机械设计原理与方法

打好基础，积极自学，注意发展，结合实际
第二章
平面机构的结构分析
2.平面机构的结构分析
2.1 机构结构分析的内容及目的 判断所设计的机构能否运动


判断机构在什么条件下才具有确定的相 对运动(不能任意拼凑） 对机构的结构进行分类
2.2机构的组成


2.2.1 构件 构件是运动的单元 零件是制造的单元 构件可能是一个零件,也可能是几个零件刚性 组合在一起而形成 实例1 曲轴 单一整体 实例2 连杆 刚性组合 （各 零件间 无相对运 动）有连杆体、连杆盖、螺栓、螺母等几个零 件
2.2.4 机构




将运动链中的一个构件加以固定------成为机 架------则这种运动链便可能成为机构 注意:不能运动或无规则乱动的这种运动链并 不能成为机构 研究机构运动,一般可以机架为参照系 原动件------驱动机构运动的外力所作用的那 个构件 从动件------其余的构件
2.3 机构运动简图
3.虚约束(难点)



(3)机构中对运动不起作用的对称部分 (例如行星轮系)(图2-21) (4)被联接构件上点的轨迹和机构上联接 点的轨迹重合(例如火车车轮用联动的平 行四边形机构)(图2-19) 注意！虚约束要求构件有较高的制造精 度和安装精度,否则虚约束就会成为真约 束
F=3×4－2×4－2=2
分析内燃机之连杆机构的运动
构件数:4,固定件:机架,原动件:活塞,从动 件:连杆和曲轴,(活动件数:3) 每两个构件之间的相对运动: 活塞~机架 移动 活塞~连杆 转动 曲轴~连杆 转动 曲轴~机架 转动
选符号
内燃机中的连杆机构运动简图
机构模型的简图
请看课本下册P733-743
22-5 机构具有确定运动的条件 22-6 平面机构的组成原理及 结构分析
平面自由构件有三个自由度
2.平面机构自由度计算公式
设某平面机构共有N个构件,活动构件数 n=N-1, 这些构件自由度总和为3n 当用PL个低副和PH个高副联接,总约束数 为(2PL+PH) 机构的自由度 F=3n-2PL-PH (2-1) (2-1)式即平面机构自由度计算公式,要牢 记
1.运动副和构件的规定符号




表2-1为常用机构运动简图符号 见课本P18-19表2-2 见<机械设计课程设计手册>P7-8表1-15 两构件组成转动副,其表示法如图2-10 两构件组成移动副,其表示法如 图211a,b,c 两构件组成高副,在图中应画出两构件接触处 的曲线轮廓,如图2-11d
2.4 平面机构自由度的计算

2.4.1平面机构自由度计算公式 1.自由度与约束 构件所具有的独立运动数目(或确定构件位置的独立 参变量的数目) 一个作平面运动的自由构件有3个自由度（见图2-15） 约束是指对独立运动所加的限制 当两个构件组成运动副后，受到约束，自由度减少 低副引入2个约束 高副引入1个约束
2.5.2平面机构的结构分类

设杆组由n个构件和PL个平面低副组成 于是,F=3n-2PL=0, 或者,PL=(3/2)n n=2,PL=3的杆组称为Ⅱ级组(图2-24) n=4,PL=6的杆组中常见为Ⅲ级组(都有 一个包含三个低副的构件)(见图2-25)
Ⅱ级杆组
拆杆组
wk.baidu.com级杆组
局部自由度
3.虚约束(难点)


虚约束，所起的限制作用是重复的 虚约束常出现于下列情况(图2-20) （1）两构件构成多个转动副，其轴线互 相重合时，只有一个转动副起约束作用， 其余都是虚约束 （2）两构件构成多个移动副，其导路互 相平行时，只有一个移动副起约束作用， 其余都是虚约束
(1),(2)两种虚约束
怎样学



本课程需要综合应用数学、机械制图、工程材料、机械制造基础、 工程力学等先修课程的知识，偏重于应用。 不强调系统地理论分析及公式推导。 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，着重理解公式建立 的前提及意义和应用。认真及时独立完成每一次作业。 理论联系实际，充分重视结构设计，多观察现有实物或图样，上 好实验课。 注重运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料。要早为课程 设计作准备。 注重创新意识的形成。
低副，
高副
平面机构和空间机构



平面机构与空间机构: 平面机构------所有构件都在同一平面或 相互平行的平面内运动的机构 空间机构------构件之间相对运动为空间 运动的机构 本课程主要研究平面机构及其运动副
运动副


低副又分为转动副和移动副 转动副(回转副)------相对运动为转动 实例:固定铰链(图2-3),活动铰链(图2-5) 移动副------相对运动为直线移动 实例:(图2-6) 平面高副实例:(图2-4齿轮轮齿构成 的)(图2-7凸轮和推杆构成的)
三个实例
2.4.2

先找后算 注意三个问题
1.复合铰链 2.局部自由度 3.虚约束
1.复合铰链


三个或更多个(m个)构件组成二个或(m1)个共轴线的转动副称作复合铰链 不要少算 图2-17
复合铰链
2.局部自由度



是与运动无关的自由度 或者说,是机构中不影响其输入与输出运 动关系的个别构件的独立运动自由度 典型实例:凸轮机构从动杆与滚子应看成 固连在一起作为一个构件来考虑 图2-18,不能多算
1.运动副和构件的规定符号

二副构件 见图2-12 三副构件 见图2-13,其中左图表示一 个构件上的三个转动副中心位于一条直 线上
2.画机构运动简图的步骤

注意！ 先分析,后画图 (1)分析 ①构件数,固定件,活动件(原动件,从动件) ②每两构件之相对运动 (2)画图 注意五点 ①选视图 一般可选平行于机构运动平面的平面 (有时也酌情选择) ②确定机构的一个瞬时位置 各构件应不重叠,使 图面清晰 ③比例尺:μl=实际尺寸(mm)/图示尺寸(mm) ④几何作图 ⑤原动件用箭头标出运动


2.3.1 机构运动简图的用途 使分析或设计机械的问题简化 不考虑与运动无关的因素:构件外形和断 面尺寸,组成构件的零件数目,运动副的具 体构造 只考虑与运动有关的因素:构件数,运动副 的类型和数目,运动副的相对位置
2.3.2 机构运动简图的画法


机构运动简图------是用简单的线条和符 号来代表构件和运动副,并按一定的长度 比例尺表示各运动副的相对位置,这种用 来说明机构各构件间相对运动关系的简 单图形称之为机构运动简图 要正确画出机构运动简图,首先要知道代 表构件和运动副的规定符号(GB446084)
4.机构与机器的特征有何不同？

机器有三个特征 机构具有机器的前两个特征 机器的三个特征是： （1）它们都是一种人为的实物（机件）的 组合体。 （2）组成它们的各部分之间都具有确定的 相对运动。 （3）能够完成有用的机械功或转换机械能。
为什么要学
本课程是本专业的一门必修的重要 专业基础课 本课程是学习许多后续课程和从事 机械设备设计的基础

3.机构具有确定运动的条件



因为机构自由度还说明机构作确定运动 所需给定的独立运动参数的数目,而一个 原动件给定一个独立参数 例如电动机转子给定一个独立参数α 所以,机构具有确定运动的条件是: 机构的原动件的数目=机构的自由度数
实例（图2-16）（图2-14b）



原动件数目小于机构自由度数，运动不 确定 原动件数目大于机构自由度数，不能运 动 原动件数目等于机构自由度数，运动是 确定的
转动（回转）副，移动副，高副
2.2.3 运动链



若干构件通过运动副联接起来所构成的系统-------称为运动链 运动链分为闭式和开式 闭式运动链------每个构件至少包含两个运动 副元素(图2-9c,2-9d) 开式运动链------运动链中有的构件只包含一 个运动副元素(图2-9a,2-9b) 生产中通常应用闭式链 少数机械也有采用开式链的,如机械手和机器 人
曲轴（单一），连杆（组合）
运动副


2.2.2 运动副及其分类 运动副定义:两构件直接接触组成能相对运动 的联接称为运动副 实例:轴承,轮齿啮合(见图2-3,2-4) 运动副元素:构成运动副的点、线、面 高副与低副: 点或线接触---------高副 面接触 ------------- 低副
机械设计原理与方法
第一章 绪论
绪论中将介绍三个问题
一.学什么 二.为什么要学 三.怎样学

学什么
内容，要求，术语，区别
1.本课程的主要内容
机械设计原理与方法课程,是将传统的 <机械原理>和<机械设计 >以及<公差配 合与技术测量>三门课程的主要内容有机结合的一 门课程。 本课程的研究对象是机械。而机械则是机器与机构的总称。（在 后面的3.术语中再详细说明） 本课程的研究内容大体为以下三部分： 1.机械的组成原理及机械运动学与动力学,机械系统方案设计理论与 方法; 2.机械零部件的参数设计及结构设计的基本原理与方法; 3.机械精度设计的基本原理与方法。
2.6 平面机构的高副低代



高副低代必须满足的条件: (1)代替前后机构的自由度完全相同 (2)代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速 度完全相同 平面高副,可用一杆两低副代一高副 (详见图2-26,2-27,2-28,2-29)
一杆两低副代一高副
F=3×3－2×4=1 （F≠3×4－2×6=0）
例题F=3×7-2×9-1=2
2.5 机构的组成原理及平面
机构的结构分类


2.5.1 机构的组成原理 F(机构)=F(原动件)+F（从动件) 一个原动件具有一个自由度 机构自由度数=原动件数目 ∴F=1(1/个)×F(个)+0 因此,从动件系统的自由度为零 从动件系统还可分解为若干个不可再分的自由度为零 的运动链(杆组) 机构由机架﹑原动件﹑杆组所组成(见图2-23)
3.术语

机器------机器是执行机械运动的装置,它用来 变换或传递能量、物料与信息。 动力机器--------------有电动机、内燃机 工作机器--------------有机床和汽车等 信息机器--------------有打字机等 机构------是实现预期的机械运动的实物 组合体 例如，内燃机由连杆机构、凸轮机构、齿轮机 构组成

2.本课程的基本要求



了解平面机构的组成原理 能对简单机构进行运动分析及力分析 能按几种常见已知条件设计平面四杆机构 了解盘形凸轮轮廓曲线的设计方法 掌握几种常用传动基本参数和结构设计方法 了解轮系设计方法 了解几种其他常用机构 掌握飞轮转动惯量之简易计算法 了解刚性转子静动平衡原理 掌握简单机械运动方案设计的步骤与方法 能按国家标准在简单机械装置的装配图和零件图上标 注尺寸公差和形位公差