第1章平面机构的结构分析和运动分析

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1、第1章 平面机构的结构分析 和运动分析,第1章 平面机构的结构分析和运动分析, 1.3 平面机构自由度的计算,1.1 机构结构分析和运动分析的目的,机械设计基础, 1.4 平面机构的组成原理和结构分析,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,1.5 用速度瞬心法进行平面机构的运动分析,第1章 平面机构的结构分析和运动分析,平面机构：,所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。,机构中的构件只有通过一定的方式相互联接起来，并且满足一定的条件才能传递确定的运动和动力。,点击图画播放,研究机构结构的目的：,(1) 为新机构的创造提供途径; 分析机构是怎样由构件组成的，而且在何种条件下才具

2、有确定的运动。,(2) 将各种机构按结构进行分类，在此基础上建立运动分析 和受力分析的一般方法；,(3) 根据构件间连接的特点及与运动有关的尺寸，画出机构 的运动简图。,机构是具有确定运动的实物组合体。,（1）能够运动；,（2）运动具有确定性。（具有确定运动的条件？）,1.1 机构结构分析和运动分析的目的,机构的运动分析 ：,根椐原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点 的位移（角位移）、速度（角速度）和加速度（角加速度） 等参数。,（1）位移分析,确定构件在运动时所需的空间，判断在运动时各构件之间是 否会互相发生干涉，也可以确定机构中从动件的行程，考察构 件上某一点能否实现预定的位置或

3、轨迹要求。,（2）速度分析,了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求。同时，速度 分析也是进行加速度分析的必要前提。,1.1 机构结构分析和运动分析的目的,（3）加速度分析,确定各构件及构件上某些点的加速度大小和变化规律，从 而计算构件惯性力以及对机构进行进一步的动力分析、强度 计算等。,机构运动分析的方法：,（1）图解法,a、速度瞬心法 b、相对运动法,（2）解析法,本章仅介绍用速度瞬心法进行平面机构的速度分析。,1.1 机构结构分析和运动分析的目的,1.2.1 机构的组成,两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的联接。,1.运动副,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,运动副分类：

4、,平面运动副和空间运动副 （根据两构件之间的相对运动分类 ）,点击相应图画播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,运动副分类：,高副和低副 （根据两构件之间的接触情况分类）,高副：,两构件通过点或线的接触而构成的运动副。,点击图画播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,转动副(也称为铰链)： 两构件之间的相对运动为转动的低副,移动副： 两构件之间的相对运动为移动的低副,低副：,两构件通过面接触而构成的运动副。,点击播放,点击播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,自由度：构件所具有的独立运动的数目（或独立位置参变量）。,1、质点A： 具有两个自由度,2、构件AB: 具有

5、三个自由度,2.自由度和约束,约束：对构件独立运动所加的限制。 每形成一个约束，便减少一个自由度。,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,（1）转动副：允许构件作相对转动的运动副。,引入两个约束（沿x、y方向移动） 保留一个自由度（在xoy平面内转动）,点击播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,结论：面接触的运动副平面低副 引入两个约束，保留一个自由度。,（2）移动副：允许构件作相对移动的运动副。,引入两个约束（沿y方向移动及xoy平面内转动） 保留一个自由度（在x方向移动）,点击播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,结论：点、线接触的运动副平面高副 引入一个约束，保留

6、两个自由度。,（3）平面高副：由两构件之间以点或线接触组成的运动副。,引入一个约束（nn方向移动） 保留两个自由度（tt方向移动及not平面内转动）,点击播放,点击播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,定义：两个以上的构件通过运动副连接而构成的系统。,3.运动链,闭式运动链,开式运动链,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,4.机构,定义：在运动链中，将某一个构件加以固定而成为机架， 而另一构件（或少数几个构件）按给定的规律独立运动时， 其余构件均随之作确定相对运动，则此运动链便成为机构。,原动件：按照给定运动规律独立运动的构件。,从动件：随原动件作确定的相对运动的构件。,机 架

7、：机构中固定不动的构件称为机架。,构件1 原动件,构件2、3 从动件,构件4 机架,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,1.2.2 平面机构的运动简图,定义：用简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定的 比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。,特点：机构运动简图与原机械具有完全相同的的运动特性。,目的：用机构运动简图对机械进行结构、运动及动力分析。,机构运动简图,机构示意图,定义：只是为了表示机构的结构特征，不是严格地按精确 的比例绘制的简图 。,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,包含两个运动副的构件,包含三个运动副的构件,构件及运动副的表示方法,包含四个运动副的构

8、件,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,绘制平面机构运动简图的步骤：,（1）首先必须搞清楚所要绘制机械的结构及运动情况。 需先找出其原动件及机架，然后循着运动传递的路线把 机械的原动部分和传动部分之间的传递情况搞清楚。,（2）搞清楚该机械中构件的数目，并按照各构件之间的接触 情况及相对运动的性质来确定各个运动副的类型。,（3）选择与机械中多数构件的运动平面相平行的平面作为绘 制机构运动简图的投影面。,（4）选择适当的长度比例尺,绘制机构运动简图。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,绘制平面机构运动简图的方法和步骤,1.2 机构的组成及平面机构运

9、动简图绘制,步骤,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,选择比例，绘制机构运动简图,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,冲床机构的运动简图分析,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,颚式破碎机的运动简图分析,注意事项：偏心轮结构的运动简图表示方法。,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,颚式破碎机的运动动画,点击画面播放,1.2 机构的组成及平面机构运动简图绘制,1.3.1 平面机构的自由度,设平面机构中包含有N个构件，其中有n=(N-1)个活动构件，PL个低副数和PH个高副数。,F=3 n（2 PL +PH ）,这些活动构件在未用运动副联接之前,其自由度数应为3n,用运动副

10、联接后，引入的约束总数为(2 PL +PH）。,机构的自由度为:,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数目。,1.3 平面机构自由度的计算,试算所示冲床机构的自由度,此机构共有5个活动构件,形成7个低副,没有高副,自由度为：,1.3 平面机构自由度的计算,试算所示颚式破碎机的自由度,此机构共有5个活动构件,形成7个低副,没有高副,自由度为：,1.3 平面机构自由度的计算,1.3.2 平面机构具有确定运动的条件,机构的运动应确定 ，即当原动件按给定的运动规律运动 时，其余从动构件也应随之运动且其运动规律也是确定的。,对机构的基本要求：,设计机构时应避免两种情况：,（1）机构不能

11、产生运动,（2）作无规律运动,1.3 平面机构自由度的计算,计算机构的自由度,自由度为0，表明该机构中 各构件间已无相对运动，只 构成了一个刚性桁架。,静定桁架,1.3 平面机构自由度的计算,计算机构的自由度,自由度F0，表明该机构中 约束过多 ，静稳定性较强。,超静定桁架,结论：,如要使机构能够运动，必须使机构自由度F0,1.3 平面机构自由度的计算,计算机构的自由度,原动件数=自由度，机构运动确定,原动件数自由度，机构损坏,点击播放,点击播放,1.3 平面机构自由度的计算,计算机构的自由度,原动件数=自由度，机构运动确定,原动件数自由度，运动不确定,点击播放,点击播放,1.3 平面机构自由

12、度的计算,机构具有确定相对运动的条件：,综上机构自由度计算可得结论：,自由度大于零，且原动件的数目等于自由度数。,1.3 平面机构自由度的计算,1.3.3 计算机构自由度时应注意的问题,进行机构的自由度计算时，有时会遇到计算的机构的自由度数与实际机构的自由度数不一致的情况。,机构中有些特殊情况未得到正确处理。,原因：,（1） 复合铰链,（2）局部自由度,（3）虚约束,1.3 平面机构自由度的计算,1复合铰链,两个以上的构件在同一处以转动副相连接组成的运动副。,若有K个构件在同一处组成复合铰链，则其 构成的转动副数目应为（K-1）个。,处理方法：,1.3 平面机构自由度的计算,计算如图所示摇筛机

13、构的自由度,构件2、3、4同在C处组成2个转动副成为复合铰链,1.3 平面机构自由度的计算,如图为一惯性筛的机构简图，试计算其自由度。,解：该机构中，n5，PL=7(C处为复合铰链)，PH=0 ，所以该机构的自由度： F = 3n-2PL-PH =35-27=1,1.3 平面机构自由度的计算,计算如图圆盘锯主体机构的自由度。,解：机构中活动构件有,n,7,低副有,PL,10,F = 3n2PLPH =,3, 2,=,7,10,1,1.3 平面机构自由度的计算,2局部自由度,机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动。,F=3n-2 PL-PH=33-23-1=

14、2,点击画面播放,计算结果与机构实际运动情况不符,1.3 平面机构自由度的计算,F=3n-2 PL-PH=32-22-1=1,点击画面播放,局部自由度处理方法：,计算自由度时，应除去局部自由度，即设想把滚子与安装滚子的构件固结在一起视为一个构件。,1.3 平面机构自由度的计算,3虚约束,EF杆所引入的约束与CD杆所起的限制作用重复,不起独立限制作用的重复约束。,平行四边形机构， 连杆3 作平动,增加一个杆5平行且等于杆2和 杆4，则杆5上E点的运动轨迹和杆 3上E点的运动轨迹重合，此时杆5 对杆3的运动情况并未影响,1.3 平面机构自由度的计算,虚约束的处理方法：,在计算自由度时，应将虚约束（

15、引入虚约束的构件及其 运动副）除去不计。,点击画面播放,1.3 平面机构自由度的计算,平面机构的虚约束常出现在下述场合,（1）连接构件与被连接构件上连接点的轨迹重合。,点击画面播放,实约束，F =0,1.3 平面机构自由度的计算,（2）两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保 持不变,将此两点用构件和运动副联接 。,BCADEF，ABCD，AFDE,1.3 平面机构自由度的计算,（3）构件上某点轨迹为一直线，在该点铰接一滑块并使其导路与该直线重合。,AB=BC=BD，D点轨迹为直线,D点铰接一滑块，运动不变,1.3 平面机构自由度的计算,（4）两构件构成多个移动方向一致的移动副。,点击画面播放

16、,1.3 平面机构自由度的计算,（5）两构件构成多个轴线重合的转动副 。,点击播放,1.3 平面机构自由度的计算,（6）在机构中对运动不起作用的对称部分。,点击画面播放,1.3 平面机构自由度的计算,计算如图筛料机构的自由度。,解：该机构中， n7， PL=9， PH=1。 所以该机构的自由度： F=3n-2PL-PH =37-29-1=2,C处为复合铰链,导路平行的两个移动副 E和E 中一个为虚约束,构件3的右端F 处安装了滚子为局部自由度,1.3 平面机构自由度的计算,1.4.1 平面机构的高副低代,将平面机构中的高副以低副来代替。,（1）将含有平面高副的机构进行低代后，可将其视为只含低副的平面机构，就可根据机构组成原理和结构方法对其进行结构分类，并运用低副平面机构的