机械原理自由度课件.ppt

1、第第1章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点 运动副及其分运动副及其分类类 平面机构运动简图平面机构运动简图 平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算 基本要求和重点基本要求和重点 了解研究机构结构的目的、机构的组成，了解研究机构结构的目的、机构的组成，熟练掌握运动简图的绘制和机构自由度的熟练掌握运动简图的绘制和机构自由度的计算，会进行平面机构组成原理和结构分计算，会进行平面机构组成原理和结构分析析 1.1 研究机构的目的研究机构的目的1、探讨机构运动的可能性和确定性、探讨机构运动的可能性和确定性2、对机构按结构进行分类，并建立运、对机构按结构进行

2、分类，并建立运动分析和动力分析的一般方法动分析和动力分析的一般方法3、了解机构的组成原理、了解机构的组成原理4、绘制机构运动简图、绘制机构运动简图1.2 运动副、运动链和机构运动副、运动链和机构1、运动副：两个构件直接接触形成的可动联接。、运动副：两个构件直接接触形成的可动联接。2、运动副元素：两构件构成运动副时直接接触的点、运动副元素：两构件构成运动副时直接接触的点、线、面部分。线、面部分。自由度和约束自由度和约束 自由度：构件具有的独立运动的数目自由度：构件具有的独立运动的数目（确定构件位置的独立参变量的数目（确定构件位置的独立参变量的数目 约束：对独立运动所加的限制约束：对独立运动所加的

3、限制 3、运动副分类：、运动副分类：（1）按运动副的接触形式分为低幅和高副）按运动副的接触形式分为低幅和高副低幅：面与面接触的运动副；接触面压强较低。低幅：面与面接触的运动副；接触面压强较低。高副：点或线接触的运动副。接触面压强较高，易磨损。高副：点或线接触的运动副。接触面压强较高，易磨损。常见低幅常见低幅 常见高副常见高副（2）按相对运动形式分平面副和空间副按相对运动形式分平面副和空间副 平面副平面副 空间副空间副运动链运动链 由两个或两个以上构件通过运动副联接而由两个或两个以上构件通过运动副联接而构成的系统。分两类：闭式和开式。构成的系统。分两类：闭式和开式。开式运动链开式运动链机构机构

4、原动件：按给定运动规律独原动件：按给定运动规律独力运动的构件。力运动的构件。从动件：其余的活动构件。从动件：其余的活动构件。机架：固定不动的构件。机架：固定不动的构件。机构分类：闭式链机构和开式链机构。机构分类：闭式链机构和开式链机构。1.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 必须与原机构具有完全相同的运动特性，它不仅可必须与原机构具有完全相同的运动特性，它不仅可以用来表示机构的运动情况，而且还可以根据机构简图以用来表示机构的运动情况，而且还可以根据机构简图对机构进行运动分析和受力分析，它是一种用简单线条对机构进行运动分析和受力分析，它是一种用简单线条和符号表示机构的工程图形语言。应表明：

5、和符号表示机构的工程图形语言。应表明：机构的种机构的种类，构件的数目及相互传动的路线，运动副的种类、数类，构件的数目及相互传动的路线，运动副的种类、数目。目。没有严格按比例绘制的简图称为机构示意图。没有严格按比例绘制的简图称为机构示意图。1.2.1 机构运动简图及其用途机构运动简图及其用途机构运动简图机构运动简图用国标规定用国标规定的简单符号和线条表示运动副和构的简单符号和线条表示运动副和构件，并按一定的比例表示运动副的件，并按一定的比例表示运动副的位置，这种用来说明机构各构件间位置，这种用来说明机构各构件间相对运动关系的图形，称为机相对运动关系的图形，称为机构运构运动简图。动简图。运动副与构

6、件的表示方法运动副与构件的表示方法 2.运动副的表示方法运动副的表示方法 3.构件的表示方法构件的表示方法 转动副符号 移动副符号 高副符号 1.构件的种类构件的种类 1 1）固定件或机架；）固定件或机架；2 2）原动件；）原动件；3 3）从动件）从动件*必须有一个机架，至少有一个原动件，其余为活动构件。必须有一个机架，至少有一个原动件，其余为活动构件。用途：用途：分析现有机械，构思设计新机械。分析现有机械，构思设计新机械。其他零部件的表示方法可参看其他零部件的表示方法可参看GB446084“机构运机构运动简图符号动简图符号”。绘制小型压力机机构运动简图绘制小型压力机机构运动简图1.3 平面机

7、构的自由度平面机构的自由度 自由度自由度可能出现的独立运动称为构件的自由度。可能出现的独立运动称为构件的自由度。设平面机构共有设平面机构共有N N个构件，低副和高副数目分别为个构件，低副和高副数目分别为P PL L和和P PH H，如将机构中某一构件固定为机架，则机构中的活动构件数为如将机构中某一构件固定为机架，则机构中的活动构件数为n n=N N1 1。由于活动构件给机构带进由于活动构件给机构带进3 3n n个自由度，而机构中全部个自由度，而机构中全部运动副所引入的约束总数为运动副所引入的约束总数为2 2 P PL L+P+PH H。因此活动构件的自由度因此活动构件的自由度总数减去由运动副引

8、入的约束总数就是该机构的自由度，用总数减去由运动副引入的约束总数就是该机构的自由度，用F F表示，即表示，即 HL23PPnF1.3.1 平面机构自由度及其计算公式平面机构自由度及其计算公式 1.3.2 机构具有确定相对运动的条件机构具有确定相对运动的条件 机构具有确定相对运动的条件机构具有确定相对运动的条件:机构的自由度等于原动件个数。机构的自由度等于原动件个数。原动件活原动件活塞，自由塞，自由度为度为1。将直线运将直线运动变位往动变位往复摆动。复摆动。1.3.3 计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项 1复合铰链复合铰链 两个以上的构件在同一轴线上用转两个以上的构件在同一

9、轴线上用转动副连接起来形成复合铰链。由动副连接起来形成复合铰链。由K K个构个构件汇交成的复合铰链应当包含件汇交成的复合铰链应当包含(K K1)1)个个回转副。计算时不可漏算。回转副。计算时不可漏算。计算自由度计算自由度17*25*323HLppnFA为复合铰链为复合铰链例：计算图所示圆盘锯主体例：计算图所示圆盘锯主体机构的自由度。机构的自由度。解解 机构中有机构中有7 7个活动构件，个活动构件，n n=7=7，E E，B B，C C，D D 4 4处处都是都是3 3个构件汇交成的复个构件汇交成的复合铰链，各有二个回转合铰链，各有二个回转副，故副，故P PL L=10=10。11027323H

10、LPPnFF F与机构原动件个数相等。因此，当原动件与机构原动件个数相等。因此，当原动件8 8转动时，圆盘中心转动时，圆盘中心E E将确定地沿直线将确定地沿直线EEEE移动。移动。2局部自由度局部自由度 机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其它构件的运动，则称该自由度为局部动有关，并不影响其它构件的运动，则称该自由度为局部自由度。自由度。发生场合：有滚子的地方，就一定有局部自由度发生场合：有滚子的地方，就一定有局部自由度 解决方法：将滚子与安装滚子的构件固结在一起，将解决方法：将滚子与安装滚子的构件固结在一起，将二者视为一

11、个构件。二者视为一个构件。3虚约束虚约束 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的重复约束为序约束立限制作用的重复约束为序约束，计算自由度时去掉。计算自由度时去掉。虚约束经常出现场合：虚约束经常出现场合：（1 1）两构件构成多个运动副时）两构件构成多个运动副时两构件构成多个转动副，但其轴线相重合：为了改善构件两构件构成多个转动副，但其轴线相重合：为了改善构件受力情况。受力情况。两构件构成多个运动副时，但其导路相互平行或重两构件构成多

12、个运动副时，但其导路相互平行或重合：为了改善构件受力情况。合：为了改善构件受力情况。两构件组成多个平面高副，但接触点之两构件组成多个平面高副，但接触点之间的距离为常数间的距离为常数（2）两构件上某两点间的距离在运动过）两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变。程中始终保持不变。（3）联接构件与被联接构件上联接点的）联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合轨迹重合（4）机构中对运动不起作用的对称部分）机构中对运动不起作用的对称部分计算图示大筛机构的自由度计算图示大筛机构的自由度复合铰链：复合铰链：C点；局部自由度：滚在点；局部自由度：滚在9与活塞与活塞4视为一体；视为一体；虚约束：与虚约束：

13、与两处移动副，去掉一个虚约束；弹簧两处移动副，去掉一个虚约束；弹簧10不影响机构自由度，去掉。不影响机构自由度，去掉。得机构得机构1.4 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析1.4.1 平面机构的高副低代平面机构的高副低代 根据一定条件对机构中的高副以低副代替，根据一定条件对机构中的高副以低副代替，称为高副低代。称为高副低代。代替条件：代替前后机构自由度不变；瞬时代替条件：代替前后机构自由度不变；瞬时度和瞬时加速度不变。度和瞬时加速度不变。方法：一个构件加两个低幅。方法：一个构件加两个低幅。构件：过接触构件：过接触点法线，两个低幅：即为接触点圆弧曲率中心。点法线，两个低幅：即为接触

14、点圆弧曲率中心。高副接触有三种：圆弧和圆弧接触；点和圆高副接触有三种：圆弧和圆弧接触；点和圆弧接触；线和圆弧接触。弧接触；线和圆弧接触。1、圆弧和圆弧接触、圆弧和圆弧接触（1）圆形曲线：）圆形曲线：图示，两构件在图示，两构件在c点构成高副，机构点构成高副，机构在运动过程中，在运动过程中，AO1、BO、O1O长度不变，用一杆长度不变，用一杆O1O加两副加两副O1和和O代替了原高副代替了原高副C。（2）非圆形曲线）非圆形曲线由于曲线各处曲率中心的位置不同，故在机构运动中随着由于曲线各处曲率中心的位置不同，故在机构运动中随着接触点的改变，曲率中心接触点的改变，曲率中心OO1相对于构件相对于构件1、2

15、的位置及的位置及OO1间的距离也会随之改变。因此对于一般的高副机构，间的距离也会随之改变。因此对于一般的高副机构，在不同的位置有不同的瞬时替代机构。在不同的位置有不同的瞬时替代机构。实例实例如果是一对齿轮，如何替代？如果是一对齿轮，如何替代？2、点和圆弧接触、点和圆弧接触2、直线和圆弧接触、直线和圆弧接触1.4.2 机构的组成原理（低副机构）机构的组成原理（低副机构）任何机构中都包含原动件、机架和从动件系任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分，而原动件的个数与自由度相等，所以统三部分，而原动件的个数与自由度相等，所以去掉原动件，从动件系统的自由度为零。去掉原动件，从动件系统的自由度为零

16、。杆组：从动件系统可分解成若干个不可再分杆组：从动件系统可分解成若干个不可再分的自由度为零的构件组合，称为基本杆组。简称的自由度为零的构件组合，称为基本杆组。简称杆组。杆组。分类：从动件系统的自由度分类：从动件系统的自由度F=3n-2PL=01）n=2，PL=3-二类杆组（二杆三副）二类杆组（二杆三副）2）n=4，PL=6-多类杆组（四杆六副）多类杆组（四杆六副）更高级别的基本杆组在实际机构中很少遇到。更高级别的基本杆组在实际机构中很少遇到。常见二级杆组：常见二级杆组：常见多级杆组：常见多级杆组：最常见的是如左最常见的是如左图所示的三级图所示的三级杆组。其特征杆组。其特征是具有一个三是具有一个

17、三副构件，而每副构件，而每个内副所联接个内副所联接的分支机构是的分支机构是双福机构。双福机构。机构的组成原理：机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成一个新的机构，其自原动件和机架上，就可组成一个新的机构，其自由度数与原动件数目相等。由度数与原动件数目相等。设计机构的准则：在满足相同工作要求的前提下，设计机构的准则：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单，杆组的级别越低，构件的运机构的结构越简单，杆组的级别越低，构件的运动副数目越少越好。动副数目越少越好。1、拆杆组：流程如下图拆杆组：流程如下图1.4.机构的结构分析机构的结构分析实例实例1拆成拆成4个二级杆组个二级杆组实例实例2机构的级别：机构的级别：