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1、机械的结构分析机械的结构分析教学目的教学目的：掌握机构的组成，会画：掌握机构的组成，会画机构运动简图，会判断机构是否具机构运动简图，会判断机构是否具有确定运动，会计算平面机构自由有确定运动，会计算平面机构自由度，理解平面机构的组成原理。度，理解平面机构的组成原理。结结构构分分析析机械的结构分析机械的结构分析机构中所有构件均在一个或几个平面运动。机构中所有构件均在一个或几个平面运动。1234另有另有空间机构空间机构概念。概念。(avi)(avi)2.12.1内容目的内容目的平面机构平面机构研究内容之二：机构运动的可能性及具有确定运动的条件123412351234研究内容之一：研究机构的组成,绘制
2、机构运动简图研究内容之三：研究机构的组成原理I12345678ABCDEFGHJ机械的结构分析机械的结构分析定义：定义：机器中每个独立的运动单元体机器中每个独立的运动单元体特点：特点：一个构件，可以是一个零件，也可能一个构件，可以是一个零件，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。是由若干个不同零件组装起来的刚性体。2.22.2机构组成机构组成构件构件由由三个三个零件组成的构件零件组成的构件构件构件零件零件1零件零件2零件零件3从运动角度看：任何机器都是由若干个构件组合而成。从运动角度看：任何机器都是由若干个构件组合而成。自由构件有三个独立运动：自由构件有三个独立运动：沿沿x方向的移动方向的
3、移动沿沿y方向的移动方向的移动绕任意点绕任意点A的转动的转动构件的独立运动称为构件的独立运动称为构件的自由度构件的自由度。即作平面运动的自由构件有即作平面运动的自由构件有3个个自由度自由度机械的结构分析机械的结构分析定义：两构件直接接触而组成的可动联接。定义：两构件直接接触而组成的可动联接。 ( () ) 运动副是一种联接；运动副是一种联接；( () ) 运动副由两个构件组成；运动副由两个构件组成；( () ) 组成运动副的两个构件之间组成运动副的两个构件之间有相对运动。有相对运动。运动副元素运动副元素：两构件上：两构件上能直接参加接触构成运能直接参加接触构成运动副的表面动副的表面 ( (av
4、iavi) )2.22.2机构组成机构组成构件构件运动副运动副机械的结构分析机械的结构分析机构机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。是由运动副逐一联接各个构件组成的。机构的运动副的类型决定机构的运动形式。机构的运动副的类型决定机构的运动形式。( (aviavi) )( (aviavi) )2.22.2机构组成机构组成构件构件运动副运动副根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。球面高副球面高副(avi)柱面高副柱面高副(avi) 运动副元素以面接触的运动副称为低副。运
5、动副元素以面接触的运动副称为低副。移动副移动副(avi)球面低副球面低副(avi)回转副回转副(avi)根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。平面运动副平面运动副A.低副低副移动副移动副(avi)转动副转动副(avi)齿轮副齿轮副(avi)凸轮副凸轮副(avi)B.高副高副自由度为1自由度为2机械的结构分析机械的结构分析开式运动链开式运动链(avi)闭式运动链闭式运动链(avi)2.22.2机构组成机构组成构件构件运动副运动副运动链运动链构件通过运动副的连接而构成
6、的可相对运构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统。动的系统。机械的结构分析机械的结构分析机构机构(avi)如果将运动链中的一个构件固定，并使如果将运动链中的一个构件固定，并使另一个或几个构件按给定的规律运动，而且另一个或几个构件按给定的规律运动，而且其余构件都能随之作确定的相对运动，则这其余构件都能随之作确定的相对运动，则这种运动链就成为机构。种运动链就成为机构。2.22.2机构组成机构组成构件构件运动副运动副运动链运动链机构机构机械的结构分析机械的结构分析在研究机构运动特性时，为了使问题简在研究机构运动特性时，为了使问题简化，只考虑与运动有关的运动副的数目、类化，只考虑与运动有关的运动
7、副的数目、类型及相对位置，用简单线条和规定符号表示型及相对位置，用简单线条和规定符号表示构件和运动副的类型，并按一定的比例确定构件和运动副的类型，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表示机构组成和各构件间运动关系的简单种表示机构组成和各构件间运动关系的简单图形，称为图形，称为机构运动简图。机构运动简图。只是为了表示机构的结构组成及运动原只是为了表示机构的结构组成及运动原理而不严格按比例绘制的机构运动简图，称理而不严格按比例绘制的机构运动简图，称为为机构示意图机构示意图。2.32.3运动简图运动简图定义定义常用机构构件、运动副代表符号常
8、用机构构件、运动副代表符号(P7)(P7)机械的结构分析机械的结构分析l(avi)2.32.3运动简图运动简图定义定义绘制步骤绘制步骤研究机构运动原理，确定原动件及执行元件研究机构运动原理，确定原动件及执行元件认清运动传递路线认清运动传递路线确定构件数目，运动副数目及相对位置确定构件数目，运动副数目及相对位置选择视图方向与比例，用规定符号绘制选择视图方向与比例，用规定符号绘制标出原动件运动方向标出原动件运动方向123456OABCDEF机械的结构分析机械的结构分析2.42.4机构具有机构具有确定运动条确定运动条件件机构具有确定运动时所必须给定的独立运动机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数
9、的数目，称为机构的自由度参数的数目，称为机构的自由度 F F。机构具有确定运动的条件：机构的原动件机构具有确定运动的条件：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。数目应等于机构的自由度数目。123412351234机械的结构分析机械的结构分析构件独立运动的数目称为构件独立运动的数目称为自由度自由度对构件运动的限制作用称为对构件运动的限制作用称为约束约束2.52.5机构自由机构自由度的计算度的计算平面运动副平面运动副A.低副低副移动副移动副(avi)转动副转动副(avi)齿轮副齿轮副(avi)凸轮副凸轮副(avi)B.高副高副引入了2个约束条件,自由度为1引入了1个约束条件,自由度为2机械的结构
10、分析机械的结构分析 机构的自由度机构的自由度 F =F =机构的独立运动数目机构的独立运动数目 平面机构独立运动的数目为：所有活动平面机构独立运动的数目为：所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。数目的和。 对于具有对于具有n n个活动构件的平面机构，若各个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了构件之间共构成了P Pl l个低副和个低副和P Ph h个高副，则个高副，则它们共引入它们共引入(2P(2Pl l+P+Ph h) )个约束。个约束。机构的自由度机构的自由度F F为：为： F=3nF=3n(2P(2Pl l+P+Ph h) )2.
11、52.5机构自由机构自由度的计算度的计算机构自由度的意义及机构自由度的意义及机构具有确定运动的条机构具有确定运动的条件件 1) 1) 若机构自由度若机构自由度，则机构不能动。，则机构不能动。2) 2) 若若 且与原动件数且与原动件数F F，则机构各构件间的相对运动，则机构各构件间的相对运动是确定的。是确定的。3) 3) 若若00，而原动件数，而原动件数FF，则构件间不能运动或产生破坏。，则构件间不能运动或产生破坏。4) 4) 若若00，而原动件数，而原动件数FF，则构件间的运动是不确定的。，则构件间的运动是不确定的。机构具有确定运动的条件是：机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自
12、由度数机构的原动件数等于机构的自由度数机械的结构分析机械的结构分析由两个以上构件在同一处构成的重合转动副由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。称为复合铰链。由由m m个构件构成的复合铰链个构件构成的复合铰链应当包含应当包含(m-1)(m-1)个转动副个转动副。17834256(avi)312321F=3n-2pl-ph=3*7-2*10-0=12.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项（复合铰链）（复合铰链）机械的结构分析机械的结构分析机构中某些构件所具有的不影响其余构件运机构中某些构件所具有的不影响其余构件运动的自由度，称为局部自由度。动的自由度，称为局部自由度。处理方式
13、：舍弃不计处理方式：舍弃不计(avi)(例题例题:作业作业2-20)（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项机械的结构分析机械的结构分析F=3n-2p-p=3*4-2*6=0?CB311DMN245AF=3n-2p-p=3*3-2*4=131DC24BA(avi)(avi)（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）（虚约束）（虚约束）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项机械的结构分析机械的结构分析在机构中，有些约束所起的限制作用在机构中，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束是重复的，这种不起
14、独立限制作用的约束称为虚约束。称为虚约束。处理方式：先将产生虚约束的构件和处理方式：先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。运动副去掉，然后再进行计算。（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）（虚约束）（虚约束）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项机械的结构分析机械的结构分析搞清楚虚约束的概念：在机构中，两构件构成搞清楚虚约束的概念：在机构中，两构件构成运动副所引入的约束是用来限制某些相对运动的，运动副所引入的约束是用来限制某些相对运动的，某些运动链所带入的约束可能与机构所受的其他约某些运动链所带入的约束可能与机构所受的其他约束相重复，即对相对运动的限制发生了
15、重复，因而束相重复，即对相对运动的限制发生了重复，因而对机构的运动实际上起不到约束作用，这种约束称对机构的运动实际上起不到约束作用，这种约束称为虚约束。为虚约束。虚约束的存在需要一定的特定条件，并满足一虚约束的存在需要一定的特定条件，并满足一定的几何关系，有时还需要一定的几何证明来判定的几何关系，有时还需要一定的几何证明来判断，若这些条件不满足，则应为有效约束，此时断，若这些条件不满足，则应为有效约束，此时机构自由度减少，可能就不能运动了。机构自由度减少，可能就不能运动了。（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）（虚约束）（虚约束）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项机
16、械的结构分析机械的结构分析虚约束经常出现的情况虚约束经常出现的情况:1)转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点,如图如图2-19,图图2-202)用双转动副杆连接的是两运动构件上某两点间距用双转动副杆连接的是两运动构件上某两点间距离始终保持不变的两点离始终保持不变的两点,如图如图2-193)不影响机构运动传递的重复部分不影响机构运动传递的重复部分,如图如图2-21带虚约束的行星轮系带虚约束的行星轮系22231(avi)（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）（虚约束）（虚约束）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项同一运动副同一运
17、动副, ,两构件在多处接触两构件在多处接触: :构成转动副，且各轴线重合，则认为是一个转动副构成转动副，且各轴线重合，则认为是一个转动副构成移动副，且移动方向平行，则认为是一个移动副构成移动副，且移动方向平行，则认为是一个移动副构成高副，且各接触点公法线重合，则认为是一个高副构成高副，且各接触点公法线重合，则认为是一个高副( (构成高副，复合平面高副构成高副，复合平面高副, ,即两构件多处接触而形成平即两构件多处接触而形成平面高副面高副, ,但接触点公法线方向不重合但接触点公法线方向不重合, ,即相交或平行即相交或平行. . 如如图图2-17 )2-17 )(avi)(avi)机械的结构分析机
18、械的结构分析机构中为什么要使用虚约束机构中为什么要使用虚约束?a.使受力状态更合理。使受力状态更合理。b.使机构平衡。使机构平衡。c.考虑机构在特殊位置的运动。考虑机构在特殊位置的运动。(avi)（复合铰链）（复合铰链）（局部自由度）（局部自由度）（虚约束）（虚约束）2.62.6计算自由计算自由度注意事项度注意事项机构自由度计算机构自由度计算:计算过程中注意事项计算过程中注意事项:1.复合铰链复合铰链:由由m个构件构成的复合铰链应当包含个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。个转动副。2.局部自由度局部自由度:在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。在计算机构自由度时，局部自由度应
19、当舍弃不计。3.虚约束虚约束:先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。例题例题2-8总结：总结：机构自由度计算举例机构自由度计算举例例例1图示牛头刨床设计方图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动案草图。设计思路为：动力由曲柄力由曲柄1输入，通过滑块输入，通过滑块2使摆动导杆使摆动导杆3作往复摆动，作往复摆动，并带动滑枕并带动滑枕4作往复移动作往复移动，以达到刨削加工目的。以达到刨削加工目的。试试问图示的构件组合是否能问图示的构件组合是否能达到此目的？达到此目的？如果不能，如果不能，该如何修改？该如何修改？1 12 23 34解：首先
20、计算设计方案草图的自由度解：首先计算设计方案草图的自由度 F=3n- -2Pl- -Ph=34- -26 =0改进措施：改进措施：1.增加一个低副和一个活动构件；增加一个低副和一个活动构件；2.用一个高副代替低副。用一个高副代替低副。1 12 23 34例例2如图所示，已知：如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；且相互平行；DF=EG，且相互平行；且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构且相互平行。计算此机构的自由度的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。ADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度虚约束虚约
21、束复合铰链复合铰链n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=1例例3计算图所示机构的自由度计算图所示机构的自由度(若存在局部自由度、复若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。合铰链、虚约束请标出）。7 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度虚约束虚约束n=6；Pl=8； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=36- - 2 8- -1=1例例4如图所示如图所示,已知已知HG=IJ,且相互平行；且相互平行；GL=JK，且相且相互平行。计算此机构的自由度互平
22、行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。铰链、虚约束请标出）。C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 910101111G GH HI IJ JK KL L局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=1机械的结构分析机械的结构分析将自由度将自由度F0且不能再分（否则且不能再分（否则F0）的运动链（构件组）的运动链（构件组）称为基本杆组（构件数最少、自由度为零的构件组）称为基本杆组（构件数最少、自
23、由度为零的构件组）平面机构的组成原理：平面机构的组成原理：任何机构都可以看作是任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上连接于原动件和机架上所组成的。所组成的。2.72.7机构组成机构组成原理原理组成原理组成原理机械的结构分析机械的结构分析设基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组设基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：自由度的计算公式为：由于活动构件数由于活动构件数n和低副数和低副数Pl都必须是整数，所都必须是整数，所以以n应是应是2的倍数，的倍数，Pl应应是是3的倍数。的倍数。也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低也就是说，在一个基本杆
24、组中，其构件数和低副数有以下关系：副数有以下关系：n=2,Pl=3n=4,Pl=6基本杆组的类型基本杆组的类型F=3n-2Pl=0n=2Pl /32.72.7机构组成机构组成原理原理组成原理组成原理基本杆组基本杆组只由机架和原动件所构成的只由机架和原动件所构成的机构（如杠杆机构、斜面机机构（如杠杆机构、斜面机构等）称为构等）称为级机构。级机构。组成机构的杆组的最高级数最高级数称为机构的级。级杆组（级杆组（ 4 4个构件个构件6 6个低副个低副所组成，并且都有所组成，并且都有1 1个包含个包含3 3个低副的构件个低副的构件最简单的平面基本杆组是由最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆两
25、个构件三个低副组成的杆组，称之为组，称之为级杆组。级杆组。是机是机构中最常见的一类基本杆组。构中最常见的一类基本杆组。机械的结构分析机械的结构分析目的：目的：确定机构的级别。确定机构的级别。机构的级别取决于该机构能够分解出的基本机构的级别取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别。杆组的最高级别。机构结构分析的步骤是：机构结构分析的步骤是：1)计算机构的自由度，确定原动件。计算机构的自由度，确定原动件。2)从从远远离离原原动动件件的的地地方方开开始始拆拆杆杆组组。先先试试拆拆级级组组，当当不不可可能能时时再再拆拆级级组组。但但应应注注意意，每每拆拆一一个个杆杆组组后后，剩剩下下的的部部分分仍仍
26、组组成成机机构构，且且自自由由度度与与原原机机构构相相同同，直直至至全全部部杆杆组组拆拆出出只剩下只剩下级机构。级机构。3)确定确定机构的级别。机构的级别。 2.72.7机构组成机构组成原理原理组成原理组成原理基本杆组基本杆组结构分析结构分析例：试确定图示机构的级别例：试确定图示机构的级别解：解：1)计算机构的自由度。计算机构的自由度。F=3n-2pl-ph=3*7-2*10-0=1；以构件以构件1为原动件。为原动件。2)进行结构分析进行结构分析 1Ab)78HIJIa)12345678ABCDEFGHJDE2345BCFG3)确定机构的级别确定机构的级别另：若将该机构的原动另：若将该机构的原
27、动件由构件件由构件1改为构件改为构件8，则有则有结构分析图结构分析图8JC12AB34DEF57GHII12345678ABCDEFGHJ机械的结构分析机械的结构分析高副低代是指用只含低幅的构件去代替高副。高副低代是指用只含低幅的构件去代替高副。 1.1.条件：代换前后机构的自由度不变；条件：代换前后机构的自由度不变； 机构的瞬时运动关系不变。机构的瞬时运动关系不变。 说说“瞬时瞬时”就意味着当组成高副的就意味着当组成高副的运动元素不是圆，而是任意曲线时，我们可运动元素不是圆，而是任意曲线时，我们可以用接触点的曲率圆来作瞬时代替。以用接触点的曲率圆来作瞬时代替。2. 2. 目的：目的：（1 1
28、）便于对机构进行运动分析；）便于对机构进行运动分析；（2 2）进一步揭示高副与低幅的内在联系。）进一步揭示高副与低幅的内在联系。2.72.7机构组成机构组成原理原理组成原理组成原理基本杆组基本杆组结构分析结构分析高副低代高副低代机械的结构分析机械的结构分析代换方法：代换方法：高副替代成低幅时，是用一个约束度为高副替代成低幅时，是用一个约束度为1，即即F1的带有低幅的构件去代替。具体说的带有低幅的构件去代替。具体说就是：一个杆代二个低幅。就是：一个杆代二个低幅。(P20)或F31221这样代替前后自由度才能保持不变。这样代替前后自由度才能保持不变。2.72.7机构组成机构组成原理原理组成原理组成原理基本杆组基本杆组结构分析结构分析高副低代高副低代
