機械設(shè)計原理 第二章課件

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1、1/8/2024第第2 2章章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2-1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的2-2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成2-3 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖2-4 機構(gòu)機構(gòu)具有確定運動的條件具有確定運動的條件2-5 機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算2-6 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項2-7 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析返回返回2-1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是主要內(nèi)容及目的是：研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的畫法；了解機構(gòu)具有確定運動的條件；研究機構(gòu)的組成

2、原理及結(jié)構(gòu)分類。2-2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成1.構(gòu)件零件是機器中的一個獨立制造單元體；構(gòu)件是機器中的一個獨立運動單元體。從運動來看，任何機器都是由若干個構(gòu)件組合而成的。任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞 構(gòu)件往往是由若干零件剛性地聯(lián)接在一起的獨立運動的整體真實連桿連桿體連桿頭螺栓螺母墊圈 為兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的表面。是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動聯(lián)接。2-2 機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成2.運動副運動副運動副元素例軸與軸承、圓柱面與圓孔面棱柱面與棱孔面兩輪輪齒曲面 空間兩構(gòu)件構(gòu)成的運動副，其自由度 f 和約束數(shù) s 滿足 f +s =6滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。3）按

3、其相對運動形式分轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副還可分為平面運動副與空間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副：點、線接觸的運動副低副：面接觸的運動副（1）運動副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：級副、級副、級副。機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成(2/4)3.運動鏈構(gòu)件通過運動副的聯(lián)接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈（簡稱閉鏈）開式運動鏈（簡稱開鏈）平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB446084）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成(3/4)但當(dāng)機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的。按給定已知運動規(guī)律獨立運動

4、的構(gòu)件；4.機構(gòu)具有固定構(gòu)件的運動鏈稱為機構(gòu)。機 架原動件從動件機構(gòu)中的固定構(gòu)件；機構(gòu)中其余活動構(gòu)件。平面鉸鏈四桿機構(gòu) 機構(gòu)常分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)兩類，其中平面機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構(gòu) 一般機架相對地面固定不動，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件機構(gòu)的組成機構(gòu)的組成(4/4)不嚴(yán)格按比例繪出的，只表示機械結(jié)構(gòu)狀況的簡圖。根據(jù)機構(gòu)的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，2-3 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖 在對現(xiàn)有機械進行分析或設(shè)計新機器時，都需要繪出其機構(gòu)運動簡圖。1.何謂機構(gòu)運動簡圖？例 內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡

5、圖。機構(gòu)運動簡圖 采用運動副及常用機構(gòu)運動簡圖符號和構(gòu)件的表示方法，將機構(gòu)運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構(gòu)示意圖內(nèi)燃機及其機構(gòu)運動簡圖內(nèi)燃機及其機構(gòu)運動簡圖舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當(dāng)比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構(gòu)的符號，最后用簡單線條連接，即得機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖(2/2)2.機構(gòu)運動簡圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機械的構(gòu)造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運動副的類別及其位置；內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖繪制顎式破碎機機構(gòu)運動簡圖繪制2-4 機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件一個機構(gòu)在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運

6、動呢？先來看兩個例子：例1 鉸鏈四桿機構(gòu)例2 鉸鏈五桿機構(gòu)若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動不確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定。機構(gòu)的自由度 結(jié)論 機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。機構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。如果原動件數(shù)F,則機構(gòu)的運動將不完全確定；則會導(dǎo)致機構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件(2/2)結(jié)論：機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度的數(shù)目。2-5

7、機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算1.平面機構(gòu)自由度的計算（1）計算公式F3n式中：n為機構(gòu)的活動構(gòu)件數(shù)目；pl 為機構(gòu)的低副數(shù)目；ph為機構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構(gòu)F3n(2plph)33 24 012）鉸鏈五桿機構(gòu)F3n(2plph)34 25 02(2plph)3）內(nèi)燃機機構(gòu)F3n(2plph)36 27 31機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算(2/4)問題問題1：復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運動副。聯(lián)接所構(gòu)成的運動副。解決方案解決方案k 個構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，個構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，實際上構(gòu)成了實際上構(gòu)成了

8、(k-1)個轉(zhuǎn)動副。個轉(zhuǎn)動副。F=35-27=12-6 計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題B、C、D、E處都是處都是由三個構(gòu)件組成的復(fù)由三個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，各有合鉸鏈，各有2個轉(zhuǎn)個轉(zhuǎn)動副動副場合一：兩個構(gòu)件之間形成多個運動副場合一：兩個構(gòu)件之間形成多個運動副 F=31-22=-1 解決方案解決方案計算機構(gòu)自由度時，不考慮虛約束的作用，認為計算機構(gòu)自由度時，不考慮虛約束的作用，認為兩個構(gòu)件之間只形成一個運動副兩個構(gòu)件之間只形成一個運動副 F=31-21=1兩個構(gòu)件之間形成多個與導(dǎo)路重合或平行的移動副兩個構(gòu)件之間形成多個與導(dǎo)路重合或平行的移動副2)兩構(gòu)件構(gòu)成多個運動副兩構(gòu)

9、件構(gòu)成多個運動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，其軸線互相重合副，其軸線互相重合時，只有一個轉(zhuǎn)動副時，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用。起約束作用。兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，其導(dǎo)路兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，其導(dǎo)路互相平行時，只有一個移動副起互相平行時，只有一個移動副起約束作用。約束作用。兩構(gòu)建在多處相接觸構(gòu)成平面兩構(gòu)建在多處相接觸構(gòu)成平面高副，且各接觸點的公法線彼高副，且各接觸點的公法線彼此重合，只能算一個平面高副。此重合，只能算一個平面高副。兩構(gòu)件在多處相接觸構(gòu)成平面高副，在各兩構(gòu)件在多處相接觸構(gòu)成平面高副，在各接觸點的公法線彼此不重合，算接觸點的公法線彼此不重合，算2個平面高個平面高副，或者是一個

10、復(fù)合高副，分別相當(dāng)于一副，或者是一個復(fù)合高副，分別相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)動副和一個移動副。個轉(zhuǎn)動副和一個移動副。解決方案解決方案計算機構(gòu)自由度時，假想滾子和安裝滾子計算機構(gòu)自由度時，假想滾子和安裝滾子的構(gòu)件固接為一個整體，成為一個構(gòu)件的構(gòu)件固接為一個整體，成為一個構(gòu)件或在計算結(jié)果中去除局部自由度或在計算結(jié)果中去除局部自由度 問題問題2：局部自由度局部自由度 某些構(gòu)件具有的只影響自身局部運動而不影響其它構(gòu)件運動的自某些構(gòu)件具有的只影響自身局部運動而不影響其它構(gòu)件運動的自由度，經(jīng)常發(fā)生在將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的場合。由度，經(jīng)常發(fā)生在將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的場合。2、要除去局部自由度、要除去局部自由度去掉局部

11、自由度算法去掉局部自由度算法保留局部自由度算法保留局部自由度算法 滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動為一個局部自由度，在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將 F從計算公式中減去，即例2 滾子推桿凸輪機構(gòu)解F3n(2plph)F故凸輪機構(gòu)的自由度為F33(231)113.要除去虛約束 虛約束是指機構(gòu)中某些運動副帶入的對機構(gòu)運動起重復(fù)約束作用的約束，以 p表示。例3 平行四邊形四桿機構(gòu)F3n(2plph)F33(240)01計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(3/6)當(dāng)增加一個構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F，且BE AF，則F3n(2plph)F34(260)00原因：構(gòu)件5 和兩個轉(zhuǎn)動副E、F 引入的

12、一個約束為虛約束。在計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)從機構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p，故F3n(2plph p)F如平行四邊形五桿機構(gòu)的自由度為F34(2600)01計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(4/6)（1）軌跡重合的情況 在機構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接的是兩個構(gòu)件上運動軌跡相重合的點，該聯(lián)接將帶入1個虛約束。例如橢圓儀機構(gòu)（圖中：CAD90，BCBD）。顯然，轉(zhuǎn)動副C所聯(lián)接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿聯(lián)接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點的情況 在機構(gòu)運動過程中，如果兩構(gòu)件上兩點之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約

13、束。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(5/6)4機構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機構(gòu)就屬于此種情況。顯然，構(gòu)件 5和轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復(fù)的情況 在機構(gòu)中，不影響機構(gòu)運動傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機構(gòu)運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構(gòu)的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p2。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(6/6)例例2-8 試計算圖試計算圖2-22所示某包裝機所示某包裝機送紙機構(gòu)的自由度送

14、紙機構(gòu)的自由度，并判斷該并判斷該機構(gòu)是否具有確定的相對機構(gòu)是否具有確定的相對運動。運動。=構(gòu)件構(gòu)件+運動副運動副 運動鏈運動鏈 機構(gòu)機構(gòu)機架機架原動件原動件從動件組合從動件組合F=0基本桿組：最簡單的不可再拆的自由度為零的構(gòu)件組，基本桿組：最簡單的不可再拆的自由度為零的構(gòu)件組，簡稱為桿組。簡稱為桿組。2-7 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu) 分類及結(jié)構(gòu)分析分類及結(jié)構(gòu)分析 任何機構(gòu)都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構(gòu)成的。不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組，也稱阿蘇爾或桿組。2-7 平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu) 分類及結(jié)構(gòu)分析分類及結(jié)構(gòu)分析1

15、.平面機構(gòu)的組成原理例 顎式碎礦機1）基本桿組：2）組成原理：注意：在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。（1）桿組的條件式中n、pl 及 ph 分別為桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。（2）桿組的類型1）級桿組：由2個構(gòu)件和3個低副構(gòu)成的桿組。2）級桿組：由4個構(gòu)件和6個低副構(gòu)成的桿組。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(2/4)3n2plph0全低副桿組的條件：3n2pl0或 n/2pl/3 2.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類3.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）目的：了解機構(gòu)的組成，確定機構(gòu)的級別。（2）方法：1）先計算

16、機構(gòu)的自由度，并確定原動件；2）從遠離原動件的構(gòu)件先試拆級組，若不成；再拆級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構(gòu)的級別。（3）舉例：破碎機機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。1）若取構(gòu)件1為原動件時，此機構(gòu)為級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(3/4)2）若取構(gòu)件5為原動件時，顯然，這種拆法不成。再試拆級組。故此機構(gòu)為 級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(4/4)先試拆級桿組，機架和原動件機架和原動件級桿組級桿組 級桿組級桿組四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)八八桿桿機機構(gòu)構(gòu)機構(gòu)的組成：機構(gòu)的組成：在機架和原動件上每增加

17、一個基本桿組，并不改變原來的在機架和原動件上每增加一個基本桿組，并不改變原來的 自由度，每次增加都可以獲得一個新機構(gòu)；自由度，每次增加都可以獲得一個新機構(gòu)；設(shè)計新機構(gòu)時，在滿足相同工作要求的前提下，機構(gòu)的結(jié)設(shè)計新機構(gòu)時，在滿足相同工作要求的前提下，機構(gòu)的結(jié) 構(gòu)越簡單越好，桿組級別越低越好，運動副數(shù)目越少越好。構(gòu)越簡單越好，桿組級別越低越好，運動副數(shù)目越少越好。F=3n-2P5 P41.4.2 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析是指把機構(gòu)分解為基本桿組、原動件和是指把機構(gòu)分解為基本桿組、原動件和機架，是機構(gòu)組成的反過程，又稱為拆桿組。機架，是機構(gòu)組成的反過程，又稱為拆桿組。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析原則：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析原則：首先，從遠離原動件的部分開始拆分；首先，從遠離原動件的部分開始拆分；試拆時，先試拆低級別桿組；試拆時，先試拆低級別桿組；每拆完一個桿組，剩余的部分仍然是一個完整機構(gòu)。每拆完一個桿組，剩余的部分仍然是一個完整機構(gòu)。I 級機構(gòu)級機構(gòu)II 級機構(gòu)級機構(gòu)III 級機構(gòu)級機構(gòu)機構(gòu)的命名：機構(gòu)的命名：以機構(gòu)中所包含的基本桿組的最高級別以機構(gòu)中所包含的基本桿組的最高級別原動件不同，機構(gòu)原動件不同，機構(gòu)的級別也有可能不同的級別也有可能不同12345678 exercise均為復(fù)合鉸鏈）、DC(8 Bpl=