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1、機 械 原 理參考教材：參考教材：機械原理機械原理，朱理主編，高等教育出版社；，朱理主編，高等教育出版社；機械原理機械原理（第七版）孫桓、陳作模、葛文杰主編，高等教育出版社；（第七版）孫桓、陳作模、葛文杰主編，高等教育出版社；機械原理教程機械原理教程（第二版）申永勝主編，清華大學出版社；（第二版）申永勝主編，清華大學出版社；機構運動簡圖2機構的組成原理和機構分析4機構的組成3 1自由度計算、確定運動條件3 3第二章 機構的機構分析難點難點機構自由度的計算，尤其是虛約束的判定重點重點1、機構相關基本概念；2、機構運動簡圖的繪制；3、機構自由度的計算；4、機構的組成原理及機構分析。第二章 機構的機
2、構分析2、1機構的組成第二章 機構的機構分析 據機構中構件相互運動形式：平面機構 空間機構機構的組成要素機構的組成要素、構件、構件運動的最小單元 構件零件 多個零件的剛性系統(tǒng)零件零件制造的最小單元機械機械機器機器機構機構構件構件零件零件 2、運動副、運動副：運動副運動副：兩個構件直接接觸形成的可動聯(lián)接。兩個 直接接觸 可動 聯(lián)接 運動副元素運動副元素：參加接觸構成運動副的部分第二章 機構的機構分析12第二章 機構的機構分析對運動副的理解要把握以下三點：（）運動副是一種聯(lián)接；（）運動副由兩個直接接觸的構件組成；（）組成運動副的兩個構件之間有相對運動運動副是機械原理中最重要的概念之一運動副是機械原
3、理中最重要的概念之一請看教學示例3 3、運動副分類、運動副分類自由度：構件相對于其它構件的獨立運動的數目約束：對自由度的限制。第二章 機構的機構分析 x y o Sx 移動y 移動z 轉動平面構件加入運動副后，僅剩余一個自由度。按構成運動副兩構件的相對運動形式分按構成運動副兩構件的相對運動形式分平面運動副：組成運動副的兩構件的相對運動為平面運動空間運動副：組成運動副的兩構件的相對運動為空間運動第二章 機構的機構分析按組成運動副的兩運動副元素的接觸形式分按組成運動副的兩運動副元素的接觸形式分低副：兩構件通過面接觸 轉動副：兩構件之間只做相對轉動，也稱鉸鏈；移動副：兩構件之間只做相對移動。高副：兩
4、構件通過點或線接觸。第二章 機構的機構分析按構成運動副兩構件的相對運動分按構成運動副兩構件的相對運動分轉動副：組成運動副的兩構件的相對運動為轉動；移動副：組成運動副的兩構件的相對運動為移動；螺旋副：組成運動副的兩構件的相對運動為螺旋運動；球面副：組成運動副的兩構件的相對運動為球面運動等。按運動副引入的約束數分按運動副引入的約束數分級副：引入一個約束的運動副級副：引入二個約束的運動副級副：引入五個約束的運動副第二章 機構的機構分析注：注：平面運動副：至少為級。（平面副本身就帶入三個約束，為級副）空間運動副：從級副到級副均有。特別，螺旋副為級副按運動副封閉的形式分按運動副封閉的形式分幾何封閉：借助
5、于構件形狀所產生的幾何約束來封閉，如 轉動副，移動副等力封閉：借助于重力、彈簧力等來封閉，如 平面副，平面高副等第二章 機構的機構分析4 4、運動鏈與機構、運動鏈與機構運動鏈運動鏈：兩個或兩個以上的構件通過運動副的聯(lián)接而構成的相對可動的系統(tǒng)。兩個或兩個以上 運動副聯(lián)接 相對可動分類分類：閉式運動鏈（閉鏈）：運動鏈各構件構成首據是否閉合 （常用）末封閉的系統(tǒng)，如 開式運動鏈（開鏈）：運動鏈各構件未構成 （機械手）首末封閉系統(tǒng)，如另有：平面運動鏈和空間運動鏈之分第二章 機構的機構分析機構機構：在運動鏈中，將某一構件固定則成為機構。其中：固定的構件機架機架（相對參照物固定）相對機架運動的構件又分：原
6、動件原動件按給定的已知運動規(guī)律獨立運動的構件從動件從動件運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律+機構結構、構 件尺寸等2、2機構運動簡圖第二章 機構的機構分析一、概述：一、概述：1 1、機構運動簡圖、機構運動簡圖：忽略那些與機構運動無關的因素，僅用規(guī)定規(guī)定的符號和線條，按一定比例比例繪出的反映機構中各構件相對位置及相對運動關系的簡單圖形。2 2、避開與運動無關的因素、避開與運動無關的因素：諸如構件的外形、斷面尺寸、運動副內部結構。3 3、繪制原則、繪制原則：簡單、規(guī)范、準確地反映運動關系。4 4、要能反映出、要能反映出：構件的數目、長度，運動副的類型、數目、運動副之間的相對位置，原動件、機架等。5 5
7、、用途、用途：機械系統(tǒng)方案設計，工程語言；運動分析和受力分析；機構的分類和研究。第二章 機構的機構分析另另：機構示意圖二、機構運動簡圖的繪制二、機構運動簡圖的繪制1 1、運動副運動副的表示的表示:第二章 機構的機構分析第二章 機構的機構分析 2 2、構件構件的表示的表示3.3.繪制機構運動簡圖繪制機構運動簡圖第二章 機構的機構分析（1 1）分析機構：）分析機構：判斷機架、原動件、執(zhí)行部件；沿運動傳遞路線，分析原動件的運動如何傳至執(zhí)行部件；數清從動件、構件數目、運動副類型和數目；（2）合理選擇投影面投影面；（3）選擇適當的比例尺比例尺（實長/圖長）；（4）按順序順序用規(guī)定符號規(guī)定符號繪圖，并標出
8、原動件運動方向。第二章 機構的機構分析例例：圖為鄂式破碎機。當曲軸1繞軸心O連續(xù)回轉時，動鄂板5繞軸心F往復擺動，從而將礦石軋碎。試繪制此破碎機的機構運動簡圖。第二章 機構的機構分析分析分析：（1）原動件曲軸1；執(zhí)行部件動鄂板5；運動傳遞路線，其中構件 數目，運動副類型，數目。（2）選擇視圖平面（3）確定比例尺（實際尺寸m/圖上尺寸mm）（4）從原動件開始繪制機構運動簡圖，標構件、運動副序號以及原動件運動方向。第二章 機構的機構分析習題1習題2習題3例第二章 機構的機構分析2、3平面機構的自由度一、概念一、概念自由度自由度：構件獨立運動的數目；xyxy約束約束：對構件運動的限制作用。二、平面機
9、構自由度的計算二、平面機構自由度的計算第二章 機構的機構分析機構自由度機構自由度：機構獨立運動的數目稱為機構的自由度平面機構獨立運動的數目為:所有活動構件的自由度的和減去所有運動副引入約束數目的和。1 1、平面機構自由度的一般公式、平面機構自由度的一般公式 對于具有n個活動構件活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了Pl個低副和Ph個高副，則它們共引入(2Pl+Ph)個約束。機構的自由度F顯然應為:F=3nF=3n(2P(2Pl l+P+Ph h)=3n)=3n2P2Pl lP Ph h例例：計算下列機構的自由度第二章 機構的機構分析n=2,Pn=2,Pl l=3,P=3,Ph h=0=0 F
10、=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*2-2*3=0=3*2-2*3=0n=3,Pn=3,Pl l=5,P=5,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*3-2*5=-1=3*3-2*5=-1n=3,Pn=3,Pl l=4,P=4,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*3-2*4=1=3*3-2*4=1n=4,Pn=4,Pl l=5,P=5,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*4-2*5=2=3*4-2*5=2第二章 機構的機構分析2 2、機構自由度意義及機構具有確定運動的條件、機構自由度意義及機構具有確
11、定運動的條件 所謂機構的自由度，實質上就是機構具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數的數目。機構的自由度數也就是機構應當具有的原動件數目，應大于零。3 3、關于自由度的說明、關于自由度的說明 （1）自由度F0F0，且F=F=原動件數目原動件數目，則各構件間的相對運動是確定的機構具有確定運動的條件。（2）自由度F=0F=0，系統(tǒng)為桁架系統(tǒng)，為靜定的。（例）自由度F=-F=-1 1，則成為超靜定的系統(tǒng)。（例）第二章 機構的機構分析（3）自由度F0F0，且F原動件數目，則構件運動是不確定的，機構會沿阻力最小方向運動。（4）自由度F0F0，且F原動件數目，則構件間運動產生干涉，甚至構件斷裂。（5）平面
12、機構自由度計算公式，主要用于連桿機構、凸輪機構或它們形成的組合機構中，不能用于那些含有柔性構件的機構中。2、4計算平面機構自由度的注意事項第二章 機構的機構分析 1 1、復合鉸鏈、復合鉸鏈CB321A5E6D 增加構件5、6 后，n=5，pl=6，ph=0 F=3n-2pl-ph=35-26=3 顯然是錯誤的 如圖：n=3，pl=4，ph=0 F=3n-2pl-ph=33-24=1312 推廣推廣：m個構件鉸接在一起，有(m-1)個轉動副 上例：F=35-27=1第二章 機構的機構分析 由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合復合鉸鏈鉸鏈，如：12 3213第二章 機構的機構分析 例例：
13、活動構件活動構件：n=7 運動副運動副：不考慮復合鉸鏈，pl=6，ph=0，F=3n-2pl-ph =9（）考慮復合鉸鏈，pl=10，ph=0，F=3n-2pl-ph =1（）第二章 機構的機構分析 2 2、兩個構件之間形成多個運動副、兩個構件之間形成多個運動副 同一構件多個轉動副軸線重合F=31-22=-1（）F=31-21=1 多個移動副導路平行 F=32-22-1=1多個高副在特定幾何條件下（法線重合）F=32-22-1=1第二章 機構的機構分析 3 3、局部自由度局部自由度不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。例如：圖示滾子推桿盤形凸輪機構F=3n-2pl-ph=2（）焊接法焊接
14、法：仍采用原公式，但活動構件、運動副數目均變化。F=3n-2PL-PH=1變換公式變換公式：在原公式中減去局部自由度。F=3n-(2pl+ph)-F =1局部自由度常出現場合局部自由度常出現場合：活動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子，軸承中的滾珠等。第二章 機構的機構分析 3 3、虛約束虛約束不起獨立限制作用的約束。虛約束處理方法：虛約束處理方法：計算自由度時，將虛約束去除。此時，自由度計算公式為：F=3n-(2pl+ph-p)-F其中：n活動構件數目 pl、ph分別為低副數和高副數 p虛約束個數 F局部自由度約束此為平面機構自由度計算的完整公式第二章 機構的機構分析 虛約束常出現場合虛約束常出現
15、場合1 1、兩構件之間形成多個運動副。2 2、用轉動副聯(lián)接兩構件上軌跡重合的點。AB=CD=EF，BC=AD BE=AF F=34 (26+0-0)-0=0 錯誤E點軌跡重合 EF為虛約束（或AB、CD)F=34-(26+0-1)-0=1 第二章 機構的機構分析3 3、用雙轉動副構件聯(lián)接兩構件上距離不變的兩點。如圖：DC間 距離不變如圖：AB間 距離不變F=34-(26+0-1)-0=14 4、不影響機構運動的對稱部分，且p=2pl+ph-3n其中：n 、pl、ph為重復重復部分部分構件、低副和高副數。如：第二章 機構的機構分析其中：p=2pl+ph-3n =2所以，機構自由度為：F=3n-(
16、2pl+ph-p)-F =15-（10+6-2）-0 =1第二章 機構的機構分析 虛約束對機構工作性能的影響虛約束對機構工作性能的影響1 1、虛約束雖然對運動不起作用，但有增加構件剛性、使構件受力均衡等作用。如2 2、只有嚴格的滿足幾何條件，虛約束才為虛約束，否則為有效約束，減少機構自由度，影響機構運動。如3 3、虛約束的存在使得制造精度提高，增加了制造成本。所以，從保證機構運動靈活度和便于加工裝配等方面來說，應盡量減少自由度。第二章 機構的機構分析 例例1 1：計算圖示機構自由度，并判斷機構是否具有確定運動。（1 1）自由度計算 活動構件活動構件數：n=9 注意事項注意事項：D 處為復合鉸鏈
17、,m=3;構件8為虛約束；C、H 處為局部自由度第二章 機構的機構分析 運動副運動副：pl=11ph=3p=1F=2自由度自由度：F=3n-(2pl+ph-p)-F =27-(22+3-1)-2 =1（2 2）機構具有確定運動的條件：原動件數目=自由度個數 所以，機構具有確定運動。第二章 機構的機構分析 總結總結：計算自由度的一般步驟1 1：數清活動構件數目；2 2：考察機構中有無虛約束、局部自由度、復合鉸鏈等特殊情況；3 3：寫明機構自由度全公式F=3n-(2pl+ph-p)-F 中各小項，并計算機構自由度；4 4：判斷機構是否具有確定運動；第二章 機構的機構分析 例例1 1：計算圖示機構自
18、由度，并判斷機構是否具有確定運動。注注：C 處為復合鉸鏈；E處為虛約束；F 處為局部自由度F=36-(28+1-0)-0=1F=38-(210+1-0)-1=2例例2 2：如圖所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。局部自由度復合鉸鏈虛約束例例3 3：計算圖所示機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。局部自由度虛約束第二章 機構的機構分析2、5平面機構組成原理平面機構的組成原理2基本桿組的概念3 1平面機構的機構分析3 3第二章 機構的機構分析機構都是由機架、原動
19、件和從動件組構成的。原動件原動件從動件組從動件組機架機架 一、基本桿組的概念一、基本桿組的概念第二章 機構的機構分析基本桿組基本桿組 對具有確定相對運動的對具有確定相對運動的低副機構低副機構（原動件數（原動件數=自由度數），將原動件和自由度數），將原動件和機架拆下，剩余的從動件系統(tǒng)就是一個自由度為零的運動鏈。若將其進一步機架拆下，剩余的從動件系統(tǒng)就是一個自由度為零的運動鏈。若將其進一步拆為不可再拆的自由度為零的運動鏈，即得到拆為不可再拆的自由度為零的運動鏈，即得到基本桿組基本桿組。簡稱。簡稱“桿組桿組”DCAB+EFAODCBEF F=32-23=0O+第二章 機構的機構分析基本桿組的類型基本
20、桿組的類型F=3 n 2 Pl=0由桿組的定義：由桿組的定義：3 n=2 Pl級組級組級組級組級組級組名稱名稱構件數、低副數構件數、低副數桿組的基本型桿組的基本型 n=2；Pl=3 n=4；Pl=6 n=4；Pl=6桿組的級別按其中所含最大封閉形邊數確定。桿組的級別按其中所含最大封閉形邊數確定。概念：桿組的外接副、內接副。概念：桿組的外接副、內接副。外接副內接副桿組的演化桿組的演化第二章 機構的機構分析桿組的演化途徑桿組的演化途徑轉動副變移動副轉動副變移動副桿長的變化桿長的變化級組級組的基本型的基本型 n=2；PL=3ACB12桿組的演化途徑桿組的演化途徑轉動副變移動副轉動副變移動副桿長的變化
21、桿長的變化級組級組的基本型的基本型 n=2；PL=3ACB12桿組的演化桿組的演化第二章 機構的機構分析第二章 機構的機構分析級組級組的基本型的基本型 n=4；Pl=6ACB1234DEF桿組的演化途徑桿組的演化途徑轉動副變移動副轉動副變移動副桿長的變化桿長的變化桿組的演化桿組的演化第二章 機構的機構分析1 1、基本機構、基本機構 （原動件（原動件+機架）機架）2 2、機構的組成、機構的組成（基本機構（基本機構+桿組）桿組）v 按機構實際所需的自由度和按機構實際所需的自由度和原動件類型選擇基本機構。原動件類型選擇基本機構。v 選擇基本桿組搭接新機構選擇基本桿組搭接新機構 。v（自由度數始終等于
22、原動件數）（自由度數始終等于原動件數）要領要領 桿組的外桿組的外接副參與搭接，接副參與搭接，但必須搭在運但必須搭在運動已確定處動已確定處。二、平面機構的組成原理二、平面機構的組成原理第二章 機構的機構分析結論：結論：34121）用桿組搭接機構）用桿組搭接機構不代入多余的約束不代入多余的約束不代入多余的自由度不代入多余的自由度機構的自由度不變。機構的自由度不變。2）對桿組概念的理解：）對桿組概念的理解：F=0，不能理解為不能動。而是，桿組參與不能理解為不能動。而是，桿組參與搭接機構時不會引入多余的約束和自由度。搭接機構時不會引入多余的約束和自由度。56第二章 機構的機構分析1 1、基本機構、基本
23、機構 （原動件（原動件+機架）機架）2 2、機構的組成、機構的組成（基本機構（基本機構+桿組）桿組）3 3、平面機構的級別、平面機構的級別機構的級別按其中所含桿組的最高級別確定。機構的級別按其中所含桿組的最高級別確定。第二章 機構的機構分析三、平面機構的結構分析三、平面機構的結構分析 機構的結構分析是機構組成的機構的結構分析是機構組成的逆過程逆過程，也可稱為機構的，也可稱為機構的拆桿組拆桿組。步驟及注意事項步驟及注意事項1。除去機構中除去機構中的虛約束和局部自的虛約束和局部自由度。計算自由度，由度。計算自由度，明確原動件。明確原動件。2。拆桿組。一拆桿組。一般是從遠離原動件般是從遠離原動件處開
24、始拆，應首先處開始拆，應首先試拆試拆級組，若不級組，若不成再試拆高一級桿成再試拆高一級桿組。重復進行直至組。重復進行直至原動件。原動件。123456789567834 F=38-211=2第二章 機構的機構分析 機構的結構分析是機構組成的機構的結構分析是機構組成的逆過程逆過程，也可稱為機構的，也可稱為機構的拆桿組拆桿組。步驟及注意事項步驟及注意事項1。除去機構中除去機構中的虛約束和局部自的虛約束和局部自由度。計算自由度，由度。計算自由度，明確原動件。明確原動件。2。拆桿組。一拆桿組。一般是從遠離原動件般是從遠離原動件處開始拆，應首先處開始拆，應首先試拆試拆級組，若不級組，若不成再試拆高一級桿成
25、再試拆高一級桿組。重復進行直至組。重復進行直至原動件。原動件。123456789567834 F=38-211=23。注意：注意：（1）拆解桿組前拆解桿組前后。自由度不應后。自由度不應發(fā)生變化。剩余發(fā)生變化。剩余部分還應是機構。部分還應是機構。（2）復合鉸鏈復合鉸鏈應按復合的次數應按復合的次數拆多次。拆多次。（3）原動件的不原動件的不同會直接影響機同會直接影響機構拆解次序和結構拆解次序和結果。果。級機構三、平面機構的結構分析三、平面機構的結構分析第二章 機構的機構分析例題：例題：分別以分別以2、6構件為原動件，分析圖示機構的組成。構件為原動件，分析圖示機構的組成。123456F=3 5-2 7 =1若以構件若以構件2為原動件為原動件345612 級機構例題：例題：分別以分別以2、6構件為原動件，分析圖示機構的組成。構件為原動件，分析圖示機構的組成。123456F=3 5-2 7 =1若以構件若以構件6為原動件為原動件234516 級機構第二章 機構的機構分析
機械原理2平面機構的結構分析工程課件
