机械设计基础-----(杨可桢)第一章 机械系统运动简图的设计综述

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1、第一章 机械系统的运动简图设计 11 运动副及其分类 12 平面机构的运动简图 13 机械系统具有确定运动的条件 14 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用 1.名词术语解释: 构件 独立的运动单元 内燃机中的连杆 11 运动副及其分类 内燃机 连杆 套筒 连杆体螺栓 垫圈 螺母 轴瓦 连杆盖 零件 独立的制造单元 2.运动副 a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 运动副元素直接接触的部分（点、线、面） 例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。 定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产 生某些相对运动的联接。 三个条件，缺一不可 分类： 高副点、线接触，应力高。 低副面接触，应力低 例如：

2、滚动副、凸轮副、齿轮副等。 例如：转动副（回转副）、移动副 。 常见运动副符号的表示: 国标GB446084 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 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 两构件之一为固定时的运动副 1 2 2 1 2 1 平 面 运 动 副 平 面 高 副 螺 旋 副 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球 面 副 球 销 副 1 2 1 2 1 2 空 间 运 动 副 1 2 1 2 1 2 构件的表示方法: 一般构件的表示方法 杆、轴构

3、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 运动链两个以上的构件通过运动副 的联接而构成的系统。 注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副 的性质。 闭式链、开式链 3. 运动链 若干1个或几个1个 4. 机构 定义：具有确定运动的运动链称为机构 。 机架作为参考系的构件，如机床床身、车 辆底盘、飞机机身。 机构的组成： 机构机架原动件从动件 机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就 能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论： 在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其

4、中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系 按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 原（主）动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。 12 平面机构运动简图 机构运动简图用规定的符号和简单的线条，按比例 绘制的表示机构中各构件之间的相对运动关系的图形。 作用： 1.表示机构的结构和运动情况。 机构示意图不按比例绘制的简图 现摘录了部分GB446084机构示意图如下表。 2.作为运动分析和动力分析的依据。 常用机构运动简图符号 在 机 架 上 的 电 机 齿 轮 齿 条 传 动 带 传 动 圆 锥 齿 轮 传 动 链 传 动 圆柱 蜗杆 蜗

5、轮 传动 凸 轮 传 动 外啮 合圆 柱齿 轮传 动 机构运动简图应满足的条件： 1.简图中构件数目与实际相同 2.简图中运动副的性质、数目与实际相符 3.简图中运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际 机构成比例。 棘 轮 机 构 内啮 合圆 柱齿 轮传 动 绘制机构运动简图 顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。 步骤：1.运转机械，分析传递路线，弄清机架、原动件 和活动构件数及运动副的性质、数目和构件数目； 4.检验机构是否满足运动确定的条件。 2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）。 3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸

6、 m / 图上长度mm 思路：先定原动件和工作件（一般位于传动线路末端 ），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类 型，并用符号表示出来。 举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。 2.2 运动简图的绘制 牛头刨床 D C B A 1 4 3 2 绘制图示鳄式破碎机的运动简图。 1 2 3 4 绘制图示偏心泵的运动简图 偏心泵 一、平面机构自由度的计算公式 作平面运动的刚体在空间的位置需要 三个独立的参数（x，y, ）才 能唯一确定。 y x (x , y) F = 3 单个自由构件的自由度为 3 13 机械系统具有确定运动的条件 自由构 件的自 由度数 运动副 自由度数 约束数 回转副

7、1（） + 2（x，y） = 3 y x 1 2 S y x 1 2 x y 12 R=2, F=1R=2, F=1 R=1, F=2 结论：构件自由度3约束数 移动副 1（x） + 2（y，）= 3 高 副 2（x,） + 1（y） = 3 经运动副相联后，构件自由度会有变化： 自由构件的自由度数约束数 给定S3S3(t)，一个独立参 数11（t）唯一确定， 该机构仅需要一个独立参数 。 若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同 时给定1和4 ，则3 2 能 唯一确定，该机构需要两个独立 参数 。 4 S3 1 2 3 S3 1 1 23 4 1 二、机构具有确定运动的条件 定

8、义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。 原动件能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数 机构具有确定运动的条件为： 自由度原动件数 活动构件数 n 计算公式： F=3n(2PL +Ph ) 要求：记住上述公式，并能熟练应用。 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 3n 2 PL 1 Ph 计算曲柄滑块机构的自由度。 解：活动构件数n= 3 低副数PL = 4 F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数PH = 0 S3 1 2 3 推广到一般： 计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数n= 4 低副数PL =5 F=3n 2PL PH =34

9、25 =2 高副数PH=0 1 23 4 1 计算图示凸轮机构的自由度。 解：活动构件数n= 2 低副数PL =2 F=3n 2PL PH =32 221 =1 高副数PH=11 2 3 三、计算平面机构自由度的注意事项 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 计算图示圆盘锯机构的自由度 。 解：活动构件数n= 7 低副数PL =6 F=3n 2PL PH 高副数PH=0 =37 26 0 =9 计算结果肯定不对！ 1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转 动副相联。 计算：m个构件, 有m1转动副。 两个低副 上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。 计算图示圆盘锯机

10、构的自由度 。 解：活动构件数n=7 低副数PL=10 F=3n 2PL PH =37 2100 =1 可以证明：F点的轨迹为一直线。 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 圆盘锯机构 计算图示两种凸轮机构的自由度。 解：n=3， PL=3， F=3n 2PL PH =33 23 1 =2 PH=1 对于右边的机构，有： F=32 22 1=1 事实上，两个机构的运动相同，且F=1 1 2 3 1 2 3 2.局部自由度 F=32 22 1 =1 定义：构件局部运动所产生的自由度，并不影 响整个机构的运动。 出现在加装滚子的场合 ，计算时应去掉滚子和 铰链： 滚子的作用：滑动

11、摩擦滚动摩擦。 1 2 3 1 2 3 解：n=4， PL=6， F=3n 2PL PH =34 26 =0 PH=0 3.虚约束 对机构的运动实际上不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件4前后E点 的轨迹都是圆弧，。 增加的约束不起作用，应去掉构件4。 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 1 2 34 A BC D E F 重新计算：n=3, PL=4, PH=0 F=3n 2PL PH =33 24 =1 特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： 1 2 3 4 A BC D E F 4 F 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构

12、的自由度。 ABCDEF 虚约束 出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合， 2.两构件构成多个移动副，且 导路平行。 如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明) 4.运动时，两构件上的 两点距离始终不变。 3.两构件构成多个转动副， 且同轴。 5.对运动不起作用的对 称部分。如多个行星轮 。 EF A A 6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。 如等宽凸轮 W 注意： 法线不重合时， 变成实际约束！ A A n1 n1 n2 n2 n1 n1 n2 n2 虚约束的作用： 改善构件的受力情况，如多个行星轮。 增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。 使机构运动顺利，避免运

13、动不确定，如车轮。 注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! C D A B G F o EE 计算图示大筛机构的自由度。 位置C ，2个低副复合铰链: 局部自由度 1个 虚约束E n= 7 PL = 9 PH =1 F=3n 2PL PH =37 29 1 =2 C D A B G F o E B2 I 9 C 3 A 1 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 计算图示包装机送纸机构的自由度。 分析：活动构件数n： A 1 B2 I 9 C 3 J 6 H 8 7 D E 4 FG 5 9 2个低副复合铰链: 局部自由度 2个 虚约束: 1处 I 8 去掉局部自由度 和虚约束后： n

14、=6PL = 7 F=3n 2PL PH =36 27 3 =1 PH =3 12 A2(A1) B2(B1) 14 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用 机构速度分析的图解法有：速度瞬心 法、相对运动法、线图法。瞬心法尤 其适合于简单机构的运动分析。 一、速度瞬心及其求法 绝对瞬心重合点绝对速度为零。 P21 相对瞬心重合点绝对速度不为零。 VA2A1 VB2B1 Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0 两个作平面运动构件上速度相同的 一对重合点，在某一瞬时两构件相 对于该点作相对转动 ，该点称瞬时 速度中心。求法？ 1)速度瞬心的定义 特点： 该点涉及两个构件。 绝对速度相同，相对速度为零。

15、相对回转中心。 2）瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有 P12P23 P13 构件数 4 5 6 8 瞬心数 6 10 15 28 1 2 3 若机构中有n个构件，则 Nn(n-1)/2 1 2 1 2 12 tt 1 2 3）机构瞬心位置的确定 1.直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置 。 n n P12 P12 P12 2.三心定律 V12 定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬 心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用 于两构件不直接相联的场合。 1 2 3 P21 P31 E3 D3 VE3 VD3 A2 VA2 VB2 A2 E3 P32 结论： P21 、 P 31 、 P 32 位于同一条直线上。 B2 3 2 1 4 举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。 P14 1 2 3 4 P12 P34 P13 P24 P23 解：瞬心数为： 1.作瞬心多边形圆 2.直接观察求瞬心 3.三心定律求瞬心 Nn(n-1)/26 n=4 11 2 3 二、速度瞬心在机构速度分析中的应用 1.求线速度 已知凸轮转速1，求推