02 平面机构的结构分析.ppt

第二章 平面机构的结构分析 (Structure Analysis of Planar Mechanisms),一、基本要求,二、重点与难点,重点:,机构运动简图、自由度计算、机构的结构分析,难点:,机构的结构分析,1、了解机构的组成，熟练掌握机构运动简图的绘制方法2、熟练掌握机构自由度的计算方法，能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束3、掌握机构具有确定运动的条件4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别第一节 机构的组成,一、构件(Link),组成机构的每一个具有独立运动的单元体称为构件连杆体1连杆盖2轴瓦3、4和5螺栓6螺母7开口销8,二、运动副（kinematic pair）,两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副1、定义,2、运动副的分类,1）平面运动副和空间运动副,构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的称为平面运动副相对运动为空间运动的称为空间运动副，如螺纹副2）高副和低副,高副：两构件通过点或线的接触而构成的运动副低副：两构件通过面接触而构成的运动副转动副：两构件之间的相对运动为转动的低副，也称为铰链。

移动副：两构件之间的相对运动为移动的低副螺旋副,球销副,3）按组成运动副两构件的相对运动形式分类,还有螺旋副、球销副等三、运动链(Kinematic chain),若干构件通过运动副连接而成的可动系统机构中构件的分类： 1、机架(frame):描述运动的参考系，机构中相对不动的构件 2、原动件(driving link):运动规律已知的构件 输入构件 3、从动件(driven link) 输出构件,开式链(open chain),闭式链(close chain),四、机构(Mechanism),若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构一、机构运动简图及其意义 机构运动简图：用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并按照一定的比例尺确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动关系的简单图形意义：机构运动简图不仅可以简明的描述一部机器或机械系统的组成情况，而且运动特性与其实际完全等价人们发现，机构在运动时，各部分的运动是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型、数目及相对位置来决定的，而与构件和运动副的实际结构无关第二节 机构运动简图,二、运动副和构件的表示,1、移动副的表示,2、转动副的表示,3、高副的表示,齿轮副,凸轮副,,,4、构件的表示,,,,,,,,,三、绘制平面机构运动简图的方法和步骤,1、分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。

2、从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件之间的相对运动的性质；确定活动构件的数目、运动副的类型和数目3、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置4、选择比例尺μ l＝构件实际尺寸/构件图样尺寸（单位：m/mm或mm/mm），定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构运动简图例1：试绘制内燃机的机构运动简图1、内燃机由机架（汽缸体）、活塞（原动件）、连杆、曲柄、齿轮、凸轮、推杆（进气阀、排气阀）组成2、活塞与机架间构成移动副；活塞与连杆、连杆与曲柄、曲柄与机架、齿轮（凸轮）与机架间构成转动副；齿轮与齿轮、凸轮与推杆间构成高副3、选择适当的视图平面和适当的机构运动瞬时位置4、选择合适的比例尺，绘制机构运动简图四、举例,例2：如图所示为一偏心轮机构模型图，试绘制其运动简图例3：试绘制图示颚式破碎机的机构运动简图第三节 平面机构的自由度计算,一、平面机构自由度定义,机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目二、约束,对独立运动的限制一个低副引入2个约束F＝ 3n－ 2PL－ PH,三、平面机构自由度F计算,一个高副引入1个约束n—活动构件数,PL—低副数,PH—高副数,例4：求下图所示机构的自由度。

1）构件总数N＝,4,2）活动构件数n＝,3,3）低副数PL＝,4 （3个转动副，1个移动副）,4）高副数PH＝,0,5）F＝ 3n- 2PL- PH,＝3×3－2×4=1,例5：求下图所示航空照相快门机构的自由度1）构件总数N＝,6,2）活动构件数n＝,5,3）低副数PL＝,7 （6个转动副，1个移动副）,4）高副数PH＝,0,5）F＝ 3n- 2PL-PH,＝3×5-2×7,＝1,例6：求下图所示内燃机组成机构的自由度1）活动构件数n＝,7,3）低副数PL＝,8 （5个转动副，3个移动副）,4）高副数PH＝,4,5）F＝ 3n- 2PL- PH,＝3×7-2×8 -4,＝1,四、机构具有确定运动的条件,所谓机构具有确定的运动，是指该机构中所有的构件在任一瞬时的运动都是完全确定的这就意味着该机构的自由度大于零，即满足F>0，否则该构件系统就不是机构若F＝0，则各构件间不可能产生相对运动那F>0运动就确定吗？,1）原动件数<机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）,机构的原动件的独立运动是由外界给定的若给出的原动件数不等于机构的自由度，则将产生如下影响：,2）原动件数>机构自由度数，将杆2拉断。

机构具有确定运动的条件是：,（1）机构自由度 F>0，,（2）机构自由度 F等于原动件数五、自由度计算时的注意事项,1、复合铰链,例7：计算原盘锯主体机构的自由度.,7,低副PL＝,6,活动构件n＝,F = 3n–2PL–PH =3×7-2×6=9,两个以上的构件同时在一处用转动副构成的联结,由K个构件组成的复合铰链应含有(K-1)个转动副7,低副PL＝,②,⑥,⑧,⑨,⑩,10,活动构件n＝,F = 3n–2PL–PH =3×7-2×10 =1,④,2、局部自由度,例题8：计算滚子从动件凸轮机构的自由度n＝ 2,PL＝ 2,①,②,PH＝ 1,①,n＝ 3,PL＝3,PH＝1,F = 3n–2PL–PH =3×3-2×3-1 =2,F = 3n–2PL–PH =3×2-2×2-1 =1,就是与机构运动无关的构件的独立运动3、虚约束,在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束F ＝ 3n- 2PL- PH ＝3×4－2×6=0,例题9：计算下列机构的自由度,且满足AB//CD,AD//BC//MNF ＝ 3n- 2PL- PH ＝3×3－2×4=1,虚约束的处理办法：,将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。

1） 机构中某两构件用转动副相联的联结点，在组成运动副前后，其各自的轨迹重合为一，则此联结带入的约束为虚约束常见的几种虚约束：,F ＝ 3n－ 2PL－ PH ＝3×2－2×2－1 ＝1,F ＝ 3n－ 2PL－ PH ＝3×3－2×4=1,（2）两构件在多处构成多个移动副，且各移动副的导路重合或平行 3）两构件在多处构成多个转动副，且各转动副的轴线重合F ＝ 3n- 2PL- PH =3×2-2×2-1 ＝1,（4）机构中具有对运动不起作用的对称部分F= 3n- 2PL- PH=3×3-2×3-2=1,F ＝ 3n- 2PL- PH ＝3×2－2×2－1 ＝1,（5）两构件构成高副，多处接触，且公法线重合注意：,虚约束是为了改善机构的刚性或受力情况，对机构运动不起作用虚约束是在一定的几何条件下形成的若不能满足此条件，就会形成“实际约束”F = 3n- 2PL- PH=3×6-2×7-2 =2,例10：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束,需明确指出I,例11：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束,需明确指出复合铰链,,局部自由度,1个虚约束,,,复合铰链,I,第四节 平面机构的组成原理和结构分析,一、平面机构的组成原理,F=1,F=0,基本杆组：最简单的F＝0 的构件组，也称为基本杆组，也称阿苏尔杆组。

杆组,组成平面机构的基本杆组自由度：,F ＝ 3n- 2PL- PH=0,若基本杆组中的运动副全为低副，则：,F ＝ 3n- 2PL=0,,n和PL的组合有：,按所含最高杆组级别机构命名方式：如Ⅱ级机构，Ⅲ级机构等杆组的特性（决定机构的特性）1、运动确定性当杆组外接副的运动规律由与其连接的组外构件确定后，组内各构件和内接副的运动也就随之确定2、静力确定性因为杆组的静定，所以可求出各运动副中的反力杆组结构不同，杆组中构件和运动副的配置形式就不同，就具有不同的运动学和动力学特性按照杆组的观点，任何机构都可以由杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成，这就是机构的组成原理优点：用杆组搭接，不会引入多余的约束和自由度，且机构的自由度不变1、结构分析的目的,A）通过将已知机构分解为基本机构和若干基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的类型B）利用机构组成原理搭接新机构1）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构；,2）选择基本杆组搭接新机构二、平面机构结构分析,1）除去机构的局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，确定原动件2）从远离原动件的地方开始拆杆组先试拆II级组，当不可能时再试拆III级组。

但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下I级机构3）确定机构的级别注意：拆杆组前后自由度不发生变化，剩余部分还应是机构，复合铰链应按复合的实际次数进行多次拆卸，原动件不同会直接影响机构拆解次序和结果2、结构分析的步骤,,例12：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机构的级别构件1为原动件）,3,5,该机构为Ⅲ级机构,,例13：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机构的级别构件6为原动件）,该机构为Ⅱ级机构,例14：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组，并确定机构的级别构件7为原动件）,,该机构为Ⅱ级机构,,2、杆组的各个外接副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体注意：,1、杆组的外接副参与搭接，且必须搭在运动已确定处三、高副低代,（一）定义,（二）目的,使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的平面机构三）条件,1.替代前后机构自由度不变2.替代前后瞬时速度、加速度不变用低副代替高副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高副两轮廓接触点的曲率中心四）方法,,,,4,,,注意：对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。

经高副低代后的平面机构，可视为平面低副机构接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心 K1、K2，用铰链四杆机构O1K1K2O2来瞬时代替原高副机构C,当两接触轮廓之一为直线时，直线的曲率中心趋于无穷远，该转动副演化为移动副C,当两接触轮廓之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副就在该点处例14：试对图示机构进行结构分析消除虚约束,消除局部自由度,,,,,,,高副低代,拆Ⅱ级杆组,,,A,拆Ⅱ级杆组,,,拆Ⅱ级杆组,原动件与机架,此机构为Ⅱ级机构,,,,。