机构及结构分析介绍

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1、1第一章 机构的结构分析基本要求: 熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。 掌握运动链成为机构的条件。 熟练掌握机构自由度的计算方法。能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度，尤其是平面机构的自由度。能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。 掌握机构的组成原理和结构分析的方法。了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别；学会根据机构组成原理，用基本杆组、原动件和机架创新构思新机构的方法；学会将级、 级机构分解为机架、原动件和若干基本杆组的方法

2、。 教学内容: 1. 机构的组成2. 机构运动简图3. 运动链成为机构的条件4. 机构的组成原理和结构分析重点难点:机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、判断运动链能否成为机构和机构的组成原理是本章学习的重点。前面两个重点又是学习中的难点和必须正确熟练掌握的内容。 211 研究机构结构的目的研究机构结构的目的：研究机构的组成及机构运动简图的画法；了解机构具有确定运动的条件；研究机构的组成原理及结构分类；按结构分类，建立运动分析和动力分析的一般方法；合理设计机构和创新新机构。312 平面运动副及其分类一、构件零件：从制造的观点分析机械时，零件是组成机械的最小单元体。任何机械都由许多零件组合而成的

3、。如内燃机中的连杆由连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母和轴套等零件组成。 内燃机中的连杆由连杆体、连杆头、轴瓦、螺栓、螺母和轴套等零件组成。 构件：从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。构件可以是一个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。 二、运动副为了使多个构件组成一个系统后相互之间具有确定的运动，构件与构件需要一种既直接接触又有相对运动的联接，这种联接称为运动副。运动副：两构件直接接触所形成的可动联接。 运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。 构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目。 两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制，这种限制称为约束。 约

4、束：运动副对构件的独立运动所加的限制。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。 运动副的分类： 1按运动副的接触形式分：低副：构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。高副：构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。 2按相对运动的形式分平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。 空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。 轴与轴承间构成运动副，轴的外圆柱面与轴承内孔为运动副元素。凸轮与滚子间构成运动副，凸轮与滚子接触部分为运动副元素。43按运动副引入的约束数分类引入 1 个约束的运动副称为 1 级副，引入 2 个约束的运动副称为 2 级副，引入 3 个约束的运动副称为 3

5、 级副，引入 4 个约束的运动副称为 4 级副， 引入 5 个约束的运动副称为 5 级副。4按接触部分的几何形状分圆柱副球面副球面与圆柱副螺旋副圆柱与平面副三、运动链运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。 闭式运动链（闭链）：运动链的各构件构成首末封闭的系统。 开式运动链（开链）：运动链的各构件未构成首末封闭的系统。四、机构在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动开式运动链闭式运动链5时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运 动，则此运动链成为机构。 机构：具有确定运动的运动链。 机架：机构中固定不动的构件； 原动件：按照给

6、定运动规律独立运动的构件 从动件：其余活动构件。 平面机构： 组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内。 空间机构： 机构的各构件的相对运动不在同一平面内或平行的平面内。13 平面机构运动简图一、机构运动简图机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成新机械的各6种机构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形机构运动简图。 机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格

7、按比例绘制的简图。功用：1. 现有机械分析 2. 新机械总体方案的设计 参见 表 1.2 构件及其运动副相联接的表达法 表 1.3 常用机构的简图符号二、运动简图的绘制机构简图的绘制步骤：1. 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况； 2. 沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目； 3. 适当地选择运动简图的视图平面； 4. 选择适当比例尺 (=实际尺寸 (m)/图示长度(mm)，用表 1.2 及表 1.3 中给出机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，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。 例题 绘制小型压力机的

8、机构运动简图71. 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况； 工作原理： 2. 沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目； 转动副：移动副：平面高副：3. 适当地选择运动简图的视图平面； 4. 选择适当比例尺 (=实际尺寸 (m)/图示长度(mm)，用表 1.2 及表 1.3 中给出机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，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。 原动件 传动部分 执行部分1 2 34 7 81 6 54 7 8814 平面机构的自由度一、机构自由度的计算公式1. 运动链自由度的概念： 确定运动链中各构

9、件相对于其中某一构件的位置所需的独立参变量的数目称为运动链的自由度。2. 自由度的计算运动链的自由度取决于活动构件的数目、联接各构件的运动副的类型和数目。（1运动链自由度计算的一般公式设一个运动链中共有 N 个构件，当取其中一个构件相对固定作为机架时，则其余活动构件的数目为 n=N1。在用运动副将所有构件联接起来前，这些活动构件具有 6n 个自由度。当用 个 1 级副、 个 2 级副、 个 3 级副、 个 4 级副和 个 5 级副联接成运动链后，这些运动副共引入了 个约束。由于每引入一个约束构件就失去了一个自由度，故整个运动链相对于机架的自由度数为（1.1）该式为运动链自由度计算的一般公式。（

10、2含有公共约束的运动链自由度计算公式。在工程实际中，常常遇到一些运动链，由于其运动副结构和布置的特殊性，所有构件常同时受到某些共同的约束，这些约束称为公共约束。对于具有 q 个公共约束的运动链，其自由度计算公式应改写为（1.2）q：公共约束数，其可取之值为 0，1，2，3，4 。k：运动副的级别，其取值范围为（q1）5 。9（3）平面运动链自由度的计算公式在右图所示的平面运动链中，由于所以构件中均不能沿 Z 轴移动，也不能绕 X 和 Y 轴移动，故平面运动链具有的公共约束数 q3。将 q3 代入式(1.2)，可得平面运动链的自由度计算公式为 即 （1.3） 该式表明：平面运动链中只有 4 级副

11、和 5 级副。通常平面运动链中的 4 级副为平面高副（如齿轮副和凸轮副），5 级副为平面低副（转动副和移动副）。二、运动链成为机构的条件 要使所设计的运动链成为机构，组成运动链的各构件之间必须具有确定的相对运动。不能产生运动或作无规则运动的运动链均不能成为机构。 如图(a)所示的平面三构件运动链，其自由度表明该运动链中各构件间已无相对运动，只构成了一个 刚性桁架，因而不能成为机构。图(b)所示的平面四构件运动链，其自由度 表明该运动链由于约束过多，已成为超静定桁架了，也不能 成为机构。如图(c)所示的平面四构件运动链，其自由度 若取构件 1 为原动件，则从动画演示中可以看出，构件 1 每转过一

12、个角度，构件 2 和构件 3 便有一个确定的相对运动，也就是说这个运动链能成为机构。 10如果同时使构件 3 也成为原动件，则从动画演示可以看出，运动链内部的运动关系将发生矛盾，最薄弱的构件将损坏。以上例子说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可多于运动链的自由度数。如图(d)所示的平面五杆运动链，其自由度 若同时取构件 1 和构件 4 作为原动件，则由动画演示可以看出，构件 2 和构件 3 具有确定的运动，即该运动链能成为机构。如果只取构件 1 作为原动件，则由动画演示可以看出，其余三个活动构件 2、3、4 的运动不能确定，只能作无规则的运动。 图(e)所示为平面开式运动链，

13、其自由度 若同时取构件1、2、3 为原动件，则该运动链具有确定的运动，能成为机构，它即是简单的机械手中的开式链机构。若只取其中的一个或两个构件为原动件，可以看出，其余活动构件的运动将不能确定，此运动链就不能成为机构。以上两个例子证明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可少于运动链的自由度数。综上所述，运动链成为机构的条件为： 取运动链11中一个构件相对固定作为机架，运动链相对于机架的自由度必须大于零，且原动件的数目等于运动链的自由度数。三、计算机构自由度时应注意的问题 例 1：计算图示摇筛机构的自由度： 计算是否正确? 1. 复合铰链 定义：两个以上构件在同一处以转动副相连接，所

14、构成的运动副称为复合铰链。 解决问题的方法：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。 摇筛机构中，构件 2、3、4 同在 C 处组成转动副。因此此机构的自由度为：2. 局部自由度定义：若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，则称这种自由度为局部自由度。 局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。 解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。3. 虚约束 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其他运动副所起的限制作用一致，这种不起独

15、立限制作用的重复约束称为虚约束。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，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。 采用虚约束是为了改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要。摇筛机构1215 机构的组成原理和结构分析一、平面机构的高副低代目的：为了使平面低副机构结构分析和运动分析的 方法适用于含有高副的平面机构。 概念：用低副代替高副 方法：用含两个低副的虚拟构件代替高副 高副低代必须满足的条件：1. 替代前后机构自由度不变 2. 替代瞬时速度加速度不变 x1x2AB C1234x1x213对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。经高副低代后

16、的平面机构，可视为平面低副机构。 二、平面机构的组成原理任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为 1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。 在研究机构的组成原理前，首先分析从动件系统的自由度的组成单元杆组。 1.杆组： 基本杆组：不可再分的自由度为零的构件组合称为基本杆组，简称杆组。 若杆组中有 n 个活动构件、 个低副，则有 , n 及 均为整数。II 级杆组: n=2, 图中 B 和 D 称为外副，C 为内副。外副：将与组外构件形成运动副 内副：组内两构件之间形成的运动副。III 级杆组: n=4, ，具有一个三副构件，每个内副所联接的分支构件为双副构件。 双副构件: 具有两个运动副的构件。2.机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到