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1、第2章 机构的结构分析 本章内容： 2.1 机构的组成 2.2 机构运动简图绘制 2.3 机构具有确定运动的条件及自由度计算 2.4 机构组成原理和结构分析,2.1 机构的组成,2.1.1 构件,构件的自由度,构件的定义：独立运动单元,自由度的定义：独立运动参数的个数或描述构件位置和姿态所需的独立坐标数。,构件自由度数目,平面运动构件：3个自由度。,空间运动构件：6个自由度。,2.1.2 运动副,运动副定义,两个构件直接接触组成的可动联接。,运动副元素,构件上参与接触的几何元素。,运动副作用,提供约束。,例如：球面副 保留3个相对运动： x、 y、 z 提供3个约束：sx 、sy、sz,约束的
2、定义,对运动所加的限制。,运动副的分类,（2）按相对运动形式：,（1）按接触形式：,平面副：保留的相对运动为平面运动。,空间副：保留的相对运动为空间运动。,转动副：只保留的1个相对转动自由度。,移动副：只保留的1个相对移动自由度。,（3）按提供的约束数：,1级副、2级副、3级副、4级副、5级副。,（4）按运动副元素：,圆柱副、球面副、球销副、螺旋副 球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副。,平面运动副的分类,（1）平面低副：转动副、移动副，空间5级副。,（2）平面高副：例如齿轮副、凸轮副，空间4级副。,提示：1个平面运动构件有3个自由度。, 1个平面低副引入2个约束。, 1个平面高副引入1个
3、约束。,2.1.3 运动链,运动链的定义： 两个以上构件用运动副联接而成的系统。,运动链的分类,闭式运动链(闭链)：运动链是封闭图形。,开式运动链(开链)：运动链是开放图形。,2.1.4 机构,（1）选定某一构件为机架；,（2）选定1个或几个构件为原动件，使运动确定。,从动件其余可动构件。,输出构件运动、动力输出的构件。,机架相对固定的构件。,原动件运动规律已知的构件。,术语,连架杆与机架相联的构件。,运动链成为机构的2个条件,2.2.1 机构运动简图,机构运动简图：用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。,2.2 机构运动简图的绘制,画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件尺寸(即
4、运动副之间的尺寸)和运动副的性质。,机构示意图：不按比例绘制的简图；,术语,机构运动简图：按精确比例绘制的简图。,构件的表示方法简单线条和几何图形,常见运动副符号的表示: 国标GB446084,常用机构运动简图符号,【例2-1】绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。,1.颚式破碎机,2.2.2 机构运动简图的绘制,A,B,E,D,C,F,G,1,2,3,4,5,6,【例2-2】绘制图示偏心泵的运动简图。,偏心泵,【解】,2.3 机构具有确定运动的条件及自由度计算(重点),知识回顾,1个平面运动构件有3个自由度。,1个低副(转动副移动副) 引入2 个约束。,1个高副引入 1 个约束。,2.3.1 机
5、构的自由度计算,F = = 1,33,24,F = 1,4,3,【引例】,设：, 平面机构自由度的计算公式,F = 3n - 2PL - PH,有 n 个活动构件，,PL个低副，,PH个高副，,则,【例2-3】计算铰链五杆机构的自由度。,【解】 n =,4,PL =,5,F = 3n - 2PL - PH,PH =,0,F=2,= 34 - 25 - 0,= 2,F =0：静定桁架,F = -1：超静定桁架,结论：F0，机构可动。,F=1运动链给定1个原动件:,F=1运动链给定2个原动件:,运动确定。,损坏构件。,F=2机构给定1个原动件:,F=2机构给定2个原动件:,运动不确定。,运动确定。
6、,1.3.2 机构具有确定运动的条件,原动件数=F0,1,【例2-4 】 计算火车轮机构的自由度,【解】,n =,6,PL =,PH = 0,8,F = 3n - 2PL - PH,= 36 - 28 - 0,= 2,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,D,C,B,7,1.复合铰链,若有 m 个构件,2.3.3计算自由度时应注意的问题,二个以上构件(含机架)在同一轴线上构成的多个转动副，称为复合铰链。,1,2,则有 m1 个转动副。,【例2-4 】 重新计算火车轮机构的自由度,【解】,n =,6,PL =,PH = 0,8,F = 3n - 2PL - PH,= 36 - 28 - 0,=
7、 2,0,9,9,对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。 计算自由度时要去除掉。,2.虚约束(消极约束),2.虚约束(消极约束),对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。 计算自由度时要去除掉。,B,F,D,1,5,3,2,6,A,G,E,C,7,【解】,n = 5,PL = 7,F = 3n - 2PL - PH,=1,PH = 0,= 35 - 27 - 0,（1）两构件构成多个运动副,出现虚约束的场合(重点、难点),两构件组成多个移动副，导路重合或平行。, 两构件组成多个转动副，同轴。,两构件构成高副，两处接触，法线重合。,等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,(2) 运动过程
8、中，两构件上的两点距离始终不变。,例如火车轮机构、椭圆仪。,（3） 联接点与被联接点轨迹重合,(4) 对运动不起作用的对称部分。,(4) 对运动不起作用的对称部分。,(4) 对运动不起作用的对称部分。, 改善构件的受力情况：例如多个行星轮。, 增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨。,虚约束的作用：,【解】,【例2-5】计算图示机构的自由度。,n = 3,PL = 3,F = 3n - 2PL - PH,=2,PH = 1,= 33 - 23 - 1,3.局部自由度：不影响机构输入输出关系的自由度。,F = 1,1.4.1 平面机构的高副低代,2.4 机构的组成原理和结构分析,O1,O2,A,
9、B,1,2,替代原则,替代构件：1杆2低副,（1）替代前后自由度不变； （2）替代前后运动不变。,替代方法, 在高副两个曲率中心之间画出替代构件；, 替代构件分别与组成高副的两个构件相联；, 组成高副的两个构件应去掉高副、简化成杆。, 尖顶,特殊情况, 尖顶,特殊情况, 平底, 平底, 平底,【例2-7】,A,C,I,B,D,E,F,G,H,J,n,P,A,C,I,B,D,F,G,H,J,P,【例2-7】,2.4.2 机构的组成原理,F=1,F=1,F=0,F=0,原动件,杆 组,杆 组,定义：F=0 不可再分的构件组。,1. 杆组（基本杆组、基本组、Assur 组）,结构公式：,F=3n 2
10、PL PH = 3n 2PL = 0,PL3n/2,外接副,分类,(1)级组(n=2，PL=3),PL3n/2,外接副,内接副,级组的结构特征： 两个含有外接副的构件直接用运动副联接。,PL3n/2,（2） 级组(n=4，PL=6),中心构件,PL3n/2,级组其它型举例,级组的结构特征： 三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。,原理的限定条件:平面低副机构；连架杆为原动件。,原动件画法：1个机架、1个活动构件、1个低副、1个箭头，一个都不能少。,2.平面机构组成原理：,任何一个平面机构都可以看作是由一系列基本组依次联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的。,基本组的联接 结构综合的
11、杆组法(理解),给定原动件数目和类型，用不同数目、不同类型的基本组去联接，可得到新机构。,注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。,1.4.3 机构的结构分析,正确拆分杆组;,判断机构级别。,目的,步骤,（5）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是 一个自由度为零的构件组合或杆组。,（1）计算F；确定原动件；去掉虚约束、局部自 由度；注意复铰。,（2）如果机构中有高副，应高副低代。,（3）拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合。,（4）根据杆组的结构特征对从动件组合依次拆组。,机构的级别：,机构所含基本组的最高级别为机构的级别；,级机构为简单机构，级以上机构为复杂机构。,不含基本组的机构为级机构；,【例2-6】对图示机构进行高副低代和结构分析。,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1. 高副低代：,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1. 高副低代：,【解】 2. 结构分析：（1）除去虚约束：,【解】 2. 结构分析：（2）拆出原动件和机架：,（3）拆组：,级机构,【解】 以GH为原动件进行 结构分析：,级机构,
