机械设计基础第三章平面连杆机构

❖ 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
所带入的运动副）去掉
3
❖ 结论
F＝3n－2PL－PH ＝3 2－2 －2 1
F＝3n－2PL－PH ＝3 2－2 －3 1
4、排气阀 5、连杆 6、曲轴
2020/2/10
7、凸轮 8、顶课件杆 9、10齿轮
19
绘出图所示泵结构的构件图
1、偏心圆盘 2、带环的柱塞 3、摆动盘 4、机架
2020/2/10
课件
20
2020/2/10
课件
21
2020/2/10
课件
22
机械设计基础 —— 平面连杆机构
例题：破碎机
2020/2/10
2020/2/10
课件
9
机械设计基础 —— 平面连杆机构
平面副
y
y x
o
x
o
n n
t
t
t
n
低副：转动副、移动副( 高副：齿轮副、凸轮副(点、
面接触)
线接触)
2020/2/10
课件
10
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
2020/2/10
课件
螺旋副
11
机械设计基础 —— 平面连杆机构
＝1
34
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
2 1
2
3
1
53
A
B
4
4
F＝3n－2PL－PH
F＝3n－2PL－PH ＝3 －3 2 4－ 0
F＝3n－2PL－PH ＝3 －4 2 －6 0
❖ 计算步骤:
确定活动构件数目
确定运动副种类和数目
❖ 空间低副: 螺旋副、球面副、圆柱副 （面接触） ❖ 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
3
C(C2,C3)
动画
2B
1
D
A 4
F＝3n－2PL－PH ＝3 3－2 －4 0 ＝1
2020/2/10
课件
36
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
机械设计基础 —— 平面连杆机构
第3章 平面连杆机构
3-1 平面机构的运动简图和自由度 3-2 平面四杆机构的基本类型 3-3 平面四杆机构的特点及设计
基本要求:
❖掌握基本概念
❖熟练掌握机构运动简图的绘制
❖熟练掌握机构自由度的计算方法
❖掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法
2020/2/10 ❖掌握平面四杆机构的工作课特件性
1
2
3
F＝3n－2PL－PH
5
＝3 3－2 －3 2
4
＝1
2020/2/10
课件
37
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
2
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
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
2020/2/10
课件
38
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 自由度计算小结
❖ 自由度计算公式:
F＝3n－2pl－ph
机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)
运动副分类
❖ 按接触形式分类 ❖ 按相对运动分类
2020/2/10
课件
6
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
高副
2020/2/10
高副
o
x
空间低副 平面低副 平面低副
课件
7
机械设计基础 —— 平面连杆机构
零件
静联接
构件
动联接 机构
与动力
机器
(运动副)
源组合
2020/2/10
课件
4
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
2020/2/10
y
o
x
课件
5
机械设计基础 —— 平面连杆机构
课件
33
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
3
3
2Fra Baidu bibliotek
2 1
2020/2❖/10 目的：为了改善构件的受课件力情况
1
F＝3n－2PL－PH ＝3 2－2 －2 1
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
闭链
2020/2/10
开链
课件
原动件 1
2 从动件 3
机构
机架 4
12
机械设计基础 —— 平面连杆机构
四、平面机构的运动简图
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
1 机构自由度 >0
2 2020/2/10 原动件数 ＝ 机构自由度课件数
29
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 几种特殊结构的处理
②
2
3
5
2
3
5
1
6
1
6
4
F ＝ 3n－2pl－ph ＝ 3 －52 －6 0
＝3 错
4
F ＝ 3n－ 2pl－ph ＝ 3 －5 2 －7 0
＝1 对
(1) 复合铰链 —计算在内
＝3 3－2 －4 0 ＝ 1
对
＝0 错
＝1 2020/2/10
课件
35
机械设计基础 —— 平面连杆机构
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 掉来计算
❖ 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
❖ 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
2020/2/10
课件
17
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 例题：内燃机
2020/2/10
课件
18
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
2
❖ m个构件(m>2)在同一处构成转动副
3
5
❖ m-1个低副
3
2020/2/10
课件 2
m个构件,
5 m-1个铰链
30
1
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
2
x
❖ 机构自由度F： F=3n - ( 2pl + ph )
F=3n - 2pl - ph
2020/2/10
课件
27
机械设计基础 —— 平面连杆机构
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
通用零件、专用零件
❖ 构件可以由一个零件组成 ❖ 也可以由几个零件组成
2020/2/10
课件
2 从动件 3
1 原动件
机架 4
3
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
机械
机器
原动构件
构件 从动构件
零件
通用零件 专用零件
机构
机架
A B
E
DC
F
G
课件
23
机械设计基础 —— 平面连杆机构
例题：
3
C23 4
2
B12
1
A14
C234
3
2
4
B12
1
4
A14
2020/2/10
课件
24
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
❖ 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
2020/2/10
F＝3n－2pl－ph ＝3 3－2 3－1 ＝2
错
课件
F＝3n－ 2pl－ph ＝3 2－2 2－1 ＝1
对
31
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
A
A
F =3n－2pl－ph
F =3n－2pl－ph
= 3 2－2 3－0=0 = 3 3－2 5－0= -1
F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动
E
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－0= 2
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：
❖ 转动副 ❖ 移动副
❖ 高副（齿轮副、 凸轮副）
2020/2/10
课件
２
16
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
=2
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1
=1
C A
F =3n－2pl－ph = 3 2020/2/10 3－2 4－ 0 = 1
F =3n－2pl－ph 课件= 3 4－2 5－ 1 = 1
28
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 机构具有确定运动的条件
C
B
B
D
D
E
B
C
C
A
1
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
2020/2/10
课件
2
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
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
2020/2/10
课件
8
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 （面接触） ❖ 平面高副: 齿轮副、凸轮副 （点、线接触）
2020/2/10
课件
13
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
4 小结
2020/2/10
课件
25
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 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
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)
❖ 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
2020/2/10
课件
14
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
2020/2/10
课件
15
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 运动副的表示方法
y R=2
o
2020/2/10
x
y R=2
n
xt
R=1
t
o
课件
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
26
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
y 1
未连接前总自由度： 3n
Ｏ
连接后引入的总约束数： 2pl+ph
之一为 虚约束 2
对 ＝1
2020/2/10
＝-1
课件
错
1
32
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 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
2020/2/10