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1、第二章 机构的结构分析与综合,2.1 机构的组成及运动简图 2.2 机构的自由度计算及机构运动确定条件 2.3 机构的高副低代、结构分析和组成原理,2.1 机构的组成及运动简图,一、构件和运动副 二、运动链和机构 三、平面机构运动简图,2.1 机构的组成及运动简图,一、构件和运动副(Kinematic Pairs),2.运动副(Kinematic Pairs),1.构 件(Links),运动副 运动副约束 运动副分类,一、构件和运动副,构件：指具有独立运动的单元体。 它可以是单一的零件，也可以是由 几个零件组成的刚性结构。,构件(Links),轴与轴承连接 （圆柱和圆柱孔面）,滑块与导轨连接
2、（平面接触）,两齿轮轮齿啮合 （齿廓曲面）,运动副元素 两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、 面称为运动副元素。,运动副：两构件直接接触并能产生一定形式的相对运动的 可动连接，称为运动副。,运动副 (Kinematic Pairs),运动副约束：运动副对构件的独立运动所加的限制。 对构件一个独立运动的限制称为一个约束。 构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目,O,A,B,xA,yA,x,y,在空间有两构件1和2，构件2固定于坐标系O-xyz上，当构件1未与构件2组成运动副之前，构件1相对构件2可以沿x、y、z轴移动和绕x、y、z轴转动。即作空间自由运动的构件具有六个自由度 (作平面自由运
3、动的构件有三个自由度)。,运动副约束(Kinematic pair constraint),两构件构成运动副之后，它们之间尚能产生哪些相对运动，则完全取决于运动副的类型，即与该运动副对两构件间的相对运动引入的约束情况有关。 因两构件构成运动副后，仍须保证能产生一定的相对运动，故运动副引入的约束数目最多为5个（对平面机构而言最多为2个），而剩下的自由度最少为1个。 当两构件构成运动副之后，它们之间的相对运动将受到约束，这时自由度减少的数目应等于该运动副所引入的约束的数目。,运动副约束(Kinematic pair constraint),自由度为1 可以绕z轴转动,自由度为1 可以沿x轴移动,自
4、由度为2 可以沿切线移动 可以绕接触点或线转动,运动副约束(Kinematic pair constraint),运动副分类（有多种分类方法）,根据运动副引入的约束数 根据构成运动副的两构件之间的相对运动 根据构成运动副的两构件之间的接触情况 根据构成运动副的两构件的接触部分几何形状,运动副分类,运动副分类,根据运动副引入的约束数，运动副分为五级 I级副： 引入1个约束的运动副 级副：引入2个约束的运动副 级副：引入3个约束的运动副 级副：引入4个约束的运动副 级副：引入5个约束的运动副,1,移动副,平面高副,球销副,球面副,圆柱副,螺旋副,转 动 副,级副,级副,级副,级副,级副,级副,运动
5、副分类（有多种分类方法）,运动副分类,构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的称为平面运动副，为空间运动的称为空间运动副。,平面运动副(planar kinematic pair) 空间运动副(spatial kinematic pair),根据构成运动副的两构件之间的相对运动，运动副可分为：,2,平面运动副,转动副,移动副,平面齿轮副,平面凸轮副,螺旋副,球面副,空间齿轮副,空间凸轮副,空间运动副,低副(lower pair)： 面接触的运动副 高副(higher pair)： 点、线接触的运动副 在平面机构中，一个低副提供两个约束，一个高副提供一个约束。,运动副分类,根据构成运动副的两
6、构件之间的接触情况，运动副可分为：,3,低副(lower pair),如果两构件以低副接触，则两构件间的压力较低，对受力有好处。如转动副、移动副、螺旋副和球面副均是低副。,转动副(revolute pair).,构件2沿x轴和y轴的相对移动受到约束。构件2只能绕xoy平面的轴转动。,铰链的连接,轴颈和轴承间的连接,具有一个独立相对转动的运动副称为转动副.,移动副(sliding pair or prismatic pair),具有沿一个方向独立相对移动的运动副.,螺旋副(screw pair), 螺杆转动,螺母移动, 螺杆转动且移动.,球面副(spherical pair),平面高副(plan
7、ar higher pair),凸轮副(Cam pair),齿轮副（Gear pair ）,1,2,3,具有两个独立相对运动的平面运动副称为平面高副,运动副分类,根据构成运动副的两构件的接触部分几何形状，运动副可分为：,4,圆柱副(cylindric pair) 平面副(planar pair) 球面副(Spherical pair) 球销副(sphere-pin pair) 螺旋副(Screw pair) 环运动副(looping pair) 等,圆柱副(cylindric pair),球销副(sphere-pin pair),环运动副(looping pair),二、运动链(Kinemat
8、ic Chain)和机构,二、运动链和机构,2.机构,1.运动链(Kinematic Chain),When a number of links are connected by means of kinematic pairs, the resulting mobile system is a kinematic chain.,运动链的分类:,1.运动链(Kinematic Chain),1.运动链(Kinematic Chain),闭式运动链 (closed chain) 开式运动链 (open chain),运动链,用运动副将两个或两个以上的构件连接而成的系统称为运动链。,闭式运动链,如
9、果运动链中的每一构件都至少包含两个运动副,该运动链为闭式运动链.,运动链的分类,如果运动链中各构件构成了首尾封闭的系统，则称为闭式运动链。,开式运动链,如果运动链中的一个或多个构件仅有一个运动副元素,该运动链为开式运动链。,如果运动链中各构件未构成首尾封闭的系统，则称为开式运动链。,运动链的分类,2. 机构,机构：若将运动链的一个构件固定为机架时，运动链便成为机构。,2.机构,构件的分类,机构中的构件可分为三大类：,（1）机架 机构中固定不动的构件。 一个机构只有一个机架。 （2）原动件(主动件) 机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件。 （3）从动件 机构中除原动件外的其余活动构件。 当确
10、定原动件后，其余从动件随之作确定的运动。,构件的分类,构件,铰链四杆机构,铰链五杆机构,（1）平面机构 （2）空间机构,机构的分类,组成机构的各构件都在同一平面内或相互平行的平面内运动，则称此机构为平面机构，否则称为空间机构。,机构的分类,空间机构,如果机构中所有的运动副都是低副，则称此机构为低副机构或连杆机构。,如果机构中有一个或多个高副，则称此机构为高副机构。,1,2,3,4,机构的分类,平面机构中的所有运动副一定是平面运动副，但是只包含平面运动副的机构也可能是空间机构。,例如: 万向联轴节是空间机构，该机构只包含转动副（平面运动副）,机构,三、平面机构运动简图,三、平面机构运动简图,1.
11、机构运动简图的定义和目的,2.机构运动简图的作用,4.绘制机构运动简图的步骤,3.运动副和构件的表示方法,(1) 因为机构各构件间的相对运动，是由原动件的运动规律、机构中所有运动副的类型、数目及其相对位置(即转动副的中心位置、移动副的中心线位置和高副接触点的位置)决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及其固联方式和运动副的具体结构无关. (2) 能够准确表达机构运动情况的简单图形,称为机构运动简图。 (3) 绘制机构运动简图的能力是工程师的基本技术技能。,1.机构运动简图的定义和目的,1.机构运动简图的定义和目的,(1) 机构运动简图应该是简单的，但能提供确定所有构件相对运动的必
12、须信息。 (2) 应按规定的符号绘制机构运动简图。 应按比例绘制机构运动简图。不按比例绘制的机构运动图称为机构示意图。 只需考虑机构的运动学尺寸。,注意：,2.机构运动简图的作用,（1）可以简明地表达一部复杂机器的传动原理。 （2）可以用图解法求机构上各点的轨迹、位移、速度和加速度.因为机构运动简图反映了机构各构件间的真实运动。 （3）可以使我们在研究各种不同的机械运动时收到举一反三的效果。 例如：活塞式内燃机、空气压缩机和冲床，尽管它们的外形和功能各不相同.但它们的主传动机构的运动简图都一样（曲柄滑块机构），可以用同一种方法来研究它们的运动。,2.机构运动简图的作用,机构运动简图表达符号已有
13、标准（GB4460）,该标准对运动副、构件及各种机构的表示符号作了规定。,3.运动副和构件的表示方法,3.运动副和构件的表示方法,构件的表示,运动副的表示,转动副的表示 移动副的表示 平面高副的表示,某些常用机构的表示,用位于转动中心的小圆圈表示转动副，其圆心必须与相对回转轴线重合。,转动副的表示,如构件之一为机架，则须在代表机架的构件上加阴影线，以表示固定。 固定铰链可用带三角支撑架和阴影的小圆表示。,转动副的表示,投影面垂直于转动轴线的表示法,转动副的表示,投影面通过回转轴线的表示法,转动副的表示,移动副的表示,移动副中横截面的实际形状和尺寸对机构的运动学没有影响。,有阴影线的构件表示机架
14、,移动副的表示,移动副的中心线必须与实际机构的导路平行； (2) 移动副的中心线可以平移； (3) 组成移动副的任意一个构件都可以画成滑 块，而另一构件画成导杆。,注意：,这五种简图 是等价的:,齿轮副,齿轮副用两个相切的点划线圆表示，可以在啮合处添加两齿廓。,平面高副的表示,在简图中应当画出两构件在接触处的曲线轮廓。但曲率中心的位置必须与构件实际轮廓曲率中心的位置一致。,凸轮副,3,2,1,应按比例真实地画出两构件接触处的曲线轮廓,即凸轮实际廓线和从动件末端的轮廓。,构件的运动功能是在机构运动过程中保持构件上所有运动副元素的相对位置不变。,构件的表示,仅两个转动副中心的距离AB对运动分析起作
15、用。,表示方法： 用一条直线连接两个运动副元素表示构件。,具有两个运动副元素的构件表示方法,具有3个或3个以上运动副元素的构件表示方法,(1) 为说明3个转动副元素在同一构件之上，应将每两条直线相交的部位涂上焊接符号或在三角形中间画上阴影线。如图a）b）c） (2) 图d) 3个转动副的中心位于一条直线上的画法。 (3) 具有n个运动副元素的构件可以用n边形表示。,具有3个或3个以上运动副元素的构件表示方法,注意:,下列两组图形的表达含义是不同的,图(a)构件表示法,某些常用机构的表示,某些常用机构有专用的符号表示法,电动机,某些常用机构的表示,圆锥齿轮机构Cone gear drive,某些常用机构的表示,齿轮齿条机构 Rack and Pinion,某些常用机构的表示,蜗杆蜗轮机构 Worm and Worm Gear Mechanism,某些常用机构的表示,棘轮机构 Ratchet Mechanism,某些常用机构的表示,凸轮机构 Cam Mechanism,
