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1、机机 械械 原原 理理第第1章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析探讨机构运动的可能性和及其具有确定运动的条件探讨机构运动的可能性和及其具有确定运动的条件; ;1.1 研究机构结构的目的研究机构结构的目的对对繁繁多多的的机机构构按按结结构构分分类类，并并按按这这种种分分类类来来建立分析运动和动力的一般方法建立分析运动和动力的一般方法; ;正确绘制机构运动简图正确绘制机构运动简图; ; 了解机构的组成原理，指导设计和创新。了解机构的组成原理，指导设计和创新。1.2.1 机构的组成机构的组成 构件构件机构机构 运动副运动副1.2 机构的组成及平面运动副机构的组成及平面运动副机构的分类：机构的分
2、类： 平面机构平面机构 空间机构空间机构运动副运动副-两构件相接触而形成的可动联接两构件相接触而形成的可动联接高副高副 面面副元素类型副元素类型 线线 点点1.2.2 运动副运动副运动副元素运动副元素-参加接触形成运动副的点、线、面参加接触形成运动副的点、线、面空间球面副空间球面副空间二级副空间二级副空间滚动副空间滚动副低副低副转动副转动副移动副移动副两个以上构件以运动副联接而成的系统称为运动链。两个以上构件以运动副联接而成的系统称为运动链。1.2.3 运动链运动链若组成运动链的每个构件至少包含两个运动副元素，则若组成运动链的每个构件至少包含两个运动副元素，则构件构成封闭系统，称为闭链。构件构
3、成封闭系统，称为闭链。若运动链中有的构件只包含一个运动副元素，便称为若运动链中有的构件只包含一个运动副元素，便称为开链开链。 运动链中出现称之为机架的固定件时，运动链被称运动链中出现称之为机架的固定件时，运动链被称为机构。为机构。 用用简简单单的的符符号号、线线条条表表示示运运动动副副和和构构件件，按按一一定定比比例例表表示示运运动动副副的的相相对对位位置置，能能表表明明各各构构件件间的相对运动关系的图形。间的相对运动关系的图形。 1.3.2 作用作用 利用机构运动简图可以对机构进行结构、运利用机构运动简图可以对机构进行结构、运动和动力分析。机构运动简图是从事机构研究的动和动力分析。机构运动简
4、图是从事机构研究的重要工具。重要工具。1.3 平面机构运动简图平面机构运动简图1.3.1 机构运动简图机构运动简图1. 转动副转动副12121.3.3 构件和运动副规定的符号构件和运动副规定的符号212. 移动副：移动副： 21213. 高副高副按实际轮廓画按实际轮廓画4. 构件表示法构件表示法确定运动副的位置后用线条连接确定运动副的位置后用线条连接1.3.4 机构运动简图绘制步骤机构运动简图绘制步骤4. 选择合适视图，绘图选择合适视图，绘图3. 合理选择视图，定比例尺合理选择视图，定比例尺1. 确定构件的数目，判别原动件、从动件和机架确定构件的数目，判别原动件、从动件和机架2. 判别运动副类
5、型，确定位置判别运动副类型，确定位置 例例1：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 例例2：偏心轮机构偏心轮机构 例例3：鄂式破碎机鄂式破碎机 例例4：缝纫机机头缝纫机机头 1CAB2344D556 例例5：内燃机内燃机 例例6：小型压力机小型压力机一个自由构件在平面内有一个自由构件在平面内有X.Y.X.Y.三个相对独立运动三个相对独立运动的可能性，具有三个自由的可能性，具有三个自由度度, ,自由度用自由度用F F表示。表示。1. 未形成运动副两构件相对运动未形成运动副两构件相对运动1.4 平面机构的自由度平面机构的自由度 1.4.1 运动副对构件运动的影响运动副对构件运动的影响对自由度（独立运动）的对自
6、由度（独立运动）的限制称为约束限制称为约束 ，用，用S S表示。表示。 2. 运动副对构件自由度的影响运动副对构件自由度的影响低副低副高副高副1.4.2 平面机构的自由度平面机构的自由度 设运动链中共有设运动链中共有n个可活动的构件数，有个可活动的构件数，有PL个低副，有个低副，有 PH个高副，则机构的自由度为：个高副，则机构的自由度为：1.4.3 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件 自由度为自由度为1原动件数为原动件数为1具有确定运动具有确定运动 原动件数为原动件数为2机构将被破坏机构将被破坏 自由度为自由度为2原动件数为原动件数为1运动不确定运动不确定原动件数为原动件数为3机构被破坏
7、机构被破坏 原动件数为原动件数为2具有确定运动具有确定运动 原动件数原动件数 =自由度自由度运动确定运动确定原动件数自由度原动件数自由度机构被破坏机构被破坏 原动件数自由度原动件数自由度运动不确定运动不确定刚性桁架刚性桁架结论：结论：机构的自由度数目与机构中原动件数目一致。机构的自由度数目与机构中原动件数目一致。能运动能运动机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：例：例：计算牛头刨床的自由度计算牛头刨床的自由度A2CB134DE561.4.4 自由度计算注意事项自由度计算注意事项 1复合铰链复合铰链？324复合铰链复合铰链: 两个以上构件在同一两个以上构件在同一轴线上用轴线上用转动副相
8、联，形转动副相联，形成复合铰链。成复合铰链。三构件组成两个转动副表示三构件组成两个转动副表示: 由由k个构件在一处组个构件在一处组成成轴线重合轴线重合的转动副。的转动副。实实际有际有(k-1)个个转动副。转动副。21ACB432. 局部自由度局部自由度 机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度。整个机构运动无关的自由度。?21ACB3123ADBCE4F53. 虚约束虚约束虚约束虚约束机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制 作用的作用的重复约束重复约束。或称消极约束。或称消极约
9、束。ABCDEF？123ADBCE比较比较虚约束的判别：虚约束的判别：拆杆法拆杆法 看联结点的距离是否改变看联结点的距离是否改变拆副法拆副法 看联结点的轨迹是否重合看联结点的轨迹是否重合CAD=BD=DC2AB14D常见的虚约束：常见的虚约束：机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合？ 两构件组成若干个导路中心线两构件组成若干个导路中心线互相平行或重叠互相平行或重叠的移动副的移动副2CAB1343ACBD1232不同两构件上两点之间的距离保持恒定，若在两点间加上一不同两构件上两点之间的距离保持恒定，若在两点间加上一个构件和两个转动副，引入一个虚约束。个构件和两个
10、转动副，引入一个虚约束。两构件组成若干个两构件组成若干个轴线互相重合轴线互相重合的转动副。的转动副。21322O 在输入件和输出件之间用多组完全相同的运动链来在输入件和输出件之间用多组完全相同的运动链来传递运动时，只有一组起独立传递运动的作用，其余各传递运动时，只有一组起独立传递运动的作用，其余各组常引入虚约束。组常引入虚约束。例：大筛机构例：大筛机构B、C、D、E处复合铰链处复合铰链例：圆锯机构例：圆锯机构B,C,D处为复合铰链处为复合铰链例：某传动机构例：某传动机构虚约束虚约束C处为复合铰链处为复合铰链例：曲柄压力机例：曲柄压力机图（图（a）F=3526121图（图（b）F3527101特
11、殊：含有齿轮副平面机构的自由度计算特殊：含有齿轮副平面机构的自由度计算齿轮中心被约束：计一个高副齿轮中心被约束：计一个高副齿轮中心未被约束：计一个低副齿轮中心未被约束：计一个低副1.5 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 和结构分析和结构分析 1. 高副低代高副低代把机构中的高副根据一定的条件用把机构中的高副根据一定的条件用虚拟的虚拟的低副来等效地代替。低副来等效地代替。2. 高副低代的条件高副低代的条件（1）代替前后机构的自由度数不变；）代替前后机构的自由度数不变；（2）代替前后机构的瞬时速度和加速度不变。）代替前后机构的瞬时速度和加速度不变。3. 高副低代的方法高副低代的方法 用两端各装
12、有一个转动副的构件用两端各装有一个转动副的构件取代取代高副，其转动副的高副，其转动副的中心位于高副元素的曲率中心处。中心位于高副元素的曲率中心处。1.5.1平面机构的低副代替高副法平面机构的低副代替高副法21特殊情况，特殊情况，副元素曲线为圆副元素曲线为圆 一般情况，一般情况，副元素为副元素为一般曲线一般曲线3曲线对曲线的高副低代法曲线对曲线的高副低代法B21AC321ACB32O1nn曲线对直线的高副低代曲线对直线的高副低代曲线对点的高副低代法曲线对点的高副低代法1.5.2 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 平面机构具有确定平面机构具有确定运动的条件是机构的原运动的条件是机构的原动件数目
13、等于机构动件数目等于机构的自由度数，故平面机的自由度数，故平面机构的从动系统的自由度构的从动系统的自由度数应为零。数应为零。F=1F=0F=1F=0F=0杆组定义：杆组定义： 不可再分解的自不可再分解的自由度为零的运动链被由度为零的运动链被称为基本杆组，称为基本杆组，简称简称杆组杆组。组成平面低副机构杆组的条件：组成平面低副机构杆组的条件： 由于平面高副可以用低副来替代，因此我们只研究由于平面高副可以用低副来替代，因此我们只研究所有运动副都是低副的平面低副机构的杆组组成原理。所有运动副都是低副的平面低副机构的杆组组成原理。当当n = 2时，时，Pl = 3 有下列型式有下列型式3412级组级组
14、包含有三个内副元素的刚性构件的杆组。包含有三个内副元素的刚性构件的杆组。2134级组级组包含四个构件组成封闭四边形的杆组。包含四个构件组成封闭四边形的杆组。24131当当n = 4时，时，Pl = 6 基本型式为基本型式为 判别杆组级别的封闭形判别杆组级别的封闭形杆组类别杆组类别决定级别决定级别的封闭形的封闭形说明说明每构件含每构件含2个低副个低副至少一构至少一构件具件具3个个低副低副杆组中具杆组中具有有1个四个四边形边形杆组中具杆组中具有有1个五个五边形边形机构的组成：原动件机构的组成：原动件 + 机架机架 + 杆组杆组 即：任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次联结到即：任何平面机构均可以
15、用零自由度的杆组依次联结到原动件和机架上去的方法来组成。原动件和机架上去的方法来组成。错误并接错误并接两种并接两种并接1A623BCDE4F5E4F523BCD61AABCDEFGO 1.5.3平面机构中的结构分析平面机构中的结构分析1. 机构的结构分析机构的结构分析将已知机构分解为若干杆组，并确定杆组的级别和类型。将已知机构分解为若干杆组，并确定杆组的级别和类型。2. 机构结构分析的过程机构结构分析的过程（1）计算机构的自由度，去除虚约束、局部自由度，并）计算机构的自由度，去除虚约束、局部自由度，并高副低代高副低代ABCDO EFGHHFG（2）先试拆）先试拆 级组，若拆不出级组，若拆不出 级组，再试拆级组，再试拆 级组。级组。（3）确定机构的级别，以机构杆组的最高级别命名机）确定机构的级别，以机构杆组的最高级别命名机 构的级别。构的级别。FABCDEGO HO ABCDHE注意：对远离主动件的杆组先拆起。注意：对远离主动件的杆组先拆起。原则：杆组的增减不应改变机构的自由度，拆杆原则：杆组的增减不应改变机构的自由度，拆杆组后，剩余机构不允许存留只属于一个构件的运组后，剩余机构不允许存留只属于一个构件的运动副和只有一个运动副的构件（原动件除外）动副和只有一个运动副的构件（原动件除外）例例：牛头刨床牛头刨床例例：大筛机构大筛机构
