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1、第三章 平面机构的结构分析,各部分机构协调配合工作，便能把燃气燃烧时产生的热能转变为曲轴转动的机械能。,曲柄滑快机构 凸轮机构 齿轮机构,内燃机包含下列机构：,第一节 平面机构的组成,机构是一个构件系统 机构是机器的重要组成部分 机构只用来传递运动和力。,人为的实物组合（不是天然形成的） 各实物单元具有确定的相对运动 能完成有用的机械功或转换机械能,由若干构件（包括机架）以运动副相联接并具有确定相对运动的组合体。,一、机构的组成：,组成机构的两大基本要素,平面机构 Vs 空间机构,组成机构的两大基本要素,1、机架：机构中相对不动的构件,2、主动动件：驱动力所作用的构件。输入构件,3、从动动件：
2、随着原动构件的运动而运动的构件。输出构件,构件类型：,注意！,在机构运动简图中，原动件上通常画有箭头，用以表示其运动方向。 从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的组成情况。 在活动构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件都是从动件。,原动件（主动件）,机架,任何一个机构中，必有且只有一个构件被相对地看作机架,从动件,A,B,C,D,输出构件,输入构件,从动件,机构中两构件直接接触的可动联接 （既保持直接接触，又能产生一定的相对运动）,二、运动副,活塞与气缸的联结 两个传动齿轮间的联结 连杆与曲柄的联结,两构件通过点或线接触的运动副。 如齿轮副、凸轮副。,根据运动副的接触形式，运动副
3、分为两类：,1）低副：,2）高副：,两构件通过面接触组成的运动副。 如转动副（铰链）、移动副。,除平面副之外，机构中还存在空间运动副。 如球面副、螺旋副。,转动副,移动副,低副（面接触）,转动副：组成运动副的两构件只能在一个平面内转动,移动副：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动,运动副元素：圆柱面、圆孔面,例：轴与轴承的配合,例：滑块与导轨的接触,运动副元素：棱柱面、棱孔面,齿轮副,凸轮副,高副 两构件通过点或线接触组成的运动副,例：两齿轮轮齿的啮合,运动副元素：两齿廓曲面,空间：线高副,空间：点高副,空间：球副,空间：球销副,空间：螺旋副,第二节 平面机构的运动简图,研究机构运动时，为
4、使问题简化而用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置。这种表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图。,1、转动副：,一、运动副的表示方法,2、移动副：,3、高副 ：,画出两构件接触处的曲线轮廓（齿轮除外：可用两节圆表示）。,齿轮机构,二、构件的表示与分类,1、构件的表示,杆、轴类构件,固定构件,同一构件,一杆两副,一杆三副,三、机构运动简图的绘制步骤,1、分析机构,（1）找出构件总数，定出原动件,判断各构件的运动性质 (移动、转动),（2）定出运动副的个数，各运动副的类型（移动副、转动 副、高副）,2、适当选择投影面,一般选择与多数构件的运动
5、平面相平行的面作为投影面。,3、选择适当的比例尺，绘制机构运动简图,选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，用构件和运动副的规定符号绘制机构的运动简图。,4、标出原动件，给各构件标上代号,一般原动件标号为1，机架为最后标号。,构件：1，2，3， 运动副：A，B，C，,注意以下简图的区别：,内燃机的机构运动简图,第三节 平面机构的自由度,自由度 构件间的独立相对运动,约 束 运动副对构件间相对运动的限制作用,一、自由度与约束,O,x,y,自由度,一个作平面运动的自由构件 具有三个自由度,Q,Y,X,F=3,1,2,F=32=6,自由度： 构件可能出现的独立运动,运动副的约
6、束,约束：两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到某些限制。,转 动 副,组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动。,低副引入两个约束！,1,2,两构件： 其中一个固定约束了 三个自由度，另一个 未固定，F=3,1,2,两构件： 一个固定另一与之铰 接。X、Y固定，1件 可转动。F=1，S=2。,两构件活动铰接： F=4 S=2,Q1,Q2,X,Y,1,移 动 副,组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动。,低副引入两个约束！,1,2,两移动副：一个固定 一个活动。F=3,1,2,两移动副其中一个固定， 另一个放置于之上。其约 束S=2（Y与Q）F=1,齿 轮 副,高副引入一个约束！,沿接触
7、处切线 t-t方向的相对运动和在平面内的相对转动,齿轮副只限制n-n 方向的切入，不限 制t-t方向的移动和 转动。F=2，S=1。,凸 轮 副,高副引入一个约束！,只限制n-n方向切入， 而不限制t-t方向的移 动和转动。F=2，S=1。,综合上述四种情况： 1 低副： （转动副和移动副） 其约束数为 S=2,2高副： （齿轮副和凸轮副） 其约束数为 S=1,二、平面机构自由度的计算公式,转动副,1、运动副和约束,运动副,低副,高副,移动副,每个低副引入两个约束，失去两个自由度。,每个高副引入1个约束，失去1个自由度。,2、自由度的计算公式,（设N个构件，PL个低副，PH个高副）,活动构件数
8、n为:,机构自由度F为:,未加运动副之前,加运动副之后,n=N-1,自由度总数为:,3n,F=3n2PLPH,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,0,= 2,F =3n2plph = 3 2 ,2,2,1,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,1,= 1,例：计算如图所示双曲线画规机构和牛头刨床机构的自由度,(a)双曲线画规机构,(b) 牛头刨床机构,解：(a) (b),例：画出如图所示机构的平面运动简图并计算其自由度,原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意
9、乱动）,机构的原动件的独立运动是由外界给定的。若给出的原动件数不等于机构的自由度，则将产生如下影响：,3、机构具有确定运动的条件,原动件数机构自由度数，将杆2拉断。,机构自由度等于零时，各构件间不可能产生相对运动。,机构具有确定运动的条件是：,（1）机构自由度 F0， （2）机构自由度 F=原动件数。,F=33-25=-1 超静定结构,F=32-23-0=0 刚性桁架,平面运动机构的自由度一定大于零？,三、计算平面机构自由度的注意事项,1、复合铰链 两个以上的构件同时在一处用转动副相联结就构成复合铰链（在机构运动简图上显现为1个转动副）。 由K个构件组成的复合铰链应含有(K-1)个转动副。,F
10、 3n2plph 3 2 ,5,6,0, 3,F 3n 2plph 3 2 ,5,7,0, 1,错,对,2,3,5,1,复合铰链的识别,例 计算原盘锯主体机构的自由度,解 机构中活动构件有,n,7,低副有,PL,10,F = 3n2PLPH =,3, 2,=,7,10,1,定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动, 不影响机构输出运动的自由度 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,2、局部自由度（或多余自由度),存在与否都不影响整个机构的运动规律！,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，视作一个构件,F3n2plph 3 2
11、,3,3,1, 2,F3n 2plph 3 2 ,2,2,1, 1,错,对,3、虚约束,在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束。,MN实际上不起限制作用,计算机构自由度时处理办法： 将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。,F = 3n2PLPH =,3, 2,=,3,4,1,例 计算机构的自由度,平面机构的虚约束常出现于下列情况：,A 两构件之间构成多个运动副时 B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时 C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时 D 机构中对运动不起作用的对称部分,A 两构件之间构成多个运动副时,
12、两构件组合成多个转动副，且其轴线重合 两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合 两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数,目的：为了改善构件的受力情况,F3n2PLPH 3 2 ,2,2,1,1,B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时,在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束 计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,F3n2PLPH 3 2 ,4,6,0, 0,错,对, 1,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,C 两构件上联接点的轨迹重合,在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束 计
13、算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算 同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,D 机构中对运动不起作用的对称部分,在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束 计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算 同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样 目的：为了改善构件的受力情况,F3n2PLPH 3 2 ,3,3,2,1,4、自由度计算小结,自由度计算公式: F3n2plph 机构自由度3活动构件数2低副数1高副数 计算步骤: 确定活动构件数目 确定运动副种类和数目 确定特殊结构: 局部自由度、虚约束、复合铰链 计算、验证自由度 几种特殊结构的处理: 1、复合铰链计算在内 2、局部自由度排除 3、虚约束-重复约束排除,例 计算图所示发动机配气机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,=37-2 9-1 =2,F=3n-2PL-PH,F = 3n2PLPH,3,2,=,9,12,1,2,=,F = 3n2PLPH,3,2,=,8,11,1,1,=,例：计算图示凸轮连杆机构的自由度。,解： 一个局部自由度 一个移动副虚约束 一处复合铰链 8个可动构件 11个低副 1个高副 F=3n-2PL-PH =38-211-1 =1,
