机械运动设计与分析基础知识

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1、第3章 机械运动设计与分析基础知识,3.1 概述 目的：奠定机构运动设计与分析的基础。 问题：机构的组成要素（可动性角度） 及具有确定运动的条件。 方法：刚体相对运动分析。 手段: 运动简图自由度计算。,构件、运动副 机构的组成要素 机构运动简图 研究机构运动的模型 自 由 度 计 算 研究机构运动合理性的工具 瞬心法求速度 研究机构运动特性的工具,本章主要内容：,3.2 机构的组成要素 机构由构件组成。此语未描述出机构的可动性特征， 从运动分析的角度看不够完整。 仅仅构件间的任意堆积，显然无法完成运动传递功能。 构件间需要一种特定的连接结构 可动连接，将构件 连接起来；这就是运动副。 所以：

2、机构的组成有两个要素：构件、运动副,内燃机中的曲柄滑块机构，其4个部分之间既相对运动又有相对联系,作为一个整体参与机构运动的刚性单元体,1.构件：,一个构件，可以是的单一整体，也可能是 由若干个不同零件组装起来的刚性体。,类型： 机架 主动件（原动件） 从动件,表示方法： 简单线条,2.运动副及其分类,运动副的类型决定机构的运动形式。运动副有多种类型，对运动副进行正确的分类，在机构设计中是非常重要的。 运动副的种类很多，常用的分类方式有三种：,两构件间因保持接触而限制一定的相对运动后所形成的联接称为 运动副。,运动副元素：两构件上参与接触构成运动副的部分称为。,约束：因保持接触而造成的某种运动

3、限制。不同形式的运动副对运动的约束不同。,注意：若两表面脱离接触则相应的运动副随之消失。,运动副的三个特征： （）运动副是一种联接； （）运动副由两个构件组成； （）组成运动副的两个构件之间有相对运动,（1）按相对运动分,按组成运动副后两构件的运动空间，分为平面运动副和空间运动副。,.平面运动副 转动副（回转副、铰链） 两构件形成运动副后只可作相对转动。,几何特征：两圆柱面配合,运动特征：,实例： 门轴、轴承、铰链,简图中的运动副符号：,简图中运动副位置： 圆柱轴线位置,绕圆柱轴线的相对转动, 移动副 两构件形成运动副后只可作相对直线移动,几何特征： 两构件面接触、 沿导轨约束,运动特征：构件

4、沿直线导 轨的相对移动,简图符号：,简图位置： 导轨方位,简图符号：,平面滚滑副 两构件形成运动副后既可作相对滚动，也 可滚、滑并存,几何特征：两曲面（线）接触,运动特征：沿曲面切线方向的相 对滑动和滚动,简图符号：实际轮廓曲线,简图位置：曲率半径和曲率中心,.空间运动副 除了平面运动副外的运动副均为空间运动副,常见有：螺旋副、 球面副及球铰副、圆柱副,螺旋副,螺旋副,.空间运动副 除了平面运动副外的运动副均为空间运动副,球面副及球铰副,球面副,.空间运动副 除了平面运动副外的运动副均为空间运动副,圆柱副,圆柱副,（2）按接触特性分,按组成运动副的两元素理论上的接触特性分，有： 低副-面接触

5、高副-点、线接触 低副包括: 移动副、转动副、螺旋副、球面副等,高副包括： 球面高副 圆柱高副 平面滚滑副等,球面高副,高副包括： 球面高副 圆柱高副 平面滚滑副等,圆柱高副,高副包括： 球面高副 圆柱高副 平面滚滑副等,平面滚滑副,（3）按锁合方式（保持接触方式）分,形锁合（几何封闭）运动副 利用构件的几何形状使两运 动副元素始终保持接触,重力锁合,弹力锁合,利用外力使 两运动副元素 始终保持接触,形锁合,力锁合运动副,运动链两个以上构件通过运动副连接而形成的系统,3.运动链与机构, 具有一个固定件，即机架 具有足够的主动件(即各构件有确定的运动) 简言之，机构就是具有确定运动的运动链,当运

6、动链具备以下条件时就成为机构：,当运动链具备以下条件时就成为机构：, 具有一个固定件，即机架 具有足够的主动件(即各构件有确定的运动) 简言之，机构就是具有确定运动的运动链,机构的类型 平面机构各构件的运动平面相互平行 空间机构各构件不在平行平面内运动 低副机构所有运动副都是低副 高副机构机构中具有高副 刚性机构所有构件均是刚性构件 柔性机构机构中存在柔性构件,3.3 机构运动简图 机构运动简图是从运动学的角度出发，将实际机中与运动无关的因素加以简化，抽象后得到的与实际机器有完全相同运动特性的简图。 机构中各构件间的相对运动仅取决于连接各构件的运动副类型和运动尺寸（各运动副间的相对位置尺寸），

7、与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目和形状等无关。,机构运动简图是按比例确定运动副位置后，用代表运动副的符号（教材表3-1）和代表构件的简单线条绘制成的图形，它反映机器中各运动构件在某一时刻相对机架的位置。,机构运动简图的绘制要求：, 必须按一定比例绘制并标注在图上 L=实际长度/图示长度（单位：m/mm 或 mm/mm） 准确表示出所有构件和运动副 表明各构件间的相互位置关系，并标 明原动件及其运动方向 标明运动尺寸 注意：不按比例绘制的运动简图-机动示意图,机构运动简图的绘制（以曲柄滑块机构为例）：, 分清构件 判定运动副 合理选择视图(作 图投影平面)和主 动件位置 测量运动尺寸

8、按比例及规定的符 号绘制机构运动简 图；标上与运动有 关的参数, 分清构件,首先分清机架和主动件，再按运动传递路线逐个分清 各从动构件。 为分析和画图方便，可在各构件上依次标上数字编号。, 判定运动副,从主动件开始，按照运动传递的顺序，仔细观察相 邻两构件之间的相对运动性质或运动副的几何特征， 以确定运动副的类型。, 判定运动副,从主动件开始，按照运动 传递的顺序，仔细观察相邻 两构件之间的相对运动或运 动副的几何特征以确定运动 副的类型。, 判定运动副,从主动件开始，按照运动传递的顺序，仔细观察相 邻两构件之间的相对运动性质或运动副的几何特征， 以确定运动副的类型。 可用英文字母将运动副编号

9、，还可作些简单的记录。, 合理选择视图和主动件位置,对于平面机构，必须选择与各构件的运动平面相互 平行的平面为投影平面。并把主动件选定在某一位置 上，以此作为绘制机构运动简图的基准。,确定主动件位置 时，应使图中代表 构件的线条尽可能 不交叉、不重叠。 当主动件位置确 定后，其它构件的 位置就随之而定。, 合理选择视图和主动件位置,对于平面机构，必须选择与各构件的运动平面相互 平行的平面为投影平面。并把主动件选定在某一位置 上，以此作为绘制机构运动简图的基准。, 测量机构运动尺寸,根据运动副的相对位置，测量机构的运动尺寸并记录。, 绘制曲柄滑块机构的机构运动简图,选比例尺： 按比例定出运动副的

10、位，画 上相应的运动副符号，然后将 同一构件上的运动副用简单的 线条连接，此连线即代表该构 件。, 标注运动尺寸参数,在图上标明各运动副的 实际相对位置尺寸(所给 尺寸不能重复，更不应遗 漏)。 主动件应用箭头标明。,比例尺：, 机构表示形式的变化,注意： 移动副的位置仅与移动 方位有关，而与其导轨的 具体位置、大小无关。,机构运动简图的具体作用, 分析研究机构运动的模型 机构运动简图是为了便于分析研究机器的运动而从 机器中抽象出来的运动模型，略去了一些与运动无关的 因素，所以虽然两个机器的用途不同，外形也不一样， 但只要运动特性相同，就有可能采用相同的机构在一个 机构中，若已知其主动件的运动

11、，则可按其运动简图很 方便地确定其它构件的运动。 需要注意的是：机构运动简图是研究运动的模型， 而不一定是力分析的模型。这是因为力分析时，不仅要 考虑到构件的形状，还要顾及运动副的具体结构以及其 锁合形式等，而这些因素在机构运动简图中均被忽略。, 机构运动设计的目标 机构的运动仅与运动副的类型和位置有关，所以 根据机构的运动要求来设计机构时，就是要确定运 动副的类型及其位置，亦即确定机构的运动简图。 设计说明的文件 专利性质的判据 机构运动简图是判别专利性质的依据。 由于同一机构的具体构造形式有多种多样，故应 从构运动简图上判别其专利的性质。,相同机构判断方法,两图的转动副位 置相同，移动副方

12、 位一致，且对应的 两相邻构件组成的 运动副类型一致， 所以表示的是同一 个机构。,专利性质的判据,左图： 转移转移,右图：,转转移移,3.4 平面机构的自由度计算 任何机构的设计都应保证其能实现确定的运动，为此，必须探讨机构具有确定运动的条件。这是本 小节讨论的中心。 1.机构自由度 机构自由度是指确定机构空间位置时，所需独立参变量的数目，也就是机构所具有的独立运动数。,构件的自由度 构件自由度是指确定构件空间位置时，所需独立参变量的数目。也就是确定构件运动状态所需给定的独立参变数的数目。 在XOY 坐标系中，一 个作平面运动的构件，其 空间位置可以用其上任一 点A的坐标 、 ，和 过A点的

13、任一直线AB的 倾角这三个独立的位置 参数来描述。 因此：一个作平面运动的构件有3个自由度 同理：一个作空间运动的构件有6个自由度,一作平面运动的自由构件具有三个自由度。当它通过运动副连接于其它构件后，自由运动运动受到约束，相应的自由度数随之减少。不同类型的运动副引入的约束不同，剩下的自由度也不同。,转动副 引入2个约束： 沿Y 轴移动 沿X 轴移动 保留1个自由度： 绕Z 轴转动,移动副 引入2个约束： 沿Y 轴移动 绕Z 轴转动 保留1个自由度： 沿X 轴移动,滚滑副（平面高副） 引入1个约束： 沿接触点公法线 方向移动 保留2个自由度： 绕接触点转动 沿接触点公切线方向移动,由此可知，平

14、面机构中： 每个低副引入2个约束，使机构丧失2个自由度,则，机构的自由度为：F3n2P5P4,设，在一个平面机构中：,构件总数为N 个,活动构件数为个（N),无约束时自由度总数为3n个,低副总数为P5个 (引入P52个约束条件),高副总数为P4个 (引入P41个约束条件),每个高副引入1个约束，使机构丧失1个自由度,机构的自由度F 必须大于0才能运动。 机构中主动件的运动规律是已知的。因此，欲使 机构具有确定的运动，必须使机构的主动件数等于 机构的自由度数。,机构具有确定运动的条件： 主动件数 = F,若：F 主动件数,机构将破坏,F 主动件数,机构运动不确定,F 主动件数,机构运动确定,例1

15、、计算图示曲柄滑块机构的自由度 解: F3n2P5P4 3324101,例2、计算图示四杆机构的自由度 解: F3n2P5P4 3324101,例2、计算图示四杆机构的自由度 解: F3n2P5P4 3324101,例3、计算图示五杆机构的自由度 解: F3n2P5P4 3425102,例3、计算图示五杆机构的自由度 解: F3n2P5P4 3425102,例4、计算图示凸轮机构的自由度 解: F3n2P5P4 3222111,例5、计算图示结构的自由度 解: F3n2P5P4 3223100,由此可知：计算机构的自由度并检查其与原动件数是 否一致是判断机构是否具有确定运动的重要方法，也是 分析现有机构以及设计新机构所必需尊循的重要法则。,2.应用平面机构自由度计算公式时的注意事项,求图示机构自由度：,几何作图法检验 F1，为何与计算结果不符？,2.应用平面机构自由度计算公式时的注意事项,原因： 平面机构自由度计算公式在建立过程中，只考虑 了每个运动副引入的约束条件，而没有考虑到有些 机构中，由于运动副类型在特殊组合的情况下或运 动副间相对位置在特殊配置的情况下，有可能使其 引入的约束条件发生变化。 因此在使用公式时必须作出相应的处理。这就是 通常所说的应用自由度计算公式时的注意事项。,(1)复合铰链,由三个或三个以上构 件组成两个或两个以上 共轴线转动副的结构称 为复合铰