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1、Kinematics Fundamentals,机构的组成和结构,机构运动设计基础,Theory of Machines and Mechanisms,Kinematics Fundamentals,1. 机构的组成 2. 机构运动简图 3. 机构具有确定运动的条件 4. 机构的组成原理和结构分析,机构的组成和结构,Theory of Machines and Mechanisms,1 机构的组成,机构组成的两个要素 构件 运动副,构 件,机械中每一个独立的运动单元体，“杆” 从运动的观点分析机械时，构件是组成机械的基本单元体。机械是由若干个（两个以上）构件组合而成的。 构件由若干个（或一个）
2、零件组合（刚性联结）而成。,制造单元,机构的组成,构 件,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。,构件为一个零件（曲轴）,构件为多个零件,机构的组成,构 件,机架 本身固定不动的构件 原动件（主动构件） 输入构件 从动件 输出构件,机构的组成,机构的组成,运动副,机械中的所有构件都应具有确定的运动，而不能随意乱动。为了满足这个要求，必须对各构件的运动加以约束。这种约束，是由构件之间的相互联接引入的。 由两个构件构成的仍能产生某些相对运动的联接称为运动副。,两个相邻构件直接接触 两者之间允许一定的相对运动 每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接,机构的组成,运动副,机构的组成,
3、运动副,自由构件(空间)：F = 6 自由构件(平面)：F = 3,约束：运动副对构件独立运动所加的限制,机构的组成,运动副,两构件构成运动副后，它们之间尚能产生哪些相对运动？,与约束有关,运动副类型,按运动副的接触形式分类 低副：面接触 高副：点、线接触,按相对运动的形式分类 平面运动副：两构件之间为平面运动 空间运动副：两构件之间为空间运动,按运动副引入的约束数分类 1级副：引入1个约束 2级副：引入2 个约束 3级副：引入3 个约束 4级副：引入4 个约束 5级副：引入5 个约束,按接触部分的几何形状 分类 圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副、圆柱与平面副,运动副的分类,
4、运动副的表示,机构的组成,转动副,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,转动副,五级副,R,移动副,P,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,移动副,五级副,齿轮副,按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类： 按接触部分的几何形状分类：,平面运动副,高副,平面高副,四级副,运动副的表示（之一）,运动副的表示（之二）,低副机构,高副机构,Kinematics Fundamentals,1. 机构的组成 2. 机构运动简图 3. 机构具
5、有确定运动的条件 4. 机构的组成原理和结构分析,机构的组成和结构,Theory of Machines and Mechanisms,2 机构运动简图,机构运动简图的概念,机构运动简图 用国标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。,不严格按比例绘制，只表明机构的结构状况 机构示意图,机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性。,用于现有机械或新机械原理方案的设计、分析与讨论,重点在于机构的运动分析 构件的具体结构、组成方式等在方案设计阶段并不影响机构的运动特性 运动副类型表明了构件之间的联接关系和传动方式 构件的运动尺寸是运动分析的
6、基础,机构运动简图的概念,机构运动简图,机架,机架和活动构件通过转动副联接 (内副),机架和活动构件通过移动副联接,构件与运动副的表达方法,两个活动构件联接,双副构件 (一个构件和两个外副),注：点划线表示与其联接的其他构件,双副构件 (一个构件和两个外副),偏心轮,三副构件 (一个构件和三个外副),三副构件 (一个构件和三个外副),原动机,机构运动简图的绘制,机构运动简图,小型压力机,机构运动简图,2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。,转动副：,12 23 34 78 966 45 911,移动副：,39 47 89,平面高副：,16 56,机构运动简
7、图,3. 选择适当的视图平面,选择原则 1 清楚表达机构的主体部分； 2 尽可能反映机构的全面运动； 3 可以选择其他视图平面作为补充。,机构运动简图,4. 绘图,选择机架,提取构件的运动尺寸,确定比例尺,选择机构运动中的一个状态,确定各运动副位置，绘图,编号：A、B、C 表示运动副 1、2、3 表示构件 O1、O2表示固定转轴,原动件的运动方向,Kinematics Fundamentals,1. 机构的组成 2. 机构运动简图 3. 机构具有确定运动的条件 4. 机构的组成原理和结构分析,机构的组成和结构,Theory of Machines and Mechanisms,运动链,具有确定
8、的相对运动,机构,桁架,运动链,相对运动不确定,无相对运动,运动链成为机构的条件,开式运动链（开链） 运动链的各构件未构成首末封闭系统,闭式运动链（闭链） 运动链的各构件构成首末封闭的系统,运动链成为机构的条件,机构：具有确定运动的运动链。,机构,机构,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：组成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。,运动链成为机构的条件,机构,闭式链机构,开式链机构,运动链成为机构的条件,3 运动链成为机构的条件,运动链成为机构的条件,运动链的自由度=总自由度数目-总约束数目,运动链的自由度 F = 6n - 5P5
9、 - 4P4 - 3P3 - 2P2 P1,K 级 运 动 副,n 为活动构件数目，Pk 表示 k 级副的数目,平面运动链的自由度计算,运动链成为机构的条件,一个作平面运动的自由构件具有3个独立的运动 3个自由度,要确定这个构件在平面中的位置，就需要给定3个独立的运动参数。,当该构件与其它构件构成运动副后，某些独立运动将因受到运动副的约束而消失，因此其自由度将减少，且减少的数目应等于约束的数目。,约束的数目与联接各构件的运动副的类型有关 低副 转动副 两构件只能在一个平面内相对转动（绕xOy平面的转动） 限制了沿x、y的移动， 只存在1个自由度 移动副 两构件只能沿某一轴线相对移动（沿x的移动
10、） 限制了沿y的移动、绕xOy平面的转动 只存在1个自由度 低副约束了2个独立运动,运动链成为机构的条件,高副 车轮与钢轨 凸轮与从动件 轮齿与轮齿 两构件可以在平面内相对转动、沿t-t的相对移动 限制了沿n-n的移动 存在2个自由度 高副约束了1个独立运动,运动链成为机构的条件,平面运动链自由度的计算 自由度=总自由度数目-总约束数目 1个作平面运动的自由构件,共有3个自由度 n个作平面运动的自由构件,共有3n个自由度 总自由度数目=3n（n为平面机构的活动构件总数目） 1个低副引入2个约束 pl个低副引入2 pl个约束 1个高副引入1个约束 ph个高副引入ph个约束 总约束数目=2 pl
11、+ ph,F=3n-(2 pl +ph),运动链成为机构的条件,例1：计算图示机构的自由度。 解：,n=4,pl=5,ph=1,F=3n-2ph-pl =34-25-1 =1,运动链成为机构的条件,平面运动链自由度的计算,例2：计算图示机构的自由度。 解：,n=5,pl=7,ph=0,F=3n-2ph-pl =35-27-0 =1,运动链成为机构的条件,平面运动链自由度的计算,平面运动链自由度的计算,例3：计算图示机构的自由度。 解：,n=4,pl=5,ph=1,F=3n-2ph-pl =34-25-1 =1,运动链成为机构的条件,例4：试计算图示航空照相机快门机构的自由度。 解：,运动链成为
12、机构的条件,该机构的构件总数N=6，活动构件数n=5，6个转动副、1个移动副，没有高副。,平面运动链自由度的计算,由此可得机构的自由度为： F=3n-2Pl-Ph =35-27-0 =1,例5：试计算图示牛头刨床工作机构的自由度。 解：,运动链成为机构的条件,该机构的构件总数N=7，活动构件数n=6，5个转动副、3个移动副， 1个高副。 由此可得机构的自由度数为： F=3n-2Pl-Ph =36-28-1 =1,运动情况,拆装,平面运动链自由度的计算,运动链成为机构的条件,结论：运动链的原动件的数目运动链的自由度数目,运动链成为机构的条件,当运动链的原动件的数目运动链的自由度数目时 运动链的运
13、动将不确定,运动链成为机构的条件,当自由度数目1时 为刚性构件,运动链成为机构的条件,当运动链的原动件的数目运动链的自由度数目时 将导致运动链中最薄弱环节的损坏,运动链成为机构的条件,计算机构自由度时应注意的问题,问题1：复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联接，所构成的运动副称为复合铰链。 如图所示，3个构件共构成2个转动副 m个构件共构成(m-1)个转动副,运动链成为机构的条件,F=3n-2ph-pl =35-27-0 =1,计算机构自由度时应注意的问题,问题2：局部自由度 所产生的局部运动并不影响其它构件的运动 经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合,运动链成为机构的条件,计算机构
14、自由度时应注意的问题,问题3：虚约束,运动链成为机构的条件,在特定的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它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。,虚约束常发生在下列情况： 两构件间构成多个运动副 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 机构中对运动不起作用的对称部分,两构件间构成多个运动副,两构件在多处接触而构成多个移动副，但其导路互相平行或重合只能算一个移动副。,两构件在多处接触而构成多个转动副，但其转动轴线重合只能算一个转动副。,两构件在多处接触而构成多个平面高副，但各接触点的公法线彼此重合只
15、能算一个平面高副。,运动链成为机构的条件,两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变,运动链成为机构的条件,联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合,运动链成为机构的条件,AB = BC = BD DAC = 90 除 B、C、D点，各点轨迹为一椭圆 C点轨迹是沿Y轴的直线,为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分,机构中对运动不起作用的对称部分,运动链成为机构的条件,虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率或者其它特殊需求； 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；,虚约束问题小结：,运动链成为机构的条件,机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，
16、以确保满足虚约束存在的条件。,虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；,计算机构自由度时应注意的问题,例1 计算图示大筛机构的自由度。,局部自由度,虚约束,运动链成为机构的条件,例1 计算图示大筛机构的自由度。,将局部自由度去除后,将虚约束去除后,运动链成为机构的条件,F=3n2pl ph=37291=2,Kinematics Fundamentals,1. 机构的组成 2. 机构运动简图 3. 机构具有确定运动的条件 4. 机构的组成原理和结构分析,机构的组成和结构,Theory of Machines and Mechanisms,机构的组成原理 机构的结构分析 平面机构的高副低带,机构的组成原理和结构分析,4 机构的组成原理和结构分析,构件 + 运动副 运动链 机构,机构的组成原理,机构的组成原理和结构分析,机构的组成原理,杆组 对于只含低副的平面机构 3n-2pl=0 pl=3n/2， 则n只能取2、4、6等偶数。 双杆组（II级杆组）n = 2，pl = 3 多杆组（III级杆组）n = 4，pl = 6；n = 6，pl = 9 ,
