表达
任务三 计算单缸四冲程内燃机的自由度
工程实例
单缸四冲程内燃机
任务分析
单缸四冲程内燃机，包括曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构，主要功 用是传递运动和动力，或改变运动的形式和运动轨迹。当原动件活塞按给定的 运动规律上下运动，其余构件的运动是否是完全确定的。
n = 4, PL = 5, PH = 1 F = 3n – 2PL– PH
培养技能
改进设计不合理的机构 当机构自由度为0时，为使机构具有确定的运动，采取方法
1、增加一个构件和一个低副
F = 3n – 2PL – PH= 0
机构不能运动
F’= 3（n+1）– 2（PL+1）– PH= 3n – 2PL – PH + 3 –2=1
2、把一个低副改为高副
F = 3n – 2PL– PH= 0
夯实理论
（5）机构中对运动不起独立作用的对称部分
处理方法
虚约束
计算中应将对称部分除去不计。
夯实理论
虚约束
夯实理论
例1 n = 7, PL = 10, PH = 0 F = 3n – 2PL – PH =3×7 – 2×10 – 0 =1
例2 n = 3, PL = 4, PH = 0 F = 3n – 2PL– PH =3×3 – 2×4 – 0 =1
则 F = 3n - 2PL - PH
计算实例
PL ：机构中低副数； F ：机构的自由度数；
1
4
B
A
n = 3, PL = 4, PH = 0 F = 3n - 2PL- PH
=3×3 – 2×4 – 0
=1
2
3
4
C
D
夯实理论
夯实理论
1
2
3 没有相对运动，不能构成机构
机构具有确定的运动
夯实理论
机构不能运动
F’= 3n – 2（PL–1）–（PH+1）= 3n – 2PL – PH +2 –1=1
培养技能
例3 简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘 出修改后的机构运动简图。
n = 3, PL = 4, PH = 1 F = 3n – 2PL– PH
=3×3 – 2×4 – 1= 0 机构不能运动
2
3
2
3
1
1
复合铰链
夯实理论
图示
复合铰链常见场合
运动副类型
图示
杆1、2与机架3形成 两个转动副
运动副类型
杆1滑块2与滑块3形 成两个转动副
杆1、2与滑块3形成 两个转动副
杆1滑块3齿轮2形成 两个转动副
杆1滑块2与机架3形 成两个转动副
齿轮1滑块2与机架3 形成两个转动副
夯实理论
n = 5, PL = 7, PH = 0
局部自由度
夯实理论
处理方法 应除去局部自由度，即把滚 子和从动件看作一个构件。
n = 2 ， PL = 2 ， PH = 1 F = 3n – 2PL – PH
= 3×2 – 2×2 –1 = 1 与实际相符
夯实理论
（三）虚约束 机构中与其他约束重复而对机构运动不起新限制作用的约束。 （1）两构件组成多个转动副
机构具有确定的运动
机构不具有确定的运动
夯实理论
结论 机构原动件个数=机构的自由度数目 平面机构具有确定运动 机构原动件个数＜自由度数数目 机构无确定运动，首先沿阻力最小的方向运动。 机构原动件个数＞自由度数数目 导致机构中最薄弱构件或运动副损坏 。
夯实理论
三、平面机构中的特殊结构 （一）复合铰链 两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连。 推理：m个构件时，有m – 1个转动副。