机构的结构分析

第二章机构的结构分析

教学目的：（1）明确构件、运动副、约束、自由度、运动链及机构等重要概念；

（2）能绘制简单机械的机构运动简图；

（3）掌握平面机构的自由度计算，并判断其具有确定运动的条件；

（4）了解平面机构的组成原理。

课时安排：4h

重点难点：重点—平面机构自由度计算；难点—绘制机构运动简图、自由度计算时注意事项的处理。

§2-1 机构结构分析的内容及目的

1．研究机构的组成及其具有确定运动的条件

目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联，以及怎样的结构才能保证机构中各构件具有确定的相对运动。

2．按结构特点对机构进行分类

不同的机构有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。

3．绘制机构运动简图

研究机构特性的工具。

4．研究机构的组成原理

研究按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。

§2-2 机构的组成

一、构件

从制造加工角度：机械由零件组成。零件——制造单元体

从运动功能角度：机械由机构组成，而机构由构件组成。构件——独立运动的单元体

注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接。

二、运动副

1．定义：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。

2．运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。

3．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，作平面运动时有3个自由度。

4．约束：指通过运动副联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。

5．运动副分类

1）按运动副相对运动形式分

转动副、移动副、螺旋副、球面副等

2）按运动副引入的约束数分

Ⅰ级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副、Ⅳ级副、Ⅴ级副

3）按运动副接触形式分

低副：两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副；

高副：凡两构件系通过点或线接触而构成的运动副统称为高副。

4）按运动副的运动空间分

平面运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副；

空间运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。

三、运动链

指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。

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。

四、机构

机构：在运动链中将某一构件加以固定（机架），另一个或几个构件（原动件）按给定运动规律运动时，而其余构件（从动件）都具有确定的运动，则运动链便成为机构。

分为：平面机构和空间机构

§2-3 机构运动简图

一、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。

机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。根据该图可以方便的对机械进行分析或设计。绘制机构运动简图是工程技术人员必备的基本技能。

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。

二、常用运动副、构件和常用机构的表示方法（见表2-1、表2-2、表2-3）

三、机构运动简图的绘制

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，以确定构件的数目。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。

2．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。

3．选择适当的比例尺绘图：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。

4．标注：用字母给运动副标号，用数字给构件标号，同一构件用焊接符号固联，原动件用箭头表示，机架加阴影线。

例2-1：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图

例2-2：绘制图示模型的机构运动简图

§2-4 机构具有确定运动的条件

问题：取运动链中某个构件为机架，并确定原动件后，其余构件在什么条件下才具有确定运动？ 机构的自由度F ：机构有确定运动时必须给定的独立运动参数的数目。

实例分析一：铰链四杆机构

给定一个独立运动参数，余构件有确定运动，即机构的F=1。

机构中给定独立运动参数的构件称为原动件。原动件=F

实例分析二：铰链五杆机构

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。

机构的F=2，原动件数=2

结论：机构具有确定运动的条件为：F>0，且原动件数=机构自由度数F

§2-5 机构自由度的计算

平面自由构件：3个自由度；平面低副：引入2个约束；平面高副：引入1个约束

假设平面机构有n 个活动构件：有3n 个自由度；有P l 个低副和P h 个高副：引入(2P l +P h )约束。平面机构自由度的计算公式

3(2)l h F n p p =-+

§2-6 计算机构自由度应注意的事项

一、复合铰链

两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。m 个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。

二、局部自由度