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1、第2章 机械设计中的机构结构学问题,2.1 机构的组成及运动简图的绘制,2.1.1 机构的组成要素,1. 运动副,机构中两构件直接接触的可动联接。,运动副元素：两构件上参加接触而构成运动副的部分，如点、线、面。,机构中具有确定运动的单元体 ； (它可以是一个零件或多个零件组合而成。),零件加工的单元体,2. 构件,根据构件含有运动副元素的数 量, 构件可分为:,三副元素构件,二副元素构件,3. 运动链,运动链分为闭式运动链和开式运动链两种,两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。,4. 机构,将运动链中的一个构件固定作为参考系, 另一个或几个构件按给定的运动规律相对于固定构件运动,
2、且其余构件都具有确定运动时, 运动链则成了机构,机构中固定不动的构件称为机架 机构中按给定运动规律运动的构件称为原动件(主动件) 其余随原动件运动的构件称为从动件。,零件、构件、机构、机器之间的关系,零件- 一个独立加工的单元体。 构件-相对运动的单元体。 机构-若干构件组成。 机器-若干机构组成。,2.1.2 运动副的分类,1. 根据运动副引入的约束数分类,约束:两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到某些限制。,按引入的约束数分有： I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。,IV级副,V级副1,V级副2,V级副3,2. 根据构成运动副的两构件的接触情况分类,理论上以面接触的运动副称
3、为低副,点或线接触的运动副称为高副,3. 根据运动副两元素间相对运动的形式分类,平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair),平面机构全部由平面运动副组成的机构。,空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair ),例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,常用运动副的符号,运动副 名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,2.1.3 机构运动简图的绘制,实际机构往往是由外形和结构都很复杂的构件所组成。但构件的运动只取决于运动副的
4、类型和机构的运动尺寸(各运动副相对位置尺寸) , 与构件的外形、断面尺寸、固联方式、组成构件的零件数目及运动副的具体结构等无关,为了便于研究机构的组成原理和运动, 可以不考虑构件、运动副的外形和具体构造, 只用简单的线条和规定符号代表构件和运动副, 并按比例确定各运动副位置, 表示机构的组成和传动情况。这种能够表达机构运动特性的简明图形称为机构运动简图。,移动副,转动副,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,2、两个构件组成移动副时：,3、凸轮高副,1、两个构件组成转动副时：,4、齿轮高副,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑
5、运动副的性质。,(1)分析机械的动作原理、组成情况和运动情况, 确定其原动件、机架、执行部分和传动部分。 (2) 沿着运动传递路线, 分析构件间相对运动的性质, 确定运动副的类型和数目。 (3) 恰当地选择视图平面, 通常可选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。 (4) 选择适当的比例尺, 定出各运动副的相对位置, 并用各运动副、常用机构的简图符号和线条, 绘制机构运动简图。 (5) 从原动件开始, 按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。,机构运动简图的绘制步骤:,小型压力机的运动简图,偏心泵 动画,偏心泵,2.2 运动链成为机构的条件和机构自由度,2
6、.2.1 平面运动链的自由度,对于一个运动链, 各构件相对于一参照坐标系所需独立运动的参变量数目, 称为运动链的自由度。它取决于运动链中构件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。,自由度,活动 构件数,低副数,高副数,运动链成为机构的条件为: 取运动链中一个构件作为机架, 运动链相对机架的自由度必须大于零, 且原动件数目等于运动链的自由度数。 满足以上条件的运动链即为机构。,由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。,1 复合铰链,2.2.3 计算机构( 运动链) 自由度时应注意的问题,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
7、动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,计算图示圆盘锯机构的自由度,圆盘锯机构 动画,解：活动构件数n=,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH =37 260 =9,7,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,10,2、局部自由度(多余自由度),计算图示两种滚子凸轮机构的自由度,对于凸轮机构：,去掉滚子后，凸轮机构：,出现有滚子的场合，计算时应去掉。,滚子的作用： 滑动摩擦滚动摩擦。,3、虚约束(重复约束),平面机构的虚约束常出现于下列情况:,（1）联接点的轨迹相重合,（2）两个构件构成多个移动副其导路相互平行或重合, 虚约束(Redundant constraint, Pass
8、ive constraint) 定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。 计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去。 虚约束发生的场合, 两构件间构成多个运动副, 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变,未去掉虚约束时 F3n2pLpH34260,附加的构件5和其两端的转动副E、F提供的自由度 F3122 1 即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后 F3n2pLpH33241,?, 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合,附加的构件4和其两端的转动副E、F以及附加的构件1和其两端的转动副A、B提供的自由度
9、F3122 1 即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后 F 3n2pLpH33241,平行四边形机构,椭圆仪机构1,构件2和4在E点轨迹重合,构件1和2在B点轨迹重合,椭圆仪机构2, 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分,对称布置的两个行星轮2和2以及相应的两个转动副D、C和4个平面高副提供的自由度 F322214 2 即引入了两个虚约束。 未去掉虚约束时 F 3n2pLpH352516 1,轮系,去掉虚约束后,F 3n2pLpH3323121,虚约束的作用 改善构件的受力情况，分担载荷或平衡惯性力，如多个行星轮。 增加结构刚度，如轴与轴承、机床导轨
10、。 提高运动可靠性和工作的稳定性，如机车车轮联动机构。,注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成实际有效的约束，从而使机构不能运动。,计算图示大筛机构的自由度,F = 3 n - 2 P5 - P4 = 37 - 29 - 1 = 2,局部自由度,复合铰链,虚约束,n=8,Pl=11,Ph=1,F=1,例题,一、平面机构的低副代替高副（高副低化）,目的：便于分析机构的结构和运动特性。,方法：用带有二个转动副的一个构件联接于高副接触点的曲率中 心上即可。,条件:(1)结构条件:增加一个构件及二个低副代替一个高副；,(2)运动条件:加入的运动副中心分
11、别位于二高副元素接触点 的曲率中心。保持瞬时运动不变(自由度不变、瞬时速度不 变、瞬时加速度不变),2.3 平面机构的组成原理和结构分析,2.3.1 平面机构的高副低代,各种类型的高副低代:,1、接触高副为曲线曲线,2、接触高副为曲线尖顶,3、接触高副为曲线平底,4、齿轮高副,1、杆组的定义：,杆组自由度为零，且不可再拆的最简单的运动链。,自由度计算公式：,2.3.2 平面机构的组成原理,机构的原动件数必须等于机构的自由度数, 故机构从动件系统的自由度数为零。 若将从动件系统分解成不可再分解的自由度为零的运动链, 这种运动链称为基本杆组, 简称杆组。,由于高副可以低化,所以高副不考虑,如有高副
12、,用低副代替。所 以低副机构的自由度计算公式为：,则：,因为构件数和运动副数必须是整数；,所以可得一系列类型的杆组；,常用的前两种类型的杆组,两个构件三个低副,四个构件六个低副,2 4 6 3 6 9 ,两个构件三个低副的类型：,四个构件六个低副的类型：,b),c),f),由于杆组的形式很多，所以将它分类。,2、杆组分类按杆组中最高多边形的边数来命名杆组的级别。,级,级,级,机构的组成原理：,（原动件与机架） （若干个基本杆组）,基本杆组应满足的条件 F3n2pL0 即 n (23)pL,基本杆组的构件数 n 2，4，6， 基本杆组的运动副数 pL 3，6，9，, n2，pL3的双杆组(II级
13、组),内接运动副,外接运动副,R-R-R组,R-R-P组,R-P-R组,P-R-P组,R-P-P组, n4，pL6的多杆组 III级组,结构特点 有一个三副构件，而每个内副所联接的分支构件是两副构件。, IV级组,不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。,结构特点 具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四边形。,最简单的机构：,级机构, 级机构 与级 杆组相联，成为级 机构；,3、机构的分类,按组成机构中最高级别的杆组的级别来命名机构的级别。, 级机构 与级杆组相联，成为级机构；, 级机构
14、与级杆组相联，成为级机构；,(1) 计算机构的自由度,确定原动件。 (2) 进行高副低代。 (3) 从远离原动件的地方开始试拆杆组。先试拆级杆组, 当不可能时, 再试拆级杆组。但应注意, 每拆出一个杆组后, 剩下的部分仍能组成机构, 且自由度与原机构相同, 直至全部拆出只剩下原动件。 (4) 确定机构的级别。,2.3.3 平面机构的结构分析,机构的结构分析旨在将已知机构分解为若干个杆组, 并确定这些杆组的级别和类型, 以便对机构进行性能分析。,平面机构结构分析的步骤,例：,拆机构的顺序为： 、 、 ；,组成机构的顺序为： 、 、 。,级机构以下的机构称为低级机构；,级机构以上的机构称为高级机构。,级机构,例,例：,级机构,例：,级机构,同一个运动链中，当更换原动件时，机构的级别有可能改变,本章主要内容,
