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1、第二章 機構的組成原理和機構類型綜合,,2.1 內容提要及基本概念 2.2 本章重點、難點 2.3 典型例題精解,2.1 內容提要及基本概念,2.1.1 內容提要,掌握平面運動副的類型及其提供的約束條件、運動鏈成為機構的條件、平面機構運動簡圖的繪制方法和步驟、平面機構自由度的計算方法。 了解機構的組成原理。,2.1.2 基本概念復習,構件(link) 獨立的運動單元；零件(part) 獨立的制造單元,1. 機構的組成及運動簡圖1）構件與運動副,內燃機連桿,運動副兩個構件直接接觸組成的仍能產生某些相對運動的連接。 注意：三個條件缺一不可： a)兩個構件，b) 直接接觸，c) 有相對運動 運動副元
2、素兩構件構成運動副的直接接觸的部分（點、線、面） 例如凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。,作者：潘存云教授,運動副的分類： 按引入的約束數分有： I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。 構件受到約束后自由度減少，每加上一個約束，便失去一個自由度，自由度與約束數之和為6。提供一個約束條件的，稱為I級副。其余依此類推。,按相對運動范圍分有 平面運動副平面運動 空間運動副空間運動 例如球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關節(jié)。 平面機構全部由平面運動副組成的機構。 空間機構至少含有一個空間運動副的機構。 按運動副元素分有 面接觸（應力低）的運動副稱為低副，例如轉動副（回轉副）、移動副 ；點、線接觸的
3、運動副（應力高）稱為高副，例如滾動副、凸輪副、齒輪副等。,2）運動鏈和機構,運動鏈兩個以上的構件通過運動副的連接而構成的系統。 分為閉式運動鏈和開式運動鏈兩種。,作者：潘存云教授,,1個或幾個,,1個,,機構將運動鏈中某一構件固定，而其余構件相對于它有確定 運動，此種運動鏈稱為機構 。 機架作為參考系的構件，如機床床身、車輛底盤、飛機機身。 主（原）動件按給定運動規(guī)律相對于機架獨立運動的構件。主 動件往往也是驅動力作用的構件，即原動件。 從動件除主動件之外，其余相對于機架運動的構件。 機構的組成：機構機架原動件從動件,若干,3）平面機構運動簡圖,機構運動簡圖用以說明機構
4、中各構件之間的相對運動關系的簡單圖形。 作用： 表示機構的結構和運動情況。 作為運動分析和動力分析的依據。 機構示意圖不按精確比例繪制的簡圖。 機構運動簡圖符號已經有國家標準，該標準對運動副、構件及各種機構的表示 符號作了規(guī)定，下表中構件和運動副的表示方法。,機構運動簡圖應滿足的條件： 構件數目與實際相同; 運動副的特點、數目與實際相符; 運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構成比例。 繪制機構運動簡圖的思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運動傳遞路線，確定構件數目及運動副的類型，并用符號表示出來。 順口溜： 先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，
5、數數構件是多少，再看它們怎相連。 繪制機構運動簡圖的步驟： 運轉機械，搞清楚運動副的性質、數目和構件數目； 測量各運動副之間的尺寸，選視圖平面（通常選與運動平面平行的平 面），繪制示意圖； 按比例繪制運動簡圖； 檢驗機構是否滿足運動確定的條件。,,,,,顎式破碎機,舉例：繪制破碎機的機構運動簡圖。 分析：該例題中各構件全部由轉動副連接而成，其中O、E、F三處是與機架相連的固定鉸鏈，原動件為AC，作整周旋轉。 難點：關鍵是搞清楚原動構件AC是一個作整周旋轉的偏心輪，不容易看出。,,,,,,,,作者：潘存云教授,,,舉例：繪制圖示偏心泵的運動簡圖 分析：該例題中共有四個構件，三個轉動副，一個移動副
6、。原動件是 一個偏心輪，其上有兩個轉動副。另外一個構件是搖塊，其外形是圓柱，與機架構成轉動副，與深黃色構件（連桿）構成移動副 。 難點：弄清原動構件為一個偏心輪以及搖塊上運動副的特點。,,,偏心泵,平面運動單個自由構件的自由度為 3,2. 機構的自由度計算及機構運動確定的條件1）平面機構的自由度定義：保證機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數稱為機構的自由度。 計算方法： 作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數（x，y, ）才能唯一確定。,運動副 自由度數F 約束數R 回轉副 1（） + 2（x，y） = 3,,,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,結論
7、：構件自由度3約束數自由構件的自由度數約束數,移動副 1（x） + 2（y，）= 3,高 副 2（x,） + 1（y） = 3,經運動副相連后，由于有約束，構件自由度會有變化：,自由構件的自由度數,活動構件數 n,計算公式： F=3n(2PL +Ph ) 要求：記住上述公式，并能熟練應用。,構件總自由度,低副約束數,高副約束數,3n,2 PL,1 Ph,推廣到一般情況： 設一個平面機構，共有n個活動構件，用PL個低副和PH個高副連接。如上所述，一個沒有任何約束的構件作平面運動時具有3個自由度，一個低副有兩個約束條件，一個高副有一個約束條件。因此：,例題 計算曲柄滑塊機構的自
8、由度。,解：活動構件數n = 3 低副數PL = 4 高副數PH = 0,F = 3n 2PL PH = 33 24 = 1,例題 計算五桿鉸鏈機構的自由度。,解：活動構件數n = 4 低副數PL = 5 高副數PH = 0,F=3n 2PL PH =34 25 =2,例題 計算圖示凸輪機構的自由度。,解：活動構件數n = 2 低副數PL = 2 高副數PH = 1,F=3n 2PL PH =32 221 =1,2）機構具有確定運動的條件,作者：潘存云教授,,機構運動確定條件實例,,,,鉸鏈四連桿機構 鉸鏈五連桿機構,機構運動確定條件實例,,,,
9、剛性桁架 剛性桁架,F0時，機構蛻變?yōu)閯傂澡旒?，構件之間沒有相對運動。 F0時， 原動件數小于機構的自由度，各構件沒有確定的相對運動； 原動件數大于機構的自由度，則在機構的薄弱處遭到破壞。 機構具有確定運動的條件： F0 機構的原動件的數目=機構的自由度的數目, 復合鉸鏈。 兩個以上的構件在同一處以轉動副相連。 每兩個構件之間構成一個轉動副，因此，當有m個構件在同一處以轉動副相連時，有m1轉動副。,此處有兩個低副,例題 求圖示圓盤鋸機構的自由度。,解：在B、C、D、E四處各有三個構件形成復合鉸 鏈，每處有 2 個運動副，因此有 活動構件數 n = 7 低副數P
10、L = 10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,如果不考慮復合鉸鏈，低副數目為6個，則計算的自由度數為9，顯然計算有誤！,圓盤鋸機構,3）計算平面機構自由度時應注意的事項,例題計算圖示兩種凸輪機構的自由度。,解：如果不考慮局部自由度，那么有 n=3 , PL = 3, PH = 1,F = 3n 2PL PH = 33 23 1 = 2,對于右邊的機構，有： F=32 22 1=1,第一例計算結果顯然有誤。事實上，當凸輪轉速一樣時，兩個機構中從動件的運動完全相同，且兩個機構的 F=1。 加裝滾子的好處在于將滑動摩擦變成滾動摩擦以減小摩擦力。,局部自由度。,定義：構
11、件局部運動所產生的自由度。 局部自由度常出現在加裝滾子的場合，計算機構自由度時應去掉。否則會出錯。,解：若套用公式直接計算有 n=4，PL=6，PH=0 F = 3n 2PL PH = 34 26 = 0 事實上，該機構是可以運動的，老式的蒸汽機火車頭車輪驅動就采用了該機構。,虛約束:對機構的運動實際不起作用的約束。 計算自由度時應去掉虛約束。,因為 AB CD FE ，故增加構件4前后E點的軌跡都是圓弧。增加了構件4 ，帶來3個自由度，同時多了2個轉動副，帶來了4個約束。但增加的約束不起作用，應去掉構件4后變?yōu)橄聢D，重新計算得 F=1。,例題已知：ABCDEF，計算
12、圖示平行四邊形機構的自由度。,,特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：,出現虛約束的場合： a.兩構件連接前后，連接點的軌跡重合；,b.兩構件構成多個移動副，且導路平行。,如平行四邊形機構，火車輪，橢圓儀等。,,d.運動時，兩構件上的兩點距離始終不變。,c.兩構件構成多個轉動副，且同軸。,e.對運動不起作用的對稱部分。如多個行星輪。,,,虛約束,虛約束,虛約束,虛約束,虛約束,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,f.兩構件構成高副，兩處接觸，且法線重合,如等寬凸輪。,,注意： 法線不重合時，變成實際約束！,,,注意：各種出現虛約束的場合都是有條件的 ! 虛約束的作用： 改善構件的受力情況，如多
13、個行星輪。 增加機構的剛度，如軸與軸承、機床導軌。 使機構運動順利，避免運動不確定，如車輪。,虛約束,虛約束,高副低代：為了使平面低副機構的運動分析和動力分析方法能適用于所有平面機構，因而要了解平面高副與平面低副之間的內在聯系，研究在平面機構中用低副代替高副的條件和方法（簡稱高副低代）。 為保證機構的運動保持不變，進行高副低代必須滿足的條件是： a.代替機構和原機構的自由度必須完全相同。 b.瞬時速度和瞬時加速度必須完全相同。 高副低代的方法：用一個帶有兩個轉動副的構件來代替一個高副，這兩個轉動副分別處在高副兩元素接觸點的曲率中心。 平面機構中的高副均可以用低副來代替。,3. 機構的高副
14、低代、結構分析和組成原理1）平面機構中高副用低副代替的方法,,b),3,2,A,1,B,,,,4,,O1,O2,O1,2,,,,,r1,A,3,1,n,,,O2,,r2,n,B,a),3,2,A,1,B,,,,4,b),,高副機構,任意曲線輪廓高副機構,,,,,若高副兩元素之一為一點(如下圖a)，則因其曲率半徑為零，所以曲率中心與兩構件的接觸點C重合，其瞬時代替機構如圖b：,,若高副兩元素之一為一直線(如下圖a)，則因其曲率中心在無窮遠處，所以這一端的轉動副將轉化為移動副，其瞬時代替機構如圖b或圖c：,機構具有確定運動的條件是原動件數自由度F，且F0。 現設想將機構中的原動件和機架斷開，則
15、原動件與機架構成了基本機構，其F1。剩下的構件組必有F0。,2）平面機構的結構分析,定義：最簡單的F0的構件組，稱為基本桿組。,基本桿組按結構分類： 設基本桿組中有n個構件，PL個低副，則由條件F0有： F3n2PLPH0 (低副機構中PH0 ),因為 PL 為整數， 所以 n只能取偶數。 n 2 4 n4 已無實例了! PL 3 6 其中最簡單的組合是n=2 ， PL=3。這種基本桿組稱為II級組應用最廣而又最簡單的基本桿組。共有以下5 種類型：,得 PL3n/2,n=4 （PL6）的是級組有以下類型:,結構特點：其中一個構件有三個運動副。,級組：,結構特點：
16、有兩個三副桿，且4個構件構成四邊形結構。 級組在實際機構中應用很少。,機構命名方式： 按所含最高桿組級別命名，如級機構，級機構等。,必須強調指出： 桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構件上，否則將成為剛體。例如下圖中兩種情況桿組都不能運動。,機構的級別與原動件的選擇有關。,,機構結構分析的步驟： 計算機構的自由度，確定原動件。 從遠離原動件的地方開始拆桿組。先試拆級組，當不可能時再試拆級組。但應注意，每拆出一個桿組后，剩下的部分仍組成機構，且自由度與原機構相同，直至全部桿組拆出只剩下級機構。 確定機構的級別。,舉例：圖示八桿機構中，若分別以構件1、6、7為作為原動件，試將其拆分成基本機構和
17、基本桿組。 解： 當構件1作為原動件時，拆分所得桿組最高級別為級組，故原機構為級機構。,級組,級機構,當構件6作為原動件時，拆分所得桿組最高級別為級組，故原機構為級機構。,當構件7作為原動件時，拆分所得桿組最高級別為級組，故原機構為級機構。,由上述機構結構分析的過程可知，平面機構的組成原理是：任何機構都可以看作是由若干個基本桿組依次連接到原動件和機架上所組成。 在設計一個新機構時，可先選定機架，并將等于該機構自由度數的若干個原動件用低副連接于機架上，然后將各個基本桿組連接于機架和原動件上，即可完成該簡圖的設計。 例如下圖所示牛頭刨床主機構的設計過程。,3）平面機構的組成原理,現以由轉動副（不包
18、含復合鉸鏈）組成的運動鏈為研究對象。圖a所示的閉式運動鏈中，自由度為 F=34-24=4 若將某一構件固定，如圖b所示，則可得一個單自由度的鉸鏈四桿機構?？梢姡C合一個單自由度機構與綜合一個四自由度的運動鏈是一致的。,4. 機構的類型綜合1）運動鏈的基本型式,a),b),設運動鏈的構件數為N，轉動副數為P，由平面機構結構公式得 可見，構件數必為偶數，所以構件數和轉動副數的可能組合是 N=2 P=1 (無實際價值) N=4 P=4 N=6 P=7 N=8 P=10,多環(huán)機構的環(huán)數L=P-N+1，帶入以上
19、公式得P-3L=1，所以多環(huán)機構的可能組合是 N=4 P=4 L=1 N=6 P=7 L=2 N=8 P=10 L=3,由上式可見，四桿運動鏈只有一個閉環(huán)，因而僅有一種基本形式。 一個具有三個轉動副的構件是六桿運動鏈中最復雜的構件，六桿運動鏈的組裝有兩種可能性：,a),b),圖a：型式，瓦特型，其中兩個具有三副的構件在一個公共點相連接。 圖b：型式，斯蒂芬遜型，其中兩個三副構件被兩個雙副構件隔開。 而八桿運動鏈具有三個閉環(huán)，其運動鏈的基本型式有十六種。,六桿運動鏈,單閉環(huán)機構的特點是： 構件總數N與運動副總數P相等； N=
20、P3 所以構件數與運動副數有 N=P=PLPH3 根據平面機構自由度的計算公式有 F=3（N1）2PLPH 進行單閉環(huán)機構的類型綜合時必須滿足上面兩公式。,2）單閉環(huán)機構的類型綜合,對單自由度的機構， 1=3（N1）2PLPH 即 2PL PH =3N4 其中 N=PLPH3 ，所以 PL 2 PH =4 當N=3、P=3時 ，只能有PL =2、PH=1。,對平面三桿高副機構的類型綜合，有三種不同的方案可以選擇：,a)擺動從動件盤形凸輪機構,b)移動從動件盤形凸輪機構,c)移動凸輪機構,根據機構的演化，高副低代或低副變異為高副等，還可得到同類機構的各種變型機
21、構。構件數N越多，可供組成的機構也越多。 在實際應用中，當單閉環(huán)機構不能滿足運動和動力傳遞要求時，常采用多閉環(huán)機構。,2.2 本章重點、難點,重點1.掌握有關機構的概念。 2.掌握平面機構運動簡圖的繪制方法和步驟。 3.掌握機構具有確定運動的條件及平面機構自由度的計算 4.掌握平面低副機構的結構分析和組成原理，能根據給定的機構運動簡圖進行拆桿組，并確定機構的級別。 5.掌握平面機構中高副低代的方法，要求替代前后機構的自由度和機構的瞬時運動不變。 難點 掌握機構自由度的正確計算方法是本章的難點。計算時必須考慮幾種特殊情況，如復合鉸鏈、局部自由度和虛約束等情況。尤其注意到各種虛約束出現的場合是有條件的。,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,例題計算圖示包裝機送紙機構的自由度。,分析：,活動構件數n：9,,復合鉸鏈:,局部自由度H、C處 2個,虛約束: 構件9，F、I處 1個,去掉局部自由度和虛約束后：,n =6，PL =7，PH =3,F = 3n 2PL PH = 36 27 3 = 1,2.3 典型例題精解,
機構的組成原理和機構類型綜合
