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1、第二章 机构的结构分析（Structure Analysis),教学内容 2-1 机构的组成 2-2 机构运动简图的绘制 2-3 机构自由度的计算 2-4 计算平面机构自由度应注意事项 2-5 机构具有确定运动的条件 2-6 机构的组成原理及结构分析,本章难点 在机构自由度的计算中有关虚约束的识别及处理问题！,第二章 机构的结构分析（Structure Analysis),本章重点 机构的组成，运动副 (Kinematic Pair)、运动链(Kinematic Chain)，约束 (Constraint)和自由度(Degree Of Freedom)等概念； 机构具有确定运动条件； 绘制常用
2、机构的机构运动简图(Kinematic Sketch)，计算平面机构的自由度。,2-1 机构的组成,一、运动副：使两构件直接接触而组成的可动连接称为运动副。 二、运动副元素：运动副中两构件上直接参与接触的部分称为运动副元素。运动副元素不外乎为点、线、面。,2-1 机构的组成,三、自由度：相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动数目称为构件的自由度。或者说：自由度指的是描述运动的独立参数。,x,z,y,几个自由度？,几个自由度？,2-1 机构的组成,四、约束：对构件的独立运动所加的限制称为约束。约束是由运动副提供的。,凸轮副：1个约束,低轮副：2个约束,平面内,2-1 机构的组成,2、按运动副能产
3、生相对运动形式分,低副,转动副,移动副,螺旋副,球面副,五、运动副的分类,2-1 机构的组成,3、在空间坐标系中，按两构件构成运动副后引入的约束数目分：,级副、级副、级副、级副、级副 n级运动副,级副,级副,级副,2-1 机构的组成,4、运动副需要承担连接构件、传递运动及力的功能，所以运动副元素之间必须保持接触，按照接触形式的不同分为：几何封闭或形封闭运动副和力封闭运动副。,形封闭,力封闭,2-1 机构的组成,5、按照分析的参考坐标系的不同，可分为：平面运动副和空间运动副。,平面运动副,空间运动副,（1）转动副的表示方法,2-1 机构的组成,6、运动副的表示方法（GB 4460/T-1984）
4、,(2)移动副的表示方式,注意：移动副的导路必须与相对移动的方向一致,2-1 机构的组成,6、运动副的表示方法（GB 4460/T-1984）,（3）高副的表示方法,2-1 机构的组成,6、运动副的表示方法（GB 4460/T-1984）,应将两构件接触处的几何形状绘出,其他类型的运动副表示符号请见教材的表2-1,六、构件的表示方法,2-1 机构的组成,六、 机构的表示方法,2-1 机构的组成,六、 机构的表示方法,2-1 机构的组成,六、 机构的表示方法,2-1 机构的组成,六、 机构的表示方法,2-1 机构的组成,七、运动链 若干构件借助于运动副联接而组成的系统。,闭式运动链：运动链的各构
5、件构成了首末封闭的系统。,2-1 机构的组成,开式运动链：运动链的构件未构成首末封闭的系统。,2-1 机构的组成,七、运动链,动画,自动驾驶仪操作装置,2-1 机构的组成,七、运动链 空间运动链,2-1 机构的组成,八、机构的组成,机构更准确的定义：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。,组成机构的四要素 机架、原动件、从动件和运动副,一、机构运动简图的定义： 根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，将机构的运动情况表示出来
6、。这种用以表示机构运动情况的简化图形就称为机构运动简图（Kinematic diagram of mechanism） 。 二、 机构示意图： 不严格按比例可绘制时，得到的只是机构示意图。,2-2 机构运动简图,三、 绘制机构运动简图的目的： 机构运动简图与真实机构具有完全相同的运动特性，主要用于简明地表达机构的传动原理、设计初期的方案对比与交流，对机构上有关点的位移、速度和加速度分析求解，以对所要设计的机构有清晰的认识，做到心中有数、胸有成竹。,2-2 机构运动简图,注意：偏心轮（加三维动画）,2-2 机构运动简图,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。
7、循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。 恰当地选择投影面：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。 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, 将机构运动简图画出来。,2-2 机构运动简图,六、 机构简图的绘制步骤：,2-2 机构运动简图,七、 机构简图的绘制实例,游梁式抽油机,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。,组成：电机、带传动、四杆机构。 原动机：电机 执行部分：上横梁 机架：静止部分,2-2 机构运动简图,七、 机构简图的绘制实例,循着运动传递的路
8、线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。,选择适当的视图平面 绘制机构运动简图,选择原则 清楚表达机构的主体部分； 尽可能反映机构的全面运动； 可以选择其他视图平面作为补充。,2-2 机构运动简图,七、 机构简图的绘制实例,A,B,C,D,E,F,G,H,1,2,3,4,5,6,2-2 机构运动简图,七、 机构简图的绘制实例,2-3 机构自由度的计算,机构自由度(degree of freedom)：机构具有的独立运动参数的数目称为机构的自由度。,我们只讨论平面机构的自由度计算问题。,平面高副：2个约束,平面低副：1个约束,2-3 机构自由度的计算,平面机构自由度的计算
9、公式,假设平面机构有n个活动构件： 则有： 3n个自由度 有Pl个低副和Ph个高副：,平面自由构件：3个自由度 平面低副：引入2个约束 平面高副：引入1个约束,平面机构的自由度计算公式：,则引入： (2 pl + ph)个约束,分析：,F=3n-2 pl - ph,2-3 机构自由度的计算,平面机构自由度的计算公式,分析：这是一对心尖顶凸轮机构，可动件数目为2，低副2个，高副1个，所以其自由度为： F =3n-2pl + 2ph= 32-22-1 = 1,机构模型,机构示意图,例1：,例2：,分析：这是一个五杆机构，可动件4个，低副5个，没有高副，其自由度为： F = 3n 2pl - 2ph
10、 = 34 - 25-0= 2,2-3 机构自由度的计算,平面机构自由度的计算公式,F =3n2pl-ph=38211-1=1 或 F=3n2pl-ph = 38 -210-1=3,例3：按照之前的算法下图机构的自由度为,2-3 机构自由度的计算,平面机构自由度的计算公式,？,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,复合铰链：两个以上构件在同一处用转动副相连接，该处则构成复合铰链。 复合铰链处的运动副数目为：K1（K为构成复合铰链的构件数目）。,局部自由度：机构中与输出构件的运动无关的自由度称为局部自由度（或称多余自由度， 处理方法：将构成局部自由度的两构件合二为一，去掉两者构成的运动副，再重新
11、数可动件个数和运动副个数 一般在高副接触处，若有滚子存在，则滚子绕自身轴线转动的自由度属于局部自由度，采用滚子结构的目的在于将高副间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，以减轻摩擦和磨损。,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,虚约束：对机构起重复约束作用的约束称为虚约束或消极约束，计算自由度时应在约束总和中去掉虚约束。,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,处理虚约束的方法：去掉产生虚约束的构件及其与该构件连接而构成的运动副，再数可动件个数和运动副数目。,出现虚约束的几种情况：,两构件间形成多个轴线重合的转动副，轴与轴承在同一轴线上形成两个转动副；两构件形成多个导路平行的移动副。,2-4 计算平面机构自
12、由度的注意事项,构件3和4 在D和D处连接而成两个导路平行的移动副，运动副只算其中一个。,构件1和2在A和A处连接而成两个轴线重合的转动副，构件3和4 在D和D处连接而成两个导路平行的移动副，运动副只算其中一个。,机构中两构件联接前后的联接点轨迹重合, 则该联接引入1个虚约束。,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,其中一个平面高副引入的1个约束为虚约束。若公法线方向不重合，将提供各2个平面高副。,有两处处为虚约束,此两种情况没有虚约束,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,对机构运动不起作用的对称部分引入虚约束 。,2-4 计算平面
13、机构自由度的注意事项,机构中的虚约束都是在某些特定的几何条件下产生的。 如果不满足这些几何条件，虚约束将变成实际的有效约束，从而使机构的自由度减少。 从保证机构的运动和便于加工装配等方面考虑，应尽量减少机构中的虚约束。 但为了改善受力情况、增加机构刚度或保证机械运动的顺利进行，虚约束往往又是不可缺少的。,现在看刚才的例子：,复合铰链,局部自由度,虚约束,F = 3n 2pL pH = 3729 1 = 2,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,总结自由度的计算及其注意事项 25字口诀： 标出复局虚 注意要加减 数清可动件 弄清高低副 列出计算式,F = 3n 2 pl ph,2-4 计算平面机
14、构自由度的注意事项,F=3n2PLPH=392122=1,解：几种特殊情况如图上所示，可动 件个数为9，低副12个，高副2个,例1：,复合铰链,局部自由度,两者之一为虚约束,自由度计算典型例题解析：,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,F=3n2pl ph= 37 210 0=1,分析：,例2：,动画,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,复合铰链,F=3n2pl ph=33 24= 1,分析：,例3：,动画,2-4 计算平面机构自由度的注意事项,如图所示为五构件运动链。若给定一个原动件(构件1)的角位移规律为1=1(t)，此时构件2、3、4的运动并不能确定。,说明:当原动件数少于机构的自由
15、度时，其运动是不确定的。,只有给出两个原动件，使构件1、4都处于给定位置，才能使从动件获得确定运动。,2-5 机构具有确定运动的条件,又如图所示四构件机构，其自由度为：F = 3n2plph = 3324 0 = 1,设构件1为原动件， 1为其独立转动的参变量，那么每给定一个的值1 ，构件2、3便随之有一个确定的相对位置。说明该机构具有确定的相对运动。 若在该机构中同时给定构件1和构件3作为原动件(下图)，这时构件2势必既要处于由原动件1的参变量1所决定的位置，又要随构件3的独立运动规律而运动，显然是不可能的。,说明：当原动件数多于机构的自由度时，机构的运动关系将发生矛盾，其中最薄弱的构件将会
16、损坏。,2-5 机构具有确定运动的条件,再如右图所示静定桁架(上)和超静定桁架(下)，他们能动吗？各自自由度是多少？ 注意：桁架在机构分析中作为一个构件(结构体)来对待。,不难看出，机构具有确定运动的条件与机构的自由度和原动件的数目有关,2-5 机构具有确定运动的条件,F0，构件间无相对运动，不成为机构。,综上所述可知，机构具有确定运动的条件是： 机构的自由度F 0且等于原动件数。,由以上分析可知：,2-5 机构具有确定运动的条件,一、机构的组成原理,基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,2-6 机构的组成原理及结构分类,1. 杆组,机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。,可以再拆成更简单的
