機(jī)械原理自由度課件

第 1章 平 面 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 分 析 基 本 要 求 及 重 點(diǎn) 、 難 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 副 及 其 分 類(lèi) 平 面 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 平 面 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 計(jì) 算 基 本 要 求 和 重 點(diǎn) 了 解 研 究 機(jī) 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 的 目 的 、 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 ，熟 練 掌 握 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 的 繪 制 和 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 的計(jì) 算 ， 會(huì) 進(jìn) 行 平 面 機(jī) 構(gòu) 組 成 原 理 和 結(jié) 構(gòu) 分析 1.1 研 究 機(jī) 構(gòu) 的 目 的1、 探 討 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 的 可 能 性 和 確 定 性2、 對(duì) 機(jī) 構(gòu) 按 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 分 類(lèi) ， 并 建 立 運(yùn)動(dòng) 分 析 和 動(dòng) 力 分 析 的 一 般 方 法3、 了 解 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 原 理4、 繪 制 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 1.2 運(yùn) 動(dòng) 副 、 運(yùn) 動(dòng) 鏈 和 機(jī) 構(gòu)1、 運(yùn) 動(dòng) 副 ： 兩 個(gè) 構(gòu) 件 直 接 接 觸 形 成 的 可 動(dòng) 聯(lián) 接 。2、 運(yùn) 動(dòng) 副 元 素 ： 兩 構(gòu) 件 構(gòu) 成 運(yùn) 動(dòng) 副 時(shí) 直 接 接 觸 的 點(diǎn) 、線 、 面 部 分 。 自 由 度 和 約 束 自 由 度 ： 構(gòu) 件 具 有 的 獨(dú) 立 運(yùn) 動(dòng) 的 數(shù) 目（ 確 定 構(gòu) 件 位 置 的 獨(dú) 立 參 變 量 的 數(shù) 目 約 束 ： 對(duì) 獨(dú) 立 運(yùn) 動(dòng) 所 加 的 限 制 3、 運(yùn) 動(dòng) 副 分 類(lèi) ：（ 1） 按 運(yùn) 動(dòng) 副 的 接 觸 形 式 分 為 低 幅 和 高 副低 幅 ： 面 與 面 接 觸 的 運(yùn) 動(dòng) 副 ； 接 觸 面 壓 強(qiáng) 較 低 。高 副 ： 點(diǎn) 或 線 接 觸 的 運(yùn) 動(dòng) 副 。 接 觸 面 壓 強(qiáng) 較 高 ， 易 磨 損 。 常 見(jiàn) 低 幅 常 見(jiàn) 高 副 （ 2） 按 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 形 式 分 平 面 副 和 空 間 副 平 面 副 空 間 副 運(yùn) 動(dòng) 鏈 由 兩 個(gè) 或 兩 個(gè) 以 上 構(gòu) 件 通 過(guò) 運(yùn) 動(dòng) 副 聯(lián) 接 而構(gòu) 成 的 系 統(tǒng) 。 分 兩 類(lèi) ： 閉 式 和 開(kāi) 式 。 開(kāi) 式 運(yùn) 動(dòng) 鏈 機(jī) 構(gòu) 原 動(dòng) 件 ： 按 給 定 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 獨(dú)力 運(yùn) 動(dòng) 的 構(gòu) 件 。 從 動(dòng) 件 ： 其 余 的 活 動(dòng) 構(gòu) 件 。 機(jī) 架 ： 固 定 不 動(dòng) 的 構(gòu) 件 。 機(jī) 構(gòu) 分 類(lèi) ： 閉 式 鏈 機(jī) 構(gòu) 和 開(kāi) 式 鏈 機(jī) 構(gòu) 。 1.2 平 面 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 必 須 與 原 機(jī) 構(gòu) 具 有 完 全 相 同 的 運(yùn) 動(dòng) 特 性 ， 它 不 僅 可以 用 來(lái) 表 示 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 情 況 ， 而 且 還 可 以 根 據(jù) 機(jī) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖對(duì) 機(jī) 構(gòu) 進(jìn) 行 運(yùn) 動(dòng) 分 析 和 受 力 分 析 ， 它 是 一 種 用 簡(jiǎn) 單 線 條和 符 號(hào) 表 示 機(jī) 構(gòu) 的 工 程 圖 形 語(yǔ) 言 。 應(yīng) 表 明 ： 機(jī) 構(gòu) 的 種類(lèi) ， 構(gòu) 件 的 數(shù) 目 及 相 互 傳 動(dòng) 的 路 線 ， 運(yùn) 動(dòng) 副 的 種 類(lèi) 、 數(shù)目 。 沒(méi) 有 嚴(yán) 格 按 比 例 繪 制 的 簡(jiǎn) 圖 稱(chēng) 為 機(jī) 構(gòu) 示 意 圖 。1.2.1 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 及 其 用 途機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 用 國(guó) 標(biāo) 規(guī) 定的 簡(jiǎn) 單 符 號(hào) 和 線 條 表 示 運(yùn) 動(dòng) 副 和 構(gòu)件 ， 并 按 一 定 的 比 例 表 示 運(yùn) 動(dòng) 副 的位 置 ， 這 種 用 來(lái) 說(shuō) 明 機(jī) 構(gòu) 各 構(gòu) 件 間相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 關(guān) 系 的 圖 形 ， 稱(chēng) 為 機(jī) 構(gòu) 運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 。 運(yùn) 動(dòng) 副 與 構(gòu) 件 的 表 示 方 法 2. 運(yùn) 動(dòng) 副 的 表 示 方 法 3. 構(gòu) 件 的 表 示 方 法 轉(zhuǎn) 動(dòng) 副 符 號(hào) 移 動(dòng) 副 符 號(hào) 高 副 符 號(hào) 1. 構(gòu) 件 的 種 類(lèi) 1） 固 定 件 或 機(jī) 架 ； 2） 原 動(dòng) 件 ； 3） 從 動(dòng) 件*必須有一個(gè)機(jī)架，至少有一個(gè)原動(dòng)件，其余為活動(dòng)構(gòu)件。 用 途 ： 分 析 現(xiàn) 有 機(jī) 械 ， 構(gòu) 思 設(shè) 計(jì) 新 機(jī) 械 。 其 他 零 部 件 的 表 示 方 法 可 參 看 GB446084“機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng)簡(jiǎn) 圖 符 號(hào) ” 。 繪 制 小 型 壓 力 機(jī) 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 1.3 平 面 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 自 由 度 可 能 出 現(xiàn) 的 獨(dú) 立 運(yùn) 動(dòng) 稱(chēng) 為 構(gòu) 件 的 自 由 度 。 設(shè) 平 面 機(jī) 構(gòu) 共 有 N個(gè) 構(gòu) 件 ， 低 副 和 高 副 數(shù) 目 分 別 為 PL和 PH，如 將 機(jī) 構(gòu) 中 某 一 構(gòu) 件 固 定 為 機(jī) 架 ， 則 機(jī) 構(gòu) 中 的 活 動(dòng) 構(gòu) 件 數(shù) 為n=N 1。 由 于 活 動(dòng) 構(gòu) 件 給 機(jī) 構(gòu) 帶 進(jìn) 3n個(gè) 自 由 度 ， 而 機(jī) 構(gòu) 中 全 部運(yùn) 動(dòng) 副 所 引 入 的 約 束 總 數(shù) 為 2 PL + PH。 因 此 活 動(dòng) 構(gòu) 件 的 自 由 度總 數(shù) 減 去 由 運(yùn) 動(dòng) 副 引 入 的 約 束 總 數(shù) 就 是 該 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 ， 用 F表 示 ， 即 HL23 PPnF 1.3.1 平 面 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 及 其 計(jì) 算 公 式 1.3.2 機(jī) 構(gòu) 具 有 確 定 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 的 條 件 機(jī) 構(gòu) 具 有 確 定 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 的 條 件 : 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 等 于 原 動(dòng) 件 個(gè) 數(shù) 。原 動(dòng) 件 活塞 ， 自 由度 為 1。將 直 線 運(yùn)動(dòng) 變 位 往復(fù) 擺 動(dòng) 。 1.3.3 計(jì) 算 平 面 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 的 注 意 事 項(xiàng) 1 復(fù) 合 鉸 鏈 兩 個(gè) 以 上 的 構(gòu) 件 在 同 一 軸 線 上 用 轉(zhuǎn)動(dòng) 副 連 接 起 來(lái) 形 成 復(fù) 合 鉸 鏈 。 由 K個(gè) 構(gòu)件 匯 交 成 的 復(fù) 合 鉸 鏈 應(yīng) 當(dāng) 包 含 (K 1)個(gè)回 轉(zhuǎn) 副 。 計(jì) 算 時(shí) 不 可 漏 算 。 計(jì) 算 自 由 度 17*25*3 23 HL ppnFA為 復(fù) 合 鉸 鏈 例 ： 計(jì) 算 圖 所 示 圓 盤(pán) 鋸 主 體機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 。 解 機(jī) 構(gòu) 中 有 7個(gè) 活 動(dòng) 構(gòu) 件 ，n =7， E， B， C， D 4處都 是 3個(gè) 構(gòu) 件 匯 交 成 的 復(fù)合 鉸 鏈 ， 各 有 二 個(gè) 回 轉(zhuǎn)副 ， 故 PL=10。 11027323 HL PPnFF與 機(jī) 構(gòu) 原 動(dòng) 件 個(gè) 數(shù) 相 等 。 因 此 ， 當(dāng) 原 動(dòng) 件 8轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 圓 盤(pán) 中 心E將 確 定 地 沿 直 線 EE移 動(dòng) 。 2 局 部 自 由 度 機(jī) 構(gòu) 中 某 些 構(gòu) 件 所 具 有 的 自 由 度 僅 與 其 自 身 的 局 部 運(yùn)動(dòng) 有 關(guān) ， 并 不 影 響 其 它 構(gòu) 件 的 運(yùn) 動(dòng) ， 則 稱(chēng) 該 自 由 度 為 局 部自 由 度 。 發(fā) 生 場(chǎng) 合 ： 有 滾 子 的 地 方 ， 就 一 定 有 局 部 自 由 度 解 決 方 法 ： 將 滾 子 與 安 裝 滾 子 的 構(gòu) 件 固 結(jié) 在 一 起 ， 將二 者 視 為 一 個(gè) 構(gòu) 件 。 3 虛 約 束 在 特 定 幾 何 條 件 或 結(jié) 構(gòu) 條 件 下 ， 某 些 運(yùn) 動(dòng) 副 所 引 入 的約 束 可 能 與 其 它 運(yùn) 動(dòng) 副 所 起 的 限 制 作 用 一 致 ， 這 種 不 起 獨(dú)立 限 制 作 用 的 重 復(fù) 約 束 為 序 約 束 ， 計(jì) 算 自 由 度 時(shí) 去 掉 。 虛 約 束 經(jīng) 常 出 現(xiàn) 場(chǎng) 合 ：（ 1） 兩 構(gòu) 件 構(gòu) 成 多 個(gè) 運(yùn) 動(dòng) 副 時(shí)兩 構(gòu) 件 構(gòu) 成 多 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 副 ， 但 其 軸 線 相 重 合 ： 為 了 改 善 構(gòu) 件受 力 情 況 。 兩 構(gòu) 件 構(gòu) 成 多 個(gè) 運(yùn) 動(dòng) 副 時(shí) ， 但 其 導(dǎo) 路 相 互 平 行 或重 合 ： 為 了 改 善 構(gòu) 件 受 力 情 況 。 兩 構(gòu) 件 組 成 多 個(gè) 平 面 高 副 ， 但 接 觸 點(diǎn)之 間 的 距 離 為 常 數(shù) （ 2） 兩 構(gòu) 件 上 某 兩 點(diǎn) 間 的 距 離 在 運(yùn) 動(dòng)過(guò) 程 中 始 終 保 持 不 變 。 （ 3） 聯(lián) 接 構(gòu) 件 與 被 聯(lián) 接 構(gòu) 件 上 聯(lián) 接 點(diǎn)的 軌 跡 重 合 （ 4） 機(jī) 構(gòu) 中 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 不 起 作 用 的 對(duì) 稱(chēng) 部分 計(jì) 算 圖 示 大 篩 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度復(fù) 合 鉸 鏈 ： C點(diǎn) ； 局 部 自 由 度 ： 滾 在 9與 活 塞 4視 為 一 體 ；虛 約 束 ： 與 兩 處 移 動(dòng) 副 ， 去 掉 一 個(gè) 虛 約 束 ； 彈 簧10不 影 響 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 ， 去 掉 。 得 機(jī) 構(gòu) 1.4 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 原 理 和 結(jié) 構(gòu) 分 析1.4.1 平 面 機(jī) 構(gòu) 的 高 副 低 代 根 據(jù) 一 定 條 件 對(duì) 機(jī) 構(gòu) 中 的 高 副 以 低 副 代 替 ，稱(chēng) 為 高 副 低 代 。 代 替 條 件 ： 代 替 前 后 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 不 變 ； 瞬 時(shí)度 和 瞬 時(shí) 加 速 度 不 變 。 方 法 ： 一 個(gè) 構(gòu) 件 加 兩 個(gè) 低 幅 。 構(gòu) 件 ： 過(guò) 接 觸點(diǎn) 法 線 ， 兩 個(gè) 低 幅 ： 即 為 接 觸 點(diǎn) 圓 弧 曲 率 中 心 。 高 副 接 觸 有 三 種 ： 圓 弧 和 圓 弧 接 觸 ； 點(diǎn) 和 圓弧 接 觸 ； 線 和 圓 弧 接 觸 。 1、 圓 弧 和 圓 弧 接 觸（ 1） 圓 形 曲 線 ： 圖 示 ， 兩 構(gòu) 件 在 c點(diǎn) 構(gòu) 成 高 副 ， 機(jī) 構(gòu)在 運(yùn) 動(dòng) 過(guò) 程 中 ， AO1、 BO、 O1O長(zhǎng) 度 不 變 ， 用 一 桿O1O加 兩 副 O1和 O代 替 了 原 高 副 C。 （ 2） 非 圓 形 曲 線由 于 曲 線 各 處 曲 率 中 心 的 位 置 不 同 ， 故 在 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 中 隨 著接 觸 點(diǎn) 的 改 變 ， 曲 率 中 心 OO1相 對(duì) 于 構(gòu) 件 1、 2的 位 置 及OO1間 的 距 離 也 會(huì) 隨 之 改 變 。 因 此 對(duì) 于 一 般 的 高 副 機(jī) 構(gòu) ，在 不 同 的 位 置 有 不 同 的 瞬 時(shí) 替 代 機(jī) 構(gòu) 。 實(shí) 例如 果 是 一 對(duì) 齒 輪 ， 如 何 替 代 ？ 2、 點(diǎn) 和 圓 弧 接 觸 2、 直 線 和 圓 弧 接 觸 1.4.2 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 原 理 （ 低 副 機(jī) 構(gòu) ） 任 何 機(jī) 構(gòu) 中 都 包 含 原 動(dòng) 件 、 機(jī) 架 和 從 動(dòng) 件 系統(tǒng) 三 部 分 ， 而 原 動(dòng) 件 的 個(gè) 數(shù) 與 自 由 度 相 等 ， 所 以去 掉 原 動(dòng) 件 ， 從 動(dòng) 件 系 統(tǒng) 的 自 由 度 為 零 。 桿 組 ： 從 動(dòng) 件 系 統(tǒng) 可 分 解 成 若 干 個(gè) 不 可 再 分的 自 由 度 為 零 的 構(gòu) 件 組 合 ， 稱(chēng) 為 基 本 桿 組 。 簡(jiǎn) 稱(chēng)桿 組 。 分 類(lèi) ： 從 動(dòng) 件 系 統(tǒng) 的 自 由 度 F=3n-2PL=01） n=2， P L=3 -二 類(lèi) 桿 組 （ 二 桿 三 副 ）2） n=4， PL=6 -多 類(lèi) 桿 組 （ 四 桿 六 副 ）更 高 級(jí) 別 的 基 本 桿 組 在 實(shí) 際 機(jī) 構(gòu) 中 很 少 遇 到 。 常 見(jiàn) 二 級(jí) 桿 組 ： 常 見(jiàn) 多 級(jí) 桿 組 ： 最 常 見(jiàn) 的 是 如 左圖 所 示 的 三 級(jí)桿 組 。 其 特 征是 具 有 一 個(gè) 三副 構(gòu) 件 ， 而 每個(gè) 內(nèi) 副 所 聯(lián) 接的 分 支 機(jī) 構(gòu) 是雙 福 機(jī) 構(gòu) 。 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 原 理 ： 把 若 干 個(gè) 自 由 度 為 零 的 基 本 桿 組 依 次 聯(lián) 接 到原 動(dòng) 件 和 機(jī) 架 上 ， 就 可 組 成 一 個(gè) 新 的 機(jī) 構(gòu) ， 其 自由 度 數(shù) 與 原 動(dòng) 件 數(shù) 目 相 等 。設(shè) 計(jì) 機(jī) 構(gòu) 的 準(zhǔn) 則 ： 在 滿 足 相 同 工 作 要 求 的 前 提 下 ，機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 越 簡(jiǎn) 單 ， 桿 組 的 級(jí) 別 越 低 ， 構(gòu) 件 的 運(yùn)動(dòng) 副 數(shù) 目 越 少 越 好 。 1、 拆 桿 組 ： 流 程 如 下 圖1.4. 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 分 析 實(shí) 例 1 拆 成 4個(gè) 二 級(jí) 桿 組 實(shí) 例 2 機(jī) 構(gòu) 的 級(jí) 別 ：