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1、机械原理典型例题（第二章）机械原理典型例题（第二章）结构分析结构分析2011.9CAB例例1：试绘制图示偏心回转油泵机构的运动简图。图中偏心轮：试绘制图示偏心回转油泵机构的运动简图。图中偏心轮 1 绕固定轴心绕固定轴心A转动，外环转动，外环2上的叶片在可绕轴心上的叶片在可绕轴心 C 转动的圆转动的圆柱柱 3 中滑动。当偏心轮连续转动时，将低压油由右端吸入，高中滑动。当偏心轮连续转动时，将低压油由右端吸入，高压油从左端排出。压油从左端排出。解：解：n选取合适的比例尺绘选取合适的比例尺绘制运动简图；制运动简图；n计算机构自由度计算机构自由度 n = 3, pl = 4, ph =0 F = 3n
2、- 2 pl - ph = 33240 = 1n结论：此机构为曲柄结论：此机构为曲柄滑块机构，需要一个滑块机构，需要一个原动件。原动件。例例2：计算图示精压机构的自由度：计算图示精压机构的自由度解：解：n该机构中存在结构对称部分，从该机构中存在结构对称部分，从运动传递的独立性来看，有机构运动传递的独立性来看，有机构 ABCDE 就可以了，其余部分对就可以了，其余部分对机构的运动传递没有影响，故引机构的运动传递没有影响，故引入了虚约束。入了虚约束。n将机构中的虚约束部分去掉不计，将机构中的虚约束部分去掉不计， C处为复合铰链，处为复合铰链，nn = 5, pl = 7, ph =0 F = 3n
3、 - 2pl - ph = 35270 = 1例例3: 计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。解：解：nD 点是三构件相铰接的复点是三构件相铰接的复合铰链，合铰链，n凸轮从动件的滚子凸轮从动件的滚子G引入引入一个局部自由度，凸轮与一个局部自由度，凸轮与大齿轮固结为同一构件。大齿轮固结为同一构件。nn = 9, pl = 12, ph = 2nF = 3n - 2pl - ph = 392122 = 1例例4：图示机构中，：图示机构中，AB=EF =CD，试计算机构自由度。，试计算机构自由度。解：解：n C处为复合铰链，处为复合铰链， m=3；nG处为局部自由度；有一个处为局部自由度；有一
4、个虚约束。虚约束。n I处有一个高副虚约束。处有一个高副虚约束。n机构机构ABCDEF为平行四边形为平行四边形机构，构件机构，构件EF及引入的约束及引入的约束为虚约束为虚约束。n 机构自由度机构自由度F n=6, Pl=7, Ph=2 F=3n-2Pl- Ph =36-27-2 =2AEBDCFGHI例例5：图示凸轮驱动式四缸活塞空气压缩机的机构运动简图，：图示凸轮驱动式四缸活塞空气压缩机的机构运动简图，计算其自由度。凸轮计算其自由度。凸轮1为原动件，当其转动时，分别推动装于为原动件，当其转动时，分别推动装于四个活塞上的四个活塞上的ABCD处的滚子，使活塞在相应的汽缸内往复运处的滚子，使活塞在
5、相应的汽缸内往复运动。连杆长度动。连杆长度AB=BC=CD=AD。解：解：n ABCD四个滚子为四个滚子为局部自由度；局部自由度；n 连杆连杆4、7、10、13为虚约束；为虚约束；n 机构自由度机构自由度F n=5, Pl=5, Ph=4 F=3n-2Pl-Ph =35-25-4 =1例例6：计算图示机构的自由度，作出仅含低副的低代机构。：计算图示机构的自由度，作出仅含低副的低代机构。解：解：n计算机构的自由度计算机构的自由度 C 处为复合铰链，处为复合铰链， H处为局部自由度，处为局部自由度， F 和和 G 处的移动副一个算作虚约束处的移动副一个算作虚约束 n = 8, pl = 11, p
6、h = 1 F = 3n - 2pl - ph = 382111 = 1n高副低代高副低代滚子和移动凸轮在高副接触点滚子和移动凸轮在高副接触点 K 处处的曲率中心分别为的曲率中心分别为 H 和和 O 点，则用点，则用附加杆附加杆 HO 和转动副和转动副 H 和和 0 来代替来代替高副高副 K，代换后的机构为仅含低副，代换后的机构为仅含低副的机构。此时，的机构。此时， n = 9, pl = 13, ph = 0 F = 3n - 2pl - ph = 39213 = 1 例例7: 计算图示机构的自由度，作出仅含低副的替代机构，并计算图示机构的自由度，作出仅含低副的替代机构，并进行机构组成分析，
7、确定杆组和机构的级别。进行机构组成分析，确定杆组和机构的级别。解：解：n计算机构的自由度计算机构的自由度F 处为复合铰链，处为复合铰链， G 处为局部自由度，则处为局部自由度，则 n = 7, pl = 9, ph = 2 F = 3n - 2 pl - ph = 37292 = 1n高副低代高副低代 用附加杆用附加杆 DB 和和 GK 及转动副及转动副 B 和和 D 、G 和和 K 来代替两高副，代换后来代替两高副，代换后的机构为仅含低副的机构。此时，的机构为仅含低副的机构。此时，n = 9, pl = 13, ph = 0 F = 3n - 2 pl - ph = 392130 = 1n该
8、机构由两个该机构由两个级杆组和一个级杆组和一个杆杆组与原动件组成，故机构为组与原动件组成，故机构为级机级机构。构。例例8: 计算图示机构的自由度，并进行机构组成分析，计算图示机构的自由度，并进行机构组成分析，确定杆组和机构的级别。确定杆组和机构的级别。解：解：n计算机构的自由度计算机构的自由度 A处为复合铰链，则处为复合铰链，则 n = 6, pl = 8, ph = 0 F = 3n - 2 pl - ph = 36280 =2 n机构的组成机构的组成 以构件以构件1、2为原动件：为原动件：6-5为为级杆组；级杆组；3-4为为级杆组级杆组机构为机构为级机构。级机构。 以构件以构件2、6为原动
9、件：为原动件：1-3-4-5为为级杆组，机构为级杆组，机构为级级机构。机构。 以构件以构件1、6为原动件：为原动件：4-5为为级杆组；级杆组；2-3为为级杆组级杆组机构为机构为级机构。级机构。不同的原动件，组成机构的杆不同的原动件，组成机构的杆组与级别不相同。组与级别不相同。例例9：图示牛头刨机构设计方案图。设计者的意图是动力由曲：图示牛头刨机构设计方案图。设计者的意图是动力由曲柄柄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做往复摆动，并带动滑枕做往复摆动，并带动滑枕4往往返移动以达到刨削的目的。试分析此方案有无结构组成原理上返移动以达到刨削的目的。试分析此方案有无结构组成原理上的
10、错误，若有，请说明原因并修改。的错误，若有，请说明原因并修改。（作业：补充修改方案）（作业：补充修改方案）解：解：n机构的自由度，机构的自由度，n = 4, pl = 6, ph = 0 F = 3n - 2 pl - ph = 34260 =0 nF机构原动件数机构原动件数 不能运动。不能运动。n修改：修改： 增加机构自由度的增加机构自由度的方法是：在机构的方法是：在机构的适当位置添加一个适当位置添加一个活动构件和一个低活动构件和一个低副或者用一个高副副或者用一个高副代替原来机构中的代替原来机构中的一个低副。一个低副。基本概念题基本概念题1.选择题：选择题：1）当机构的自由度）当机构的自由度
11、F0，且，且原动件数，则该机构即具有确定的原动件数，则该机构即具有确定的相对运动。相对运动。A.小于小于B.等于等于 C.大于大于 D.大于或等于大于或等于 2）有两个平面机构的自由度都等于）有两个平面机构的自由度都等于1，现用一个带有两铰链的运动构件，现用一个带有两铰链的运动构件将他们串成一个平面机构，则其自由度等于将他们串成一个平面机构，则其自由度等于 。 A.0 B.1 C.2 3）机构中的构件是由一个或多个零件所组成，这些零件间）机构中的构件是由一个或多个零件所组成，这些零件间产生产生任何相对运动。任何相对运动。 A.可以可以 B.不能不能 C.不一定不一定4）在机构中主动件数目）在机
12、构中主动件数目机构自由度数目时，该机构具有确定的机构自由度数目时，该机构具有确定的运动。运动。A.小于小于 B.等于等于C.大于大于5）平面机构中运动副引入的约束的数目最少为）平面机构中运动副引入的约束的数目最少为个。个。 A.一个一个 B.两个两个 C.三个三个BBBBB6）平面机构中自由度数目最多为）平面机构中自由度数目最多为个。个。 A.一个一个 B.两个两个 C.三个三个 7）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。个约束。 A.一个一个 B.两个两个 C.三个三个8）平面机构中若引入一个低副将带入）平面机构中若引入一个低副将带入个约束。个约束。 A.一个
13、一个 B.两个两个C.三个三个 9) 图图所示构件系统是不能运动的。所示构件系统是不能运动的。 AA1.选择题：选择题：BC2.判断题：判断题：1） 运动链能够成为机构的条件是，运动链相对于机运动链能够成为机构的条件是，运动链相对于机架的自由度大于零，且等于原动件的数目。架的自由度大于零，且等于原动件的数目。2） 平面机构的级别取决于机构能够分解出的基本杆平面机构的级别取决于机构能够分解出的基本杆组的级别。组的级别。YN作业评讲作业评讲2-8: 图示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动图示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮力由齿轮1输入，使轴输入，使轴A来连续回转
14、，而固定在来连续回转，而固定在A轴上的凸轮轴上的凸轮2与与杠杆杠杆3组成的凸轮机构将使冲头组成的凸轮机构将使冲头4上下运动达到冲压的目的。试绘上下运动达到冲压的目的。试绘出机构运动简图，分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。出机构运动简图，分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。n选取比例尺作机构运动简图，选取比例尺作机构运动简图，如图如图b)所示。所示。n此图中，此图中，n = 3, Pl = 4, ph =1, F = 3n - 2pl - ph = 33241 = 0n计算结果表明该设计方案不计算结果表明该设计方案不能运动。能运动。n该方案的运动状况该方案的运动状况:构件构件3与与构件
15、构件4的铰接点不能同时实的铰接点不能同时实现沿现沿CD方向的直线运动，方向的直线运动，又沿以又沿以B为圆心、为圆心、BC为半径为半径的圆弧运动，因此不能实现的圆弧运动，因此不能实现设计意图。设计意图。b)a)为了实现设计意图，需在为了实现设计意图，需在C处增加一个自由度。处增加一个自由度。n在分析设计方案是否合理时，在分析设计方案是否合理时，应首先画出方案的运动简图，应首先画出方案的运动简图，根据运动链成为机构的条件，根据运动链成为机构的条件，检验方案是否可行，并提出检验方案是否可行，并提出修改方案。修改方案。n增加机构自由度的方法增加机构自由度的方法是：是：在机构的适当位置添加一个在机构的适
16、当位置添加一个活动构件和一个低副（如活动构件和一个低副（如c、d、e方案）或者用一个高方案）或者用一个高副代替原来机构中的一个低副代替原来机构中的一个低副（如副（如f方案）。方案）。n从机构运动的角度来看，机从机构运动的角度来看，机构的组成可以有多种方案构的组成可以有多种方案 。至于选定那一种修改方案。至于选定那一种修改方案最佳，还必须根据实际中的最佳，还必须根据实际中的许多因素加以分析、比较、许多因素加以分析、比较、评价来决定。评价来决定。c)b)d)e)f)绘制机构运动简图，并计算自由度。绘制机构运动简图，并计算自由度。2-9：2-10：2-13：计算各运动链的自由度，并判断其能否成：计算
17、各运动链的自由度，并判断其能否成为机构。为机构。F=3F=37-27-210-0=110-0=1F=F=原动件数，因此为机构。原动件数，因此为机构。F=3F=37-27-210-0=110-0=1F=F=原动件数，因此为机构。原动件数，因此为机构。复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链？复合铰链？2-14(a):图示凸轮图示凸轮连杆组合机构的自由度。铰接连杆组合机构的自由度。铰接在凸轮上在凸轮上D处的滚子可在处的滚子可在CE杆上的曲线槽中滚动。杆上的曲线槽中滚动。 F=38-210-2 =2局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链 F=37-29-2 =1虚约束虚约束2-14(b):图示凸轮图示
18、凸轮连杆组合机构的自由度。连杆组合机构的自由度。在在D处为铰接在一起的两个滑块。处为铰接在一起的两个滑块。虚约束虚约束局部自由度局部自由度F=35+26-2=12-17: 试计算所示惯性筛机构的自由度，判断机构是试计算所示惯性筛机构的自由度，判断机构是否具有确定的运动（标箭头的构件为原动件）。否具有确定的运动（标箭头的构件为原动件）。F=37+29-1=2F=原动件个数原动件个数有确定的运动有确定的运动复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度虚约束虚约束2-18:图示一内燃机的机构运动简图，试计算其自由图示一内燃机的机构运动简图，试计算其自由度。当分别以构件度。当分别以构件AB和和EG为原动件时，试对该机构为原动件时，试对该机构进行结构分析。进行结构分析。F=37+210=1（1）AB为原动件：为原动件：该机构为该机构为级机构级机构 。虚线表示虚线表示没有机架没有机架2-18:图示一内燃机的机构运动简图，试计算其自由图示一内燃机的机构运动简图，试计算其自由度。当分别以构件度。当分别以构件AB和和EG为原动件时，试对该机构为原动件时，试对该机构进行结构分析。进行结构分析。（2）EG为原动件：为原动件：该机构为该机构为级机构。级机构。
