机械系统的运动简图设计

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1、第2章 平面机构的组成及结构分析本章主要介绍了机构的组成及特点，分析机构具有确定 运动的的条件，学会平面机构运动简图的绘制及自由度的 计算， 明确机构分析的目的。 第2章 平面机构的组成及结构分析n2.1 平面机构的组成n2.2 平面机构的运动简图n2.3 平面机构的自由度n所有构件的运动平面都相互平行的机构称为平面 机构，否则称为空间机构。常用机构大多数为平 面机构，本章仅讨论平面机构的情况 。2.1 平面机构的组成n2.1.1 构件的分类根据构件在传递运动中的作用，机构中的构件可分为三类 ：n固定件或机架用来支撑活动构件固定不动的构件。研 究机构中活动构件的运动时，常以固定件作为参考坐标系

2、。n原动件按给定运动规律独立运动的构件。它是机构中 输入运动的构件，故又称为主动件。n从动件机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构 件。n在一般的机构中，必有一个构件被相对地看作固定件，在活 动构件中，必须有一个或几个原动件，其余的是从动件。当 原动件按预定的运动规律运动时，机构中各从动件即有确定 的相对运动。 2.1 平面机构的组成2.1.2 运动副n自由度：把构件可能出现的独立运动的数目称为自由度 。2.1 平面机构的组成2.1.2 运动副n运动副：机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的联接 ，称为运动副。 图2-2 运动副n自由度和运动副约束 两构件构成运动副后，某些独立的 相对运动

3、便受到限制，这种限制称为约束。运动副引入约束 ，相对运动自由度随之减少。n运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副元素不 外乎为点、线、面。n按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。 n1.低副 两构件通过面接触构成的运动副称为低副。n移动副：两构件间的相对运动为直线运动的，称为移动副 。图2-3移动副具有2个约束，保留了1个自由度2.1 平面机构的组成图2-4 转动副转动副： 两构件间的相对运动为转动的，称为转动副或 称为铰链副 a)固定铰链具有2个约束，保留了1个自由度2.1 平面机构的组成b)活动铰链转动副具有2个约束，保留了1个自由度由上述可知，在平面机构 中，每

4、个低副引入两个约束， 机构即失去两个自由度。2.1 平面机构的组成n2.高副两构件通过点或线接触构成的运动副称为高副。2.1 平面机构的组成图2-5 凸轮高副n保留2个自由度，带进1个约束2.1 平面机构的组成图2-6 齿轮高副n保留2个自由度，带进1个约束n由上述可知，在平面机构 中，每个高副引入一个约束 ，机构即失去一个自由度。n低副两构件之间为面接触，只能作相对滑动，容易制造和维修，其承受载荷时接触处单位面积上的压力小，承载能力大，耐磨损，寿命长，但滑动效率较低；n高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动，或两者并存，承受载荷时接触处单位面积上的压力大，耐磨损，制造维修困难，但能传递复杂的运

5、动。 2.1 平面机构的组成n运动副的特点2.2 平面机构运动简图 2.2.1 运动副和构件的表示方法 运动副的表示方法n转动副表示方法 n小圆圈表示转动副，其圆心表示两构件相对转动的轴线位置。n构件上画斜线的表示机架。n图面垂直于回转轴线时用2-7a表示；n图面不垂直于回转轴线时用2-7b表示。 (a) (b) 图2-7 转动副的表示方法n 移动副表示方法n两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。2.2 平面机构运动简图 n高副表示方法n 两构件组成高副时，应绘出两构件接触处的曲线轮廓。n对于凸轮、滚子，习惯上绘出其全部轮廓；n对于齿轮，常用点划线画出其节圆。图2-9 高副的表示方法

6、2.2 平面机构运动简图 其它他常用零部件的表示方法可参看GB4460-84“机构运动简图符号”。n2.2.2 构件的表示方法n构件的相对运动是由运动副决定的，所以在表示机构运动 简图中的构件时，把构件上的运动副按照其相对位置先用 符号表示出来，再用简单的线条连接起来。表示方法如图 2-10所示。2.2 平面机构运动简图 (a)两副构件(b)三副构件图2-10 构件的表示方法2.2 平面机构运动简图2.2.3 平面机构运动简图的绘制n分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原 动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。n按照运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运 动的性质，确定运

7、动副的类型和数目。n一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面 作为投影面。n选择适当的比例尺，定出各运动副之间的相对位置， 用规定的简单线条和各种运动副符号，绘制机构运动简图 。n根据图纸的大小、实际机构的大小和表达清楚机构的结 构为依据，选择长度比例尺例2.1 试绘制内燃机的机构运动简图2.2.3 平面机构运动简图的绘制气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10解：1）分析运动，确定构 件的类型和数量2）确定运动副的类型和 数目：5和6、7和8之间分别 构成高副；2和4、8和4之间 分别构成移动副；7和4、2和 2、2和3、3和4之间分别构成 转动副。 3）选择视图

8、平面4）选取比例尺，根据机 构运动尺寸，定出各运动副 间的相对位置5）画出各运动副和机构 符号，并表示出各构件2.2.3 平面机构运动简图的绘制2.2.3 平面机构运动简图的绘制例题二：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图(a) (b) 图2-12 颚式破碎机及其机构简图2.2.3 平面机构运动简图的绘制分析：n构件2、2组成以A为中心的回转副；n构件2、3组成以B为中心的回转副；n故构件3、4组成以C为中心的回转副；n构件4、2组成以D为中心的回转副。 2.3.1 平面机构自由度的计算n如果一个平面机构中包含有N个构件，其中2个构件固定为 机架，则有n=N-2个活动构件，若有PL个低副和PH个高

9、副。 则这些活动构件在未用运动副联接之前，其自由度总数为3n 。当用PL 个低副和PH 个高副联接成机构之后，全部运动副 所引入的约束为2PL+ PH 。因此活动构件的自由度总数减去 运动副引入的约束总数，就是该机构的自由度数，用F表示 ，有 F=3n-2PL- PH （2-2）n由公式可知，机构自由度F取决于活动构件的数目以及运动 副的性质和数目。2.3 平面机构的自由度及具有确定运动的条件例2-3 计算图2-12b所示的颚式破 碎机的自由度。n解： 除机架外，颚式破碎机有 三个活动构件，n=3；四个转动 副共4个低副，PL=4，PH=0。n由式(2-2)得F=3n-2PL-PH=33-24

10、-20=2该机构的自由度为2。2.3 平面机构的自由度及具有确定运动的条件实例分析 2.3.2 机构具有确定运动的条件2.3 平面机构的自由度及具有确定运动的条件(a)两个自由度 (b)一个自由度 (c)0个自由度F=34-25=2 F=33-24=1 F=34-26=0 图2-13 不同自由度机构的运动n综上所述：机构具有确定运动的条件是：机构自由度必须 大于零、且原动件数与其自由度必须相等。1.复合铰链2.局部自由度 3.虚约束 两个以上构件组成两个或多个共轴线的转动副，即为复合铰链 。说说 明明 机构中常出现一种与整个构件运动无关的自由度，称为局部自 由度或多余自由度。 。 说说 明明

11、在运动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响是重复 的。这些对机构运动不起限制作用的重复约束，称为虚约束，说说 明明 虚约束常见情况及处理方法 说说 明明 虚约束对机构的影响说说 明明 2.3.3 计算平面机构自由度时几种特殊结构的处理2.3 平面机构的自由度及具有确定运动的条件例2-4 试计算图2-19所示的大筛机构的自由度，并判断它是否有 确定的运动。 解 机构中的滚子有一个局部自由度。在E和E组成两个导路平 行的移动副，其中之一为虚约束。C处是复合铰链。将滚子与 顶杆焊成一体，去掉移动副E，并在C点去掉2个回转副。由此 得，n=7，PL=9，PH=2。其自由度为：F=3n-2PL-P

12、H=37-29-2=2 因为机构有两个原动件 ，其自由度等于2， 所以具有确定的运动。2.3 平面机构的自由度及具有确定运动的条件三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m 1个转动副。 3.3 平面机构的自由度惯性筛机构C处为复合铰链计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现 计算错误。n = 5, Pl = 7, Ph = 0= 35 -27 0 = 1F = 3n - 2Pl Ph3.3 平面机构的自由度滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。计入局部自由度时n = 3, Pl = 3, Ph = 1F =33 - 2- 1 = 2 与实际不符3.

13、3 平面机构的自由度应除去局部自由度，即把 滚子和从动件看作一个构件。处理方法 n实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并 非实际拆除。教材图1-13b动画N = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 32 - 22 1 = 1与实际相符3.3 平面机构的自由度n = 4, Pl =6, Ph = 0 构件5给机构引入三个自由度，四个约束。多出的一个约束 对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。 与实际不符 F = 34 -26 0 = 03.3 平面机构的自由度n = 3, Pl =4, Ph =0F = 33 - 24 0 = 1处理方法与实际相符应除去虚约

14、束，即 将产生虚约束的构件5及 运动副除去不计。3.3 平面机构的自由度1.两构件未组成运动副前，连接点处的轨迹已重合为一，组成的 运动副存在虚约束。 n计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。 虚约束常见情况及处理3.3 平面机构的自由度虚约束常见情况及处理 n计算中只计入一个移动副。 2.两构件组成多个移动副，且导路相互平行或重合时，只有 一个移动副起约束作用，其余为虚约束。3.3 平面机构的自由度3.两构件组成多个转 动副，且轴线重合， 只有一个转动副起约 束作用，其余为约束 。 虚约束常见情况及处理 n计算中只计入一个转动副。3.3 平面机构的自由度虚约束常见情况及处理n计算中

15、应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。4.两构件两点间未组成运动 副前距离保持不变，两点间 用另一构件连接时，将产生 虚约束。3.3 平面机构的自由度虚约束常见情况及处理n计算中应将对称部分除去不计。 5.机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。3.3 平面机构的自由度虚约束对机构的影响机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓“除去不计”是从运动观点 分析做的假想处理，并非实际拆除。 虚约束是在一些特定的几何条件下引入的，如“平行”、“重合 ”、“距离不变”等。如果几何条件不满足，虚约束会转化为有效 约束。机构中引入虚约束是为了 受力均衡，增大刚度等，同 时也提高了对制造和装配精 度的要求。3.3 平面机构的自由度