1、第2章 机构的结构分析,本章教学内容, 2-1 机构结构分析的内容及目的 2-2 机构的组成 2-3 机构运动简图 2-4 机构具有确定运动的条件 2-5 机构自由度的计算 2-6 计算平面机构自由度时应注意事项 2-7 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析,1、研究机构的组成及机构运动简图的画法2、掌握机构具有确定运动的条件；3、研究平面机构的组成原理及结构分类。,2-1机构结构分析的内容及目的,2.运动副 运动副：指两构件直接接触形成的可动联接。 运动副元素：参与接触而构成运动副的点、线、面。,2-2 机构的组成,按照接触特性把运动副分为低副和高副。,1.构件：机器中每一个独立的运动单元
2、体。,运动副元素不外乎为点、线、面。,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的数目。一个自由构件在空间具有6个自由度。作平面运动的自由构件具有3个自由度。,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=两构件相对自由度减少的数目。,构件自由度与约束,低副：面接触的运动副。,转动副：两构件只作相对转动的运动副。移动副：两构件只作相对移动的运动副。,转动副,移动副,1个低副 带来2个约束,惯性筛机构,齿轮副,凸轮副,高副：点接触或线接触的运动副。,1个高副 带来1个约束,几何封闭运动副: 借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的运动副。
3、力封闭运动副: 借助于力来封闭的运动副。,按运动副的封闭分:,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的运动副。,只讲平面运动副。常用运动副表示符号表2-1.,球面副,常用运动副的符号,3.运动链,运动链:指两个以上的构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统。, 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,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 。,空间运动链,4、
4、机构,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,原动件,机构运动链?,机架,原动件,原动件,机架原动件从动件, 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。,依据机构的运动是平面运动还是空间运动分为：,2-3 机构运动简图,内燃机,一、 机构运动简图的定义及作用,机构的示意图：指仅仅以构件和运动副的符号表示机构， 不要求严格地按比例而绘制的简图。,1、机构运动简图：不考虑那些与运动无关的因素，仅仅用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示运动副的相对位置。这种能准确表达机构
5、运动传递情况的简化图形称为机构运动简图。,作用：利用机构运动简图可以对机构进行结构、运动和动力等的分析。,3.构件的表示方法,2.常见机构运动简图符号 表2-2,步骤：1、首先要搞清楚所绘制机械的结构和动作原理。确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分；2、从原动件开始，按照运动传递的顺序给构件编号，并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；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、标出原动件。,二、机构运动简图的绘制
6、,例1：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。,6,动画演示,例2 ：内燃机,内燃机,2,例1 绘制冲床的机构运动简图 课本P24,冲床,2-5 机构的自由度计算,1、平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。,假设平面机构有n个活动构件： 3n个自由度有PL个低副和PH个高副： 引入(2 PL+PH)约束,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,平面机构的自由度计算公式： F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pL - pH,例3,2-4 机构具有确定运动的条件,F=3n-2 pl ph=3
7、3 - 24-0=1,四杆机构,给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。,机构中给定独立运动参数的构件为原动件。,五杆机构,给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。,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。,给定两个独立运动参数：机构有确定运动。,F=3n-2 pl ph=34 - 25-0=2,机构的自由度F、原动件的数目与机构运动特性之间的关系：,1）F0时 刚性桁架，构件间不能产生相对运动。2）F0时，F原动件数，机构运动不确定（能动但是乱动）； F=原动件数，机构具有确定运动。,结论,机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参数的数目。,2-6
8、计算机构自由度应注意的事项,（1）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。,动画演示,1. 要正确计算运动副的数目,例 7,解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9,解：F=3n-2 pl ph=37 - 210-0=1,八杆机构,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,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,例2参考书参考书（P499 1-6）,只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束;,2）两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。
9、两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。,演示,3）若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供2个约束。,有一处为虚约束,此两种情况没有虚约束,等径凸轮,解：F=3n-2 pl ph=33 - 23-1=2,方法：假想构件2和3焊成一体,F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1,2.局部自由度 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。,注意：计算机构自由度时, 应将局部自由度除去不计。,滚子从动件,3.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
10、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。,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：不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 pl ph,F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0,1）当构件上某点的轨迹为直线时，若在该点铰接一个滑块并使其导路与该直线重合，此时也引入一个虚约束。（机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入虚约束。）,正确计算：不计引起虚约束的附加构件和运动副数。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1,虚约束常出现的情况：,椭圆仪,2）机构运动过程中, 某两构件
11、上的两点之间的距离始终保持不变, 将此两点以构件相联, 则将带入1个虚约束。,F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1,F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0,演示,3）某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。,目的：为了传递较大功率，保持机构受力平衡。,对称机构1、2,小结,存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副,复合铰链,局部自由度,常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：将滚子和杆焊接为一体，计算自由度时将局部自由度减去。,虚约束,存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引
12、起虚约束的构件和运动副除去不计。,例8,1、机构的组成原理,基本杆组：从动件系统中若干个不能再拆的、自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,机架 机架自由度数=0(静止）原动件 原动件数=自由度数从动件 从动件自由度=0,27 平面机构的组成原理、结构分类和结构分析,机构组成原理指把若干个自由度为零基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。,机构的组成原理,机构组成过程,机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。,见图 2-23,注意：在杆组并联时，不能将同
13、一杆组的各个外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用。,2.平面机构的结构分类,对于全低副的杆组：n个构件、pL个低副,n和pl为整数n=2,4,6,根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）只包含两副构件的杆组称为级杆组 n=2，PL=3 常见级杆组的形式为,（2）包含具有三个运动副的刚性构件的杆组称为 级杆组n=4, ，PL=6,（3） IV级杆组结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。,常见的三种形式为,更高级别的杆组,平面机构的结构分类,II级机构 指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。 III级机构 指机构中基本杆组的最高级别为III级的机构。级机构 只由
14、机架和原动件组成的机构称为级的机构。 （杠杆机构、斜面机构）, 机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。,结构分析目的：了解机构的组成，确定机构的级别。,3、平面机构的结构分析,机构的结构分析：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。,机构结构分析步骤,1、正确计算机构的自由度,并确定原动件。2、从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。3、最后定出机构的级别。,注意：同一机构原动件不同，机构的级别不一定相同。,以1为原动件时？,级机构,例3 以7为原动件拆分杆组,级
15、机构,例4 由最原始的图形开始,4、平面机构的低副代替高副法,平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,高副低代方法,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,分析：高副：提供1个约束 低副：提供2个约束,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,瞬时替代机构,高副两元素之一为直线，则转动副演化为移动副。,几种特殊情况：,用1个滑块+1个移动副+1个转动副代替。,因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；,高副两元素之一为一点，点的曲率半径为零。,用1个构件+2个转动副（其中接触点为1个构件的曲率中心）代替。,因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。,例5、计算下列机构的自由度 ,试进行杆组分析，确定该机构的的级别。,作业1、计算下列机构的自由度 ,试进行杆组分析，确定该机构的的级别。,注： HFI=90, FG=GH=GI,2、计算下列机构的自由度 ,试进行杆组分析，确定该机构的的级别。,
