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1、第2章 平面機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)分析,本章主要介紹了機(jī)構(gòu)的組成及特點(diǎn)，分析機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的的條件，學(xué)會平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制及自由度的計(jì)算， 明確機(jī)構(gòu)分析的目的。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),第2章 平面機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)分析,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成 2.2 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖 2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度 所有構(gòu)件的運(yùn)動平面都相互平行的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，否則稱為空間機(jī)構(gòu)。常用機(jī)構(gòu)大多數(shù)為平面機(jī)構(gòu)，本章僅討論平面機(jī)構(gòu)的情況 。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.1 構(gòu)件的分類 根據(jù)構(gòu)件在傳遞運(yùn)動中的作用，機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可分為三類： 固定件或機(jī)架用來支撐活動構(gòu)件固定不動
2、的構(gòu)件。研究機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的運(yùn)動時(shí)，常以固定件作為參考坐標(biāo)系。 原動件按給定運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件。它是機(jī)構(gòu)中輸入運(yùn)動的構(gòu)件，故又稱為主動件。 從動件機(jī)構(gòu)中隨著原動件的運(yùn)動而運(yùn)動的其余活動構(gòu)件。 在一般的機(jī)構(gòu)中，必有一個(gè)構(gòu)件被相對地看作固定件，在活動構(gòu)件中，必須有一個(gè)或幾個(gè)原動件，其余的是從動件。當(dāng)原動件按預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時(shí)，機(jī)構(gòu)中各從動件即有確定的相對運(yùn)動。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.2 運(yùn)動副,自由度：把構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目稱為自由度。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2.1.2 運(yùn)動副,運(yùn)動副：機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件之間直接接
3、觸并能作相對運(yùn)動的聯(lián)接，稱為運(yùn)動副。,圖2-2 運(yùn)動副,自由度和運(yùn)動副約束 兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動副后，某些獨(dú)立的相對運(yùn)動便受到限制，這種限制稱為約束。運(yùn)動副引入約束，相對運(yùn)動自由度隨之減少。 運(yùn)動副引入的約束數(shù)等于兩構(gòu)件相對自由度減少的數(shù)目。,運(yùn)動副元素不外乎為 點(diǎn)、線、面。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,按照接觸特性，通常把運(yùn)動副分為低副和高副兩類。,1.低副 兩構(gòu)件通過面接觸構(gòu)成的運(yùn)動副稱為低副。 移動副：兩構(gòu)件間的相對運(yùn)動為直線運(yùn)動的，稱為移動副 。,圖2-3移動副,具有2個(gè)約束， 保留了1個(gè)自由度,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),圖2-4 轉(zhuǎn)動副,轉(zhuǎn)動副： 兩構(gòu)件
4、間的相對運(yùn)動為轉(zhuǎn)動的，稱為轉(zhuǎn)動副或稱為鉸鏈副,a)固定鉸鏈,具有2個(gè)約束， 保留了1個(gè)自由度,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,,,b)活動鉸鏈轉(zhuǎn)動副,具有2個(gè)約束， 保留了1個(gè)自由度,由上述可知，在平面機(jī)構(gòu)中，每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，機(jī)構(gòu)即失去兩個(gè)自由度。,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.高副兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線接觸構(gòu)成的運(yùn)動副稱為高副。,,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,圖2-5 凸輪高副,保留2個(gè)自由度， 帶進(jìn)1個(gè)約束,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,圖2-6 齒輪高副,保留2個(gè)自由度， 帶進(jìn)1個(gè)約束,由上述可知，在平面機(jī)構(gòu)中
5、，每個(gè)高副引入一個(gè)約束，機(jī)構(gòu)即失去一個(gè)自由度。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),低副兩構(gòu)件之間為面接觸，只能作相對滑動，容易制造和維修，其承受載荷時(shí)接觸處單位面積上的壓力小，承載能力大，耐磨損，壽命長，但滑動效率較低； 高副的兩構(gòu)件之間則可作相對滑動或滾動，或兩者并存，承受載荷時(shí)接觸處單位面積上的壓力大，耐磨損，制造維修困難，但能傳遞復(fù)雜的運(yùn)動。,2.1 平面機(jī)構(gòu)的組成,運(yùn)動副的特點(diǎn),2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,2.2.1 運(yùn)動副和構(gòu)件的表示方法,運(yùn)動副的表示方法,轉(zhuǎn)動副表示方法,小圓圈表示轉(zhuǎn)動副，其圓心表示兩構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動的軸線位置。 構(gòu)件上畫斜線的表示機(jī)架。 圖
6、面垂直于回轉(zhuǎn)軸線時(shí)用2-7a表示； 圖面不垂直于回轉(zhuǎn)軸線時(shí)用2-7b表示。,(a) (b) 圖2-7 轉(zhuǎn)動副的表示方法,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),移動副表示方法,兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。,2.2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),高副表示方法,兩構(gòu)件組成高副時(shí)，應(yīng)繪出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓。 對于凸輪、滾子，習(xí)慣上繪出其全部輪廓； 對于齒輪，常用點(diǎn)劃線畫出其節(jié)圓。,圖2-9 高副的表示方法,2.2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,其它他常用零部件的表示方法可參看GB4460-84“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號”。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)
7、計(jì)基礎(chǔ),2.2.2 構(gòu)件的表示方法 構(gòu)件的相對運(yùn)動是由運(yùn)動副決定的，所以在表示機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中的構(gòu)件時(shí)，把構(gòu)件上的運(yùn)動副按照其相對位置先用符號表示出來，再用簡單的線條連接起來。表示方法如圖2-10所示。,2.2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 分析機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動情況，確定機(jī)構(gòu)中的機(jī)架、原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分，以確定運(yùn)動副的數(shù)目。 按照運(yùn)動傳遞的路線，逐一分析每兩個(gè)構(gòu)件間相對運(yùn)動的性質(zhì)，確定運(yùn)動副的類型和數(shù)目。 一般選擇與機(jī)械的多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面相平行的平面作為投影面。 選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，定出各運(yùn)動副之間的相對
8、位置，用規(guī)定的簡單線條和各種運(yùn)動副符號，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 根據(jù)圖紙的大小、實(shí)際機(jī)構(gòu)的大小和表達(dá)清楚機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，選擇長度比例尺,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),例2.1 試?yán)L制內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,解：1）分析運(yùn)動，確定構(gòu)件的類型和數(shù)量,2）確定運(yùn)動副的類型和數(shù)目：5和6、7和8之間分別構(gòu)成高副；2和4、8和4之間分別構(gòu)成移動副；7和4、2和2、2和3、3和4之間分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。,3）選擇視圖平面,4）選取比例尺，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動尺寸，定出各運(yùn)動副間的相對位置,5）畫出各運(yùn)動副和機(jī)構(gòu)符號，并表示出各構(gòu)件,2.2.3 平面機(jī)
9、構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),例題二：繪制圖示顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,(a) (b) 圖2-12 顎式破碎機(jī)及其機(jī)構(gòu)簡圖,2.2.3 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制,分析： 構(gòu)件2、2組成以A為中心的回轉(zhuǎn)副； 構(gòu)件2、3組成以B為中心的回轉(zhuǎn)副； 故構(gòu)件3、4組成以C為中心的回轉(zhuǎn)副； 構(gòu)件4、2組成以D為中心的回轉(zhuǎn)副。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.3.1 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 如果一個(gè)平面機(jī)構(gòu)中包含有N個(gè)構(gòu)件，其中2個(gè)構(gòu)件固定為機(jī)架，則有n=N-2個(gè)活動構(gòu)件，若有PL個(gè)低副和PH個(gè)高副。則這
10、些活動構(gòu)件在未用運(yùn)動副聯(lián)接之前，其自由度總數(shù)為3n。當(dāng)用PL 個(gè)低副和PH 個(gè)高副聯(lián)接成機(jī)構(gòu)之后，全部運(yùn)動副所引入的約束為2PL+ PH 。因此活動構(gòu)件的自由度總數(shù)減去運(yùn)動副引入的約束總數(shù)，就是該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，用F表示，有 F=3n-2PL- PH （2-2） 由公式可知，機(jī)構(gòu)自由度F取決于活動構(gòu)件的數(shù)目以及運(yùn)動副的性質(zhì)和數(shù)目。,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運(yùn)動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),例2-3 計(jì)算圖2-12b所示的顎式破碎機(jī)的自由度。 解： 除機(jī)架外，顎式破碎機(jī)有三個(gè)活動構(gòu)件，n=3；四個(gè)轉(zhuǎn)動副共4個(gè)低副，PL=4，PH=0。 由式(2-2)得 F=3n-2PL
11、-PH =33-24-20=2 該機(jī)構(gòu)的自由度為2。,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運(yùn)動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),實(shí)例分析,2.3.2 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運(yùn)動的條件,(a)兩個(gè)自由度 (b)一個(gè)自由度 (c)0個(gè)自由度 F=34-25=2 F=33-24=1 F=34-26=0 圖2-13 不同自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動,綜上所述：機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是：機(jī)構(gòu)自由度必須大于零、且原動件數(shù)與其自由度必須相等。,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),1.復(fù)合鉸鏈,2.局部自由度,3.虛約束,2.3.
12、3 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)幾種特殊結(jié)構(gòu)的處理,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運(yùn)動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),例2-4 試計(jì)算圖2-19所示的大篩機(jī)構(gòu)的自由度，并判斷它是否有確定的運(yùn)動。 解 機(jī)構(gòu)中的滾子有一個(gè)局部自由度。在E和E組成兩個(gè)導(dǎo)路平行的移動副，其中之一為虛約束。C處是復(fù)合鉸鏈。將滾子與頂桿焊成一體，去掉移動副E，并在C點(diǎn)去掉2個(gè)回轉(zhuǎn)副。由此得，n=7，PL=9，PH=2。其自由度為： F=3n-2PL-PH=37-29-2=2 因?yàn)闄C(jī)構(gòu)有兩個(gè)原動件 ，其自由度等于2， 所以具有確定的運(yùn)動。,2.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度及具有確定運(yùn)動的條件,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)
13、基礎(chǔ),三個(gè)構(gòu)件在同一軸線處，兩個(gè)轉(zhuǎn)動副。 推理：m個(gè)構(gòu)件時(shí)，有m 1個(gè)轉(zhuǎn)動副。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),慣性篩機(jī)構(gòu),C處為復(fù)合鉸鏈,計(jì)算中注意觀察是否有復(fù)合鉸鏈，以免漏算轉(zhuǎn)動副數(shù)目，出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。,n = 5, Pl = 7, Ph = 0,= 35 -27 0 = 1,F = 3n - 2Pl Ph,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，屬局部自由度。,,計(jì)入局部自由度時(shí) n = 3, Pl = 3, Ph = 1 F =33 - 2- 1 = 2 與實(shí)際不符,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由
14、度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),應(yīng)除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個(gè)構(gòu)件。,處理方法,實(shí)際結(jié)構(gòu)上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計(jì)算中不計(jì)入，并非實(shí)際拆除。,教材圖1-13b動畫,N = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 32 - 22 1 = 1,與實(shí)際相符,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),n = 4, Pl =6, Ph = 0,構(gòu)件5給機(jī)構(gòu)引入三個(gè)自由度，四個(gè)約束。多出的一個(gè)約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不起獨(dú)立的限制作用，是虛約束。,與實(shí)際不符,F = 34 -26 0 = 0,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),n = 3,
15、 Pl =4, Ph =0 F = 33 - 24 0 = 1,處理方法,與實(shí)際相符,應(yīng)除去虛約束，即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及運(yùn)動副除去不計(jì)。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),1.兩構(gòu)件未組成運(yùn)動副前，連接點(diǎn)處的軌跡已重合為一，組成的運(yùn)動副存在虛約束。,計(jì)算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運(yùn)動副一起除去不計(jì)。,虛約束常見情況及處理,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計(jì)算中只計(jì)入一個(gè)移動副。,2.兩構(gòu)件組成多個(gè)移動副，且導(dǎo)路相互平行或重合時(shí)，只有一個(gè)移動副起約束作用，其余為虛約束。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)
16、基礎(chǔ),3.兩構(gòu)件組成多個(gè)轉(zhuǎn)動副，且軸線重合，只有一個(gè)轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余為約束。,虛約束常見情況及處理,計(jì)算中只計(jì)入一個(gè)轉(zhuǎn)動副。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計(jì)算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運(yùn)動副一起除去不計(jì)。,4.兩構(gòu)件兩點(diǎn)間未組成運(yùn)動副前距離保持不變，兩點(diǎn)間用另一構(gòu)件連接時(shí)，將產(chǎn)生虛約束。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),虛約束常見情況及處理,計(jì)算中應(yīng)將對稱部分除去不計(jì)。,5.機(jī)構(gòu)中對運(yùn)動不起獨(dú)立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,2008-9-1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),虛約束對機(jī)構(gòu)的影響,機(jī)構(gòu)中虛約束是實(shí)際存在的，計(jì)算中所謂“除去不計(jì)”是從運(yùn)動觀點(diǎn)分析做的假想處理，并非實(shí)際拆除。,虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉(zhuǎn)化為有效約束。,機(jī)構(gòu)中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時(shí)也提高了對制造和裝配精度的要求。,3.3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,
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