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1、机械设计基础安徽机电职业技术学院安徽机电职业技术学院数控工程系数控工程系第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 运动副及其分类运动副及其分类 平面机构运动简图平面机构运动简图 平面机构的自由度平面机构的自由度1 1、机构及运动副的概念、机构运动简图的绘制。、机构及运动副的概念、机构运动简图的绘制。2 2、有虚约束、复合铰链、局部自由度时机构自由度的、有虚约束、复合铰链、局部自由度时机构自由度的计算。计算。（一）教学要求（一）教学要求1 1、了解机构组成；理解自由度、运动副、约束的概念、了解机构组成；理解自由度、运动副、约束的概念及三者的关系。及三者的关系。2 2、能根据实物绘制机构
2、运动简图。、能根据实物绘制机构运动简图。3 3、熟练掌握机构自由度计算，并判断机构运动是否确、熟练掌握机构自由度计算，并判断机构运动是否确定。定。（二）教学的重点与难点（二）教学的重点与难点回顾：构件和零件回顾：构件和零件2 2 运动副及其分类运动副及其分类2.1 2.1 运动副运动副使两个构件直接接触，同时又具有一定相对运动使两个构件直接接触，同时又具有一定相对运动的连接。的连接。运动副：运动副：滑块与导槽滑块与导槽啮合中的一对齿廓啮合中的一对齿廓轴承中滚动体与内外圈的滚道轴承中滚动体与内外圈的滚道 按两构件接触的情况，平面运动副常分为低副、高按两构件接触的情况，平面运动副常分为低副、高副两
3、大类。副两大类。 1 1、低副低副 两构件以面接触而形成的运动副。两构件以面接触而形成的运动副。 (1) (1) 转动副转动副：若组成运动副的两个构件只能在一个平面内：若组成运动副的两个构件只能在一个平面内做相对转动做相对转动, , 则称为转动副则称为转动副, , 也称也称铰链铰链。 (2) (2) 移动副移动副：若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移：若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移动动, , 则称为移动副。则称为移动副。 两构件中如有一个构件固定不动两构件中如有一个构件固定不动, , 则称为则称为固定铰链固定铰链；二者均能转动，二者均能转动， 则称为则称为活动铰链活动铰链。 平面运动
4、副的分类平面运动副的分类 运动副可分为运动副可分为平面运动副平面运动副和和空间运动副空间运动副两大类，本章两大类，本章主要介绍平面运动副。主要介绍平面运动副。运动副的分类运动副的分类(a)(a)固定铰链固定铰链(b)(b)活动铰链动画展示活动铰链动画展示移动副动画展示移动副动画展示转动副转动副、移动副实例、移动副实例转动副转动副移动副移动副2.2.高副高副 两构件以点或线接触而构成的运动副两构件以点或线接触而构成的运动副。凸轮副凸轮副齿轮副动画展示齿轮副动画展示空间运动副空间运动副 若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空空间运动副。间运动副。如：
5、如：球面副球面副、螺旋副。（、螺旋副。（螺旋副动画展示螺旋副动画展示）球面副球面副2.2 2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 机构运动简图机构运动简图：撇开实际机构中与运动无关的因：撇开实际机构中与运动无关的因素，用简单的线条和规定的运动副代表符号表示构件素，用简单的线条和规定的运动副代表符号表示构件和运动副，并按一定的比例定出各运动副间的相对位和运动副，并按一定的比例定出各运动副间的相对位置，表示出各构件间相对运动关系的简图。置，表示出各构件间相对运动关系的简图。 机构运动简图中一般包括：机构运动简图中一般包括：（1 1）构件数目；）构件数目；（2 2）运动副的数目；）运动副的数目
6、；（3 3）构件之间的连接关系；）构件之间的连接关系；（4 4）与运动变换相关的构件尺寸参数；）与运动变换相关的构件尺寸参数；（5 5）主动件及运动特性。）主动件及运动特性。构件可分为机架、原动件和从动件。构件可分为机架、原动件和从动件。 （1 1）机架机架 用来支承活动构件的构件。用来支承活动构件的构件。 （2 2）原动件原动件( (主动件主动件) ) 接受外界给定运动规律的活动接受外界给定运动规律的活动构件。构件。 （3 3）从动件从动件 随着原动件的运动而运动的其余活动构随着原动件的运动而运动的其余活动构件。件。2.2.1 2.2.1 运动副及构件的表示方法运动副及构件的表示方法1 1、
7、构件、构件 构件均用线段或小方块表示，画有斜线的表示机架。构件均用线段或小方块表示，画有斜线的表示机架。构件的表示构件的表示2. 2. 转动副转动副 构件组成转动副时，其表示方法有：构件组成转动副时，其表示方法有：图面垂直于回转轴线时用图面垂直于回转轴线时用图图a a表示表示；图面不垂直于回转轴线时用图面不垂直于回转轴线时用图图b b表示表示。 表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线，或在其内画上斜线，如图如图c c。3.3. 移动副
8、移动副 两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。4. 4. 平面高副平面高副 两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副2.2.2 2.2.2 绘制机构运动简图的步骤绘制机构运动简图的步骤（1）通过观察和分析机构的结构组成和运动传递情况，）通过观察和分析机构的结构组成和运动传递情况，首先认清机构的
9、首先认清机构的机架机架、原动件原动件，按传动路线逐个分清各，按传动路线逐个分清各从动件从动件；然后循着传动路线仔细分析各构件之间的相对；然后循着传动路线仔细分析各构件之间的相对运动性质，各构件间形成的运动性质，各构件间形成的运动副类别和数目运动副类别和数目；并测出；并测出每个构件上各运动副之间的运动特性尺寸。每个构件上各运动副之间的运动特性尺寸。 机机构构中中固固定定不不动动的的构构件件称称为为机机架架，它它用用来来支支承承机机构构中中的的可可 动动构构件件；按按照照给给定定的的运运动动规规律律独独立立运运动动的的构构件件称称为为原原动动件件或或主主动动件件，它它是是机机构构中中输输入入运运动
10、动或或动动力力的的构构件件，又又称称为为输输入入构构件。其余的可动构件称为从动件。件。其余的可动构件称为从动件。（3 3）把原动件固定在某一位置，）把原动件固定在某一位置，选取适当的比例尺。选取适当的比例尺。（4 4）用规定的符号画出运动副，并用简单的线条或）用规定的符号画出运动副，并用简单的线条或图形联接，标出构件号数及运动副的代号字母，以及图形联接，标出构件号数及运动副的代号字母，以及原动件的转向箭头，并且注明绘图时的尺寸比例尺或原动件的转向箭头，并且注明绘图时的尺寸比例尺或在图纸上列表说明各构件的运动特征尺寸，即得机构在图纸上列表说明各构件的运动特征尺寸，即得机构运动简图。运动简图。（2
11、）恰当地选择投影面。选择时应以能简单、清楚地）恰当地选择投影面。选择时应以能简单、清楚地把机构的运动情况表示出来为原则。把机构的运动情况表示出来为原则。一般选取与构件一般选取与构件运动平面相平行的平面作为投影面。运动平面相平行的平面作为投影面。气缸体气缸体1活塞活塞2连杆连杆3曲轴曲轴4凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮6齿轮齿轮5绘制方法绘制方法渲染渲染、运动运动解：解：1 1）分析运动，确定构）分析运动，确定构件的类型和数量件的类型和数量 2 2）确定运动副的类型）确定运动副的类型和数目和数目 3 3）选择视图平面）选择视图平面 4 4）选取比例尺，根据）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动
12、机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置副间的相对位置 5 5）用简单线条和规定）用简单线条和规定符号表示出各构件和运动副，符号表示出各构件和运动副，画出机构运动简图。画出机构运动简图。例例3-1 3-1 试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图颚式破碎机主体机构颚式破碎机主体机构的的运动简图运动简图缝纫机机构缝纫机机构3 3 平面机构的自由度平面机构的自由度 一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三三个自由度。个自由度。3.1 3.1 自由度和运动副约束自由度和运动副约束n 平面机构的每个活动构件在未构成运动副平面机构的每个活动构件在未构成
13、运动副之前都有三个自由度。当两个构件直接接触组成之前都有三个自由度。当两个构件直接接触组成运动副之后，它们的相对运动就受到限制，自由运动副之后，它们的相对运动就受到限制，自由度随之减少。运动副对构件的独立运动所加的限度随之减少。运动副对构件的独立运动所加的限制称为制称为约束约束。不同类型的运动副引入的约束数不不同类型的运动副引入的约束数不同。每引入一个约束同。每引入一个约束, , 构件就减少一个自由度。构件就减少一个自由度。而约束的多少及约束的特点取决于运动副的具体而约束的多少及约束的特点取决于运动副的具体形式。形式。3.23.2机构自由度的计算公式机构自由度的计算公式n n：机构中活动构件数
14、；：机构中活动构件数； P Pl l ：机构中低副数；：机构中低副数； P Ph h ：机构中高副数；：机构中高副数；F F ：机构的自由度数；：机构的自由度数；3n3n2P2PP Ph h设设则机构自由度：则机构自由度：F =F =3n3n2P2Pl lP Ph+ +（）每个低副限制每个低副限制2个自由度，高副限制个自由度，高副限制1个自由度个自由度3.3.计算实例计算实例 解：解：n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 - 24 - 0= 1 计算实例计算实例 n =5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n 2Pl Ph = 35 2
15、7 0= 1解：解：3.33.3计算自由度时应注意的几种情况计算自由度时应注意的几种情况 由由K K个构件以复合铰链相联接时构成的转动副数为个构件以复合铰链相联接时构成的转动副数为(K-1)(K-1)个。个。1 1、复合铰链、复合铰链 由两个以上的构由两个以上的构件在同一处以转动副相件在同一处以转动副相联而成的铰链称为联而成的铰链称为复合复合铰链。铰链。例例3.2 3.2 计计算算图图示示钢钢板板剪剪切切机机的自由度的自由度解解 ： 由图可知由图可知, , n n=5, =5, P Pl l=7, =7, P Ph h=0(B=0(B处为复合铰链处为复合铰链, , 含两个转动副含两个转动副)
16、)， 则：则： F F3 3n n2 2P Pl lP Ph h 3 35 52 27 70 01 1 个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为称为局部自由度局部自由度。2 2、局部自由度、局部自由度n = 2, Pn = 2, Pl l = 2, P = 2, Ph h = = 1, 1, F = 3F = 32 - 22 - 22 2 1 1 = 1= 1实际结构上为减小摩实际结构上为减小摩擦采用局部自由度。擦采用局部自由度。 计算自由度时，应除去局部自由度，即把滚子和计算自由度时，应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作从动件看作一个构件
17、一个构件。动画动画1、2 重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。束称为虚约束。3 3、虚约束、虚约束 应应除除去去虚虚约约束束，即即将将产产生生虚虚约约束束的的构构件件MNMN及及运运动动副副除除去去不不计。计。 n = 3, P n = 3, Pl l =4, P =4, Ph h =0 =0F = 3F = 33 - 23 - 24 4 0 0 = 1= 1 （1 1）轨轨迹迹重重合合： 连连接接构构件件上上的的轨轨迹迹和和机机构构上上连连接接点点的轨迹重合时的轨迹重合时, , 引入虚约束。引入虚约束。虚约束常见情况及处理虚约束常
18、见情况及处理计算时将虚约束去掉。计算时将虚约束去掉。 （a a）（b b）计算中只计入一个移动副。计算中只计入一个移动副。 （2 2）导导路路平平行行或或重重合合的的移移动动副副： 两两构构件件构构成成多多个个导导路路相相互互平平行行的的移移动动副副时时, , 会会出出现现虚约束。虚约束。 （3 3）轴轴线线重重合合的的转转动动副副：两两构构件件组组成成多多个个转转动动副副，且且轴轴线线重重合合，只只有有一一个个转转动动副副起起约约束束作作用用，其其余余为为虚约束。虚约束。 计算中只计入一个转动副。计算中只计入一个转动副。计算中应将对称部分除去不计。计算中应将对称部分除去不计。 （4 4）传动
19、对称传动对称：机构中对运动不起独立作用的对称部机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。分，将产生虚约束。例例 3.3 3.3 计算大筛机构自由度计算大筛机构自由度, , 判断机构判断机构是否具有确定相对运动。是否具有确定相对运动。解解 ：C C处为复合铰链；处为复合铰链； E E和和E E其中之一为虚约束；其中之一为虚约束； F F处滚子为局部自由度。机构的可动构件数处滚子为局部自由度。机构的可动构件数n n=7, =7, 低副数低副数P Pl l9, 9, 高副数高副数P Ph h=1=1。 F F3 3n n2 2P Pl lP Ph h 3 37 72 29 91 12 2 此
20、机构自由度数等于此机构自由度数等于2, 2, 与原动件数相等，即与原动件数相等，即W=FW=F， 机构具有确定的相对运动。机构具有确定的相对运动。 1.1.实例分析实例分析 不能产生运动不能产生运动 给定构件给定构件1 1运动参数运动参数构件构件2 2、3 3的运动是确定的的运动是确定的 3.4 3.4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 给定构件给定构件1 1运动参数运动参数 ，构件，构件2 2、3 3、4 4的运动是的运动是不不确定的。确定的。 若再给定构件若再给定构件4 4运动运动参数参数 ，构件，构件2 2、3 3的运动的运动是确定的是确定的。结论结论结论结论 u机构具有确定
21、运动时所必须给定的独立运动参数的数目机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称称机构的自由度机构的自由度。 u平面机构具有确定运动的条件：平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构原动件个数应等于机构的自由度数目。机构的自由度数目。即即W=F=3n-2Pl-Ph 原动件数自由度数，机构无确定运动原动件数自由度数，机构无确定运动 原动件数自由度数，机构在薄弱处损坏原动件数自由度数，机构在薄弱处损坏 一、运动副及其分类一、运动副及其分类高副高副低副低副转动副转动副 移动副移动副二、构件自由度、运动副和约束的关系二、构件自由度、运动副和约束的关系 总总 结结1.1.平面平面内自由的
22、构件，有内自由的构件，有3 3个自由度；个自由度；空间空间内自由的内自由的构件，有构件，有6 6个个自由度。自由度。2.2.构件自由度、运动副和约束的关系构件自由度、运动副和约束的关系（1 1）转动副：）转动副：2 2约束，约束，1 1自由度自由度（2 2）移动副：）移动副：2 2约束，约束，1 1自由度自由度（3 3）平面高副：）平面高副：1 1约束，约束，2 2自由度自由度三、机构运动简图的绘制三、机构运动简图的绘制机构的组成要素机构的组成要素构件构件运动副运动副原动件原动件从动件从动件机架机架平面高副平面高副平面低副平面低副齿轮副齿轮副移动副移动副凸轮副凸轮副转动副转动副1 1、找出组成
23、机构的各构件、找出组成机构的各构件2 2、选择视图平面、选择视图平面 3 3、绘制机构简图、绘制机构简图机构运动简图的绘制步骤：机构运动简图的绘制步骤：四、机构自由度的计算四、机构自由度的计算2.2.平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构的自由度数目，即于机构的自由度数目，即W=F=3n-2PW=F=3n-2Pl l-P-Ph h F = 3n - 2Pl - Ph 1.1.机构自由度：机构自由度：五、计算自由度时应注意的几种情况五、计算自由度时应注意的几种情况 1 1、复合铰链、复合铰链2 2、局部自由度、局部自由度3 3、虚约束、
24、虚约束1 1、机构中原动件的数目小于机构的自由度数时，则此、机构中原动件的数目小于机构的自由度数时，则此机构机构( )( )。A.A.具有确定的相对运动具有确定的相对运动 B. B. 只能作有限的相对运动只能作有限的相对运动C. C. 运动不能确定运动不能确定 D. D. 不能运动不能运动2 2、平面机构中若引入一个高副将带入、平面机构中若引入一个高副将带入( )( )个约束，而个约束，而引入一个低副将带入引入一个低副将带入( )( )个约束。约束数与自由度数的个约束。约束数与自由度数的关系是关系是( )( )。3 3、两个做平面平行运动的构件之间为、两个做平面平行运动的构件之间为( )( )
25、接触的运动接触的运动副称为低副；而为副称为低副；而为( )( )或或( )( )接触的运动副称为高副。接触的运动副称为高副。4 4、机构具有确定运动的条件是什么？、机构具有确定运动的条件是什么？5 5、机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图、机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图？6 6、何谓构件自由度和运动副的约束？、何谓构件自由度和运动副的约束？7 7、在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？、在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？复习思考题复习思考题1 1、画出图示平面机构的运动简图，并计算其自由度。、画出图示平面机构的运动简图，并计算其自由度。习题习题（a） (b) (c)2
26、 2、一简易冲床的初拟设计方案如图。设计者的思路是：、一简易冲床的初拟设计方案如图。设计者的思路是：动力由齿轮动力由齿轮1 1输入，使轴输入，使轴A A连续回转；而固装在轴连续回转；而固装在轴A A上的凸上的凸轮轮2 2与杠杆与杠杆3 3组成的凸轮机构将使冲头组成的凸轮机构将使冲头4 4上下运动以达到冲上下运动以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其运动是否确压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其运动是否确定，并提出修改措施。定，并提出修改措施。 (a) (b) (c)3 3、计算图示平面机构的自由度、计算图示平面机构的自由度4 4、计算图示平面机构的自由度，判断机构运动是否确定。、计算图示平面机构的自由度，判断机构运动是否确定。机构中的原动件用圆弧箭头表示。机构中的原动件用圆弧箭头表示。 (a) (b) (c)
