第1讲 机械机构 .ppt

1、 第第1讲讲 机械机构机械机构主要专题:机器/机构基本概念运动简图及自由度分析运动链成为机构的条件机构的组成原理(机构的级别)平面机构的运动分析平面机构的力分析机械设计 Machine design课程考核方式课程考核方式 考核方式：采用期末理论考试和过程考核相结合方式进行考核。其中：理论考核占 50%，课外设计实践占 30%，平时考勤和作业完成情况占 20%机械设计 Machine design机器机器机构基本概念机构基本概念机械设计 Machine design机器机器机构基本概念机构基本概念机械设计 Machine design4移动副256导路机械设计 Machine design机械

2、设计 Machine design机器机器机构机构机器：机器：凡同时具备以下凡同时具备以下3 3个特征的实物组合体就称为机器：个特征的实物组合体就称为机器：(1)(1)它们都是一种人为的实物它们都是一种人为的实物(机件机件)的组合体。的组合体。(2)(2)组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。(3)(3)能够完成有用的机械功或转换机械能。能够完成有用的机械功或转换机械能。执行机械运动的装置执行机械运动的装置,其用途是变换、传递能量、物其用途是变换、传递能量、物 料和信息料和信息 工作机器：工作机器：完成有用功的机器；包括加工机器和运输机器；完成有用

3、功的机器；包括加工机器和运输机器；动力机器：动力机器：原动机，将其他能转化为机械能，如电动机、内燃机；原动机，将其他能转化为机械能，如电动机、内燃机；信息机器：信息机器：完成信息的传递和变化，如照相机、传真机、打印机；完成信息的传递和变化，如照相机、传真机、打印机；机器分类机器分类机械机械是机器和机构的总称。是机器和机构的总称。机械设计 Machine design机构：机构：传递运动和动力的构件系统，各运动单元之间具有确定的相对运动。构件：构件：独立运动的单元体。零件：零件：制造的单元。机构的概念机构的概念机械设计 Machine design机械运动简图及机构的自由度平面机构的平面机构的组

4、成组成平面机构运动简图平面机构运动简图运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件 机械设计 Machine design运动副：两构件直接接触形成的可动连接为运动副。两构件直接接触形成的可动连接为运动副。构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目，空间构件所具有的独立运动的数目，空间有有6个自由度，个自由度，3个平动，个平动，3个转动。平面有个转动。平面有3 个自个自由度，由度，x y 和转动。和转动。约束：运动副使构件独立运动受限制称约束，构件自由运动副使构件独立运动受限制称约束，构件自由度减少。度减少。平面运动副分类：转动副 移动副 高副平面机构的组成机械设计 Machine design运动

5、副的约束特点转动副移动副高副yxyxyxyx12121212约束特点 约束数目X,y方向移动 2Y方向移动 2z方向转动Y方向移动 1机械设计 Machine design转动副转动副移动副移动副高副高副面接触的运动副称为面接触的运动副称为低副低副。点、线接触的运动副称为点、线接触的运动副称为高副高副。运动副符号的型式机械设计 Machine design机构机构：运动链中将某一构件加以固定，而让另一个运动链中将某一构件加以固定，而让另一个(或几个或几个)构件按给定运动规律相对该固定构构件按给定运动规律相对该固定构件运动，若运动链中其余各构件都能得到确件运动，若运动链中其余各构件都能得到确定的

6、相对运动，则此运动链成为机构。定的相对运动，则此运动链成为机构。机构中固定不动的构件称为机构中固定不动的构件称为机架机架，按照结定运动规，按照结定运动规律独立运动的构件称为律独立运动的构件称为原动件原动件(或或主动件主动件)，而其余活动，而其余活动构件称为构件称为从动件从动件。组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内，则此机构称为相互平行的平面内，则此机构称为平面机构平面机构；机构各构；机构各构件的相对运动不在同一平面或平行平面内，则此机构称件的相对运动不在同一平面或平行平面内，则此机构称为为空间机构空间机构。运动链运动链 机构机

7、构机械设计 Machine design机架机架主动件主动件从动件从动件从动件从动件四杆机构四杆机构平面机构实例平面机构实例机械设计 Machine design平面机构运动简图平面机构运动简图1.机构运动简图机构运动简图：用规定简单符号和线条简单符号和线条代表运动副和构件，按比例绘制的表达机构运动特性的简明图形。机构运动简图不考虑构件结构外形、尺寸等。机构运动简图不考虑构件结构外形、尺寸等。运动简图中常用符号（p5）机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine

8、design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design机械设计 Machine design组成：组成：机械设计 Machine design小型小型压力压力机运机运动简动简图：图：机械设计 Machine design具有两个运动副元素的构件具有两个运动副元素的构件具有三个运动副元素的构件具有三个运动副元素的构件机械设计 Machin

9、e design齿轮机构中的齿轮齿轮机构中的齿轮机械设计 Machine design凸轮机构中的凸轮和滚子凸轮机构中的凸轮和滚子机械设计 Machine design(1)分析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定其组成的各构件，何为原动件、机架、执行部分相传动部分。(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目。(3)恰当地选择运动简图的视图平面。通常可选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。(4)选择适当的比例尺，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。从原动件开始，按传动顺序标出各构件的

10、编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。难点内容难点内容 机构运动简图的绘制方法（步骤）：机构运动简图的绘制方法（步骤）：画机构运动简图选择合适的长度比例尺：)(mmml图示长度实际长度机械设计 Machine design例：绘制液压泵的机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图机械设计 Machine design例：绘制液压泵的机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图机械设计 Machine design例：绘制液压泵的机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图机械设计 Machine design例：绘制液压泵的机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图机械设计 Machin

11、e design例：绘制液压泵的机构运动简图例：绘制液压泵的机构运动简图1ABC234D机械设计 Machine design两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。闭式运动链（闭链）闭式运动链（闭链）（首尾封闭的运动链）开式运动链（开链）开式运动链（开链）（首尾不封闭的运动链）（首尾不封闭的运动链）运动链的概念运动链的概念机械设计 Machine design原动件数运动链的自由度数原动件数运动链的自由度数0运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件原动件数目原动件数目 F,F,构件运动干涉、破坏；构件运动干涉、破坏；原动件数目原动件

12、数目 F最简单、不可再分F=0运动链=基本杆组（简称杆组）杆组中杆组中：3n-2PL=0=PL=3n/2 因n,PL均为整数，n=2,4,6偶数 根据n取值不同，杆组可分为 n=2,PL=3 双杆组II级杆组 n=4 PL=6 多杆组III级杆组新的机构新的机构 绕其重合点绕其重合点 转动转动速度瞬心的概念速度瞬心的概念机械设计 Machine design对速度瞬心的几点认识对速度瞬心的几点认识(4(4点点)1.1.构件与构件的运动平面：构件是有限大的，是用构件与构件的运动平面：构件是有限大的，是用简图表示的。构件的运动平面是无限大的。两构简图表示的。构件的运动平面是无限大的。两构件的速度瞬

13、心是在构件运动平面上的某一点。件的速度瞬心是在构件运动平面上的某一点。2.2.在速度瞬心处，两构件的速度相等，即速度的大在速度瞬心处，两构件的速度相等，即速度的大小相等，方向相同。可以应用这一性质进行机构小相等，方向相同。可以应用这一性质进行机构的速度分析。的速度分析。3.3.若已知两构件上的两个点的相对速度，则可求出若已知两构件上的两个点的相对速度，则可求出这两构件的相对速度瞬心。这两构件的相对速度瞬心。4.4.若两构件作相对移动，运动平面上的各点的相对若两构件作相对移动，运动平面上的各点的相对速度方向互相平行，从而速度瞬心在无穷远处速度方向互相平行，从而速度瞬心在无穷远处机械设计 Mach

14、ine design2)1(nnNN瞬心数n构件数瞬心数目瞬心数目机械设计 Machine design机构中瞬心的位置确定机构中瞬心的位置确定机构中各瞬心的位置机构中各瞬心的位置 （1）以运动副直接相联的两构件的瞬心位置）以运动副直接相联的两构件的瞬心位置 以转动副相联：瞬心以转动副相联：瞬心在转动中心在转动中心 以移动副相联：瞬心以移动副相联：瞬心在垂直于导路的无穷远处在垂直于导路的无穷远处 以纯滚动的高副相联：瞬心以纯滚动的高副相联：瞬心在高副接触点处在高副接触点处 以一般高副相联：瞬心以一般高副相联：瞬心在高副接触点的公法线在高副接触点的公法线 (2)不以运动副直接相联的两构件的瞬心位

15、置不以运动副直接相联的两构件的瞬心位置 用用三心定理三心定理（证明）（证明）确定确定 常需借助於瞬心多常需借助於瞬心多边形。边形。机械设计 Machine design作平面运动的三个构作平面运动的三个构件共有三个瞬心，它件共有三个瞬心，它们位于同一直线上。们位于同一直线上。反证法：反证法：先设先设12不在直不在直线线1323上，而是位于构件上，而是位于构件1与与2其他的任一重合点处。其他的任一重合点处。这时在这时在K处两构件的速度方向处两构件的速度方向不可能相同，从而不可能相同，从而K不可能成不可能成为构件为构件1与与2的速度瞬心。的速度瞬心。KVk1Vk212三心定理三心定理机械设计 Ma

16、chine designP143214P34P13P24P121234P23瞬心的应用瞬心的应用机械设计 Machine design1234P13P241314133431133431314113ppppppppvp瞬心的应用瞬心的应用机械设计 Machine design123P12p13p231213122321122321213112ppppppppvp瞬心的应用瞬心的应用机械设计 Machine design12p13P23在无穷远p1212131212ppvvp3瞬心的应用瞬心的应用机械设计 Machine design矢量方程图解法矢量方程图解法1 根据运动合成原理列出机构运动的

17、矢量方根据运动合成原理列出机构运动的矢量方程，然后按方程作图求解，具体分两种情程，然后按方程作图求解，具体分两种情况况（1 1）利用同一构件上两点间的运动矢量方程作机构）利用同一构件上两点间的运动矢量方程作机构的速度及加速度的图解分析的速度及加速度的图解分析（2 2）利用两构件重合点间的运动矢量方程作机构的）利用两构件重合点间的运动矢量方程作机构的速度及加速度图解分析速度及加速度图解分析机械设计 Machine design解析法作机构的运动分析解析法作机构的运动分析1 1 机构的封闭矢量位置方程式机构的封闭矢量位置方程式2 2 复数矢量法复数矢量法平面机构的力分析目的：目的：确定运动副中的反

18、力；确定机械上的平衡力确定运动副中的反力；确定机械上的平衡力方法：方法：动态静力分析动态静力分析内容：内容：基本概念基本概念;构件惯性力确定；构件惯性力确定；运动副中摩擦力的确定；运动副中摩擦力的确定；不考虑摩擦时机构的力分析；不考虑摩擦时机构的力分析；考虑摩擦时机构的受力分析考虑摩擦时机构的受力分析机械设计 Machine design作用在机械上的各种力作用在机械上的各种力力种类：力种类：作用在机械构件上的力常见到的有：作用在机械构件上的力常见到的有：驱动力驱动力、生产阻力生产阻力、重力重力、惯性力惯性力、摩擦力摩擦力、介质阻力介质阻力和和运动副中的反力运动副中的反力。从做功的角度可分为：

19、从做功的角度可分为：驱动力：驱使机构产生运动的力驱动力：驱使机构产生运动的力 特点：特点：与作用点的速度方向相同、或成锐角与作用点的速度方向相同、或成锐角作正功作正功驱动功、输入功驱动功、输入功。包括：包括：原动力、重力（重心下降）、惯性力（减速）等。原动力、重力（重心下降）、惯性力（减速）等。阻抗力：阻碍机构产生运动的力阻抗力：阻碍机构产生运动的力 特点：特点：与作用点的速度方向相反、或成钝角与作用点的速度方向相反、或成钝角作负功作负功阻抗功阻抗功。包括：包括：生产阻力、摩擦力、重力生产阻力、摩擦力、重力(重心上升重心上升)、惯性力、惯性力(加速加速)等。可分为两种：等。可分为两种：(1)有

20、效阻力有效阻力(生产阻力生产阻力)：执行构件面对的、机械的目的实现。克服此阻力：执行构件面对的、机械的目的实现。克服此阻力所做的功称为所做的功称为有效功有效功或或输出功输出功。(2)有害阻力有害阻力：机械运动过程中的无用阻力。克服此阻力所做的功称为：机械运动过程中的无用阻力。克服此阻力所做的功称为损耗损耗功功。机械设计 Machine design机构力分析的任务与目的、方法机构力分析的任务与目的、方法一、任务与目的一、任务与目的 1.1.确定运动副中的反力确定运动副中的反力 特点：特点：对整个机械来说是内力对整个机械来说是内力；对构件来说则是外力。对构件来说则是外力。目的：目的：计算计算构件

21、构件的强度、运动副中的摩擦、磨损的强度、运动副中的摩擦、磨损；确定机械的效率确定机械的效率；研究机械研究机械的动力性能。的动力性能。2.2.确定机械上的平衡力确定机械上的平衡力(或平衡力偶或平衡力偶)定义：定义：指指与作用在与作用在机械机械上的上的已知外力已知外力，以及当，以及当该机械按给定的运动规律运动该机械按给定的运动规律运动时时其构件的惯性力相平衡的其构件的惯性力相平衡的未知外力未知外力(或外力矩或外力矩)。目的：目的：减小机械运动中构件惯性力对机械性能的影响减小机械运动中构件惯性力对机械性能的影响。二、方法二、方法 静力分析静力分析和和动态静力分析动态静力分析。图解法和解析法。图解法和

22、解析法。机械设计 Machine design构件惯性力的确定构件惯性力的确定一、一般力学方法一、一般力学方法 由理论力学知：惯性力可以最终简化为一个加于构件质由理论力学知：惯性力可以最终简化为一个加于构件质心心S处的惯性力处的惯性力Pi和一个惯性力矩和一个惯性力矩Mi；即；即而这惯性力而这惯性力Pi和和Mi又可用一个大小等于又可用一个大小等于Pi的总惯性力的总惯性力Pi 代代替；其偏离距离为替；其偏离距离为h=Mi/Pi。1.作平面移动的构件作平面移动的构件 MdPrGF惯惯NF摩摩G Mi=-Js Pi=-mas Mi=0 Pi=-mas (as=0或或as0)机械设计 Machine d

23、esign构件惯性力的确定构件惯性力的确定2.绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件 a.回转轴线通过构件质心。回转轴线通过构件质心。b.回转轴线不通过质心。回转轴线不通过质心。3.作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件 Mi=-Js(=0或或0)Pi=0 Mi=-Js Pi=-mas 其中：其中：h=Mi/PiSMiSPihPi Mi=-Js Pi=-mas 其中：其中：h=Mi/PiMihsPiPi机械设计 Machine design构件惯性力的确定构件惯性力的确定h1A2 1S13M1M2P2 P1 P1 P2 aS2aS1h2aS3P3 曲柄滑块机构的一般力学受力分析曲柄滑块机构的一般力

24、学受力分析机械设计 Machine design构件惯性力的确定构件惯性力的确定二、质量代换法二、质量代换法1.基本概念基本概念 设想把构件的质量，按一定条件用集中于构件上设想把构件的质量，按一定条件用集中于构件上某几个选定点的假想集中质量来代替。某几个选定点的假想集中质量来代替。假想的集中质量称为假想的集中质量称为代换质量代换质量，代换质量所在的，代换质量所在的位置称为位置称为代换点代换点。2.质量代换的等效条件质量代换的等效条件a.代换前后构件的质量不变；代换前后构件的质量不变；b.代换前后构件的质心位置不变；代换前后构件的质心位置不变；c.换前后构件对质心轴的转动惯量不变。换前后构件对质

25、心轴的转动惯量不变。mi=m i=1 nmi xi=0 i=1 nmi yi=0 i=1 nmi(x2i+y2i)=0i=1 n机械设计 Machine design构件惯性力的确定构件惯性力的确定3.质量代换法质量代换法a.动代换。动代换。同时满足上述三个代换同时满足上述三个代换条件的质量代换。对连杆有：条件的质量代换。对连杆有：mB+mK=m2 mBb=mKk mBb2+mKk2=Js2 机械设计 Machine design构件惯性力的确定构件惯性力的确定b.静代换。只满足上述前两静代换。只满足上述前两个代换条件的质量代换。个代换条件的质量代换。(忽略惯性力矩的影响忽略惯性力矩的影响)m

26、B=m2c/(b+c)mC=m2b/(b+c)机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析附加：附加：1.摩擦的分类摩擦的分类 a.干摩擦干摩擦 b.液体摩擦液体摩擦 c.半液体摩擦半液体摩擦 2.库仑定律库仑定律(摩擦定律摩擦定律)简要内容：简要内容：a.F=f N b.f静静 f动动 c.摩擦系数的值与两物体间的摩擦系数的值与两物体间的接触表面材料和形状有关，与接触接触表面材料和形状有关，与接触面积的大小及两物体间的相对速度面积的大小及两物体间的相对速度的关系很小。的关系很小。F21F12QNV21V1212机械设计 Machine des

27、ign运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析一、运动副中的摩擦一、运动副中的摩擦 1.移动副移动副平面摩擦平面摩擦于是有：于是有：tg=Px/Py Px有效分力有效分力 Py有害分力有害分力 而：而：N=-Py F=f N R总支反力总支反力，正压力与摩擦力的矢量和；，正压力与摩擦力的矢量和；R与与N之之 间间夹角用夹角用j表示，称作摩擦角表示，称作摩擦角(Frictional Angle)。结论：结论：(1)摩擦角与摩擦系数一一对应，摩擦角与摩擦系数一一对应，j=arctgf；(2)总支反力总支反力永远与运动方向成永远与运动方向成90+j 角。角。12PPxPya aFNR

28、21j j机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析1.移动副移动副楔形面摩擦楔形面摩擦 以滑块作为受力体，有以滑块作为受力体，有 F=f N 所以所以，总摩擦力，总摩擦力 F=2F=2f N 因为：因为：Q=2N*sin，即，即N=Q/2sin所以：所以：F=2F=2f N=Q*f/sin令：令：fv=f/sin 有有F=Q*fv fv当量摩擦系数当量摩擦系数讨论：讨论：(1)概念的引入，将楔形摩擦转换成平面摩擦；概念的引入，将楔形摩擦转换成平面摩擦；(2)fvf；作锁止用。；作锁止用。QPQ12NNQNN22 90-90-90-90-机械

29、设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析1.移动副移动副斜面摩擦斜面摩擦a.等速上升等速上升物体平衡：物体平衡：P+Q+R=0所以有：所以有：P=Q tg(a+j)b.等速下降等速下降物体平衡：物体平衡：P+Q+R=0所以有：所以有：P=Q tg(a-j)FNj jR21QPR21a+ja+jnna aFNj jR21QPR21ajajnnPQ12va aa a1PQ2va a机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析1.移动副移动副螺旋副摩擦螺旋副摩擦螺母螺母1在铅垂载荷在铅垂载荷G和力矩和

30、力矩M的共同作用下等速轴向的共同作用下等速轴向运动。运动。拧紧螺母时：拧紧螺母时：M=Fd2/2=Gd2tan(a+j)/2放松螺母时：放松螺母时：M=Gd2tan(a-j)/2机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析 2.回转副中摩擦回转副中摩擦 (1)轴颈摩擦轴颈摩擦 设设r为轴颈半径，为轴颈半径，Q为铅垂径向载荷，为铅垂径向载荷，Md为驱动力矩。为驱动力矩。于是：于是：N=Ni (标量标量)F=Fi=f*Ni=f*N=f*Ni 因为：因为：Q=Niy然而：然而：Niy Ni所以：所以：N(=Ni)Q(=Niy)令：令：N=KQ K 1

31、1.57所以：所以：F=f*N=K*f*Q=fv*Q，fv当量摩擦系数当量摩擦系数于是：于是：M=F*r=fv*r*Q2Q12Mdr10N1NiF1FiQN机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析显然：显然：R21=-Q，Mf=R21*Md=Mf=Q*=R21*=fv*r*Q=fv*r 摩擦圆半径摩擦圆半径结论：结论：A.总反力始终切于摩擦圆；总反力始终切于摩擦圆；B.总支反力方向与作用点速度方向总支反力方向与作用点速度方向相反。相反。(2)轴端的摩擦轴端的摩擦 轴用以承受轴向力的部分称为轴端。轴用以承受轴向力的部分称为轴端。2Q12Mdr

32、10N1NiF1FiR21NF机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析例：如图所示为一曲柄滑块机构。已知例：如图所示为一曲柄滑块机构。已知1转向，转向，Q为作用于滑块上的阻力，为作用于滑块上的阻力，驱动力驱动力F作用点位置、方向已知。不计各构件质量、惯性力。求各支反作用点位置、方向已知。不计各构件质量、惯性力。求各支反力及力及F的大小。的大小。解题步骤：解题步骤：(1)判定连杆是受拉或受压；判定连杆是受拉或受压；(2)判定构件间的相对转向；判定构件间的相对转向；(3)判定作用力在摩擦圆上切点位置；判定作用力在摩擦圆上切点位置；(4)依据力平

33、衡条件求解。依据力平衡条件求解。FR R32324123Qv vR R1212机械设计 Machine design运动副中摩擦运动副中摩擦(Friction)力分析力分析(2)判定构件间的相对转向；判定构件间的相对转向；(3)判定作用力在摩擦圆上切点位置；判定作用力在摩擦圆上切点位置；(4)依据力平衡条件求解。依据力平衡条件求解。对构件对构件3：Q+R23+R43=0对构件对构件1：R21+R41+F=0FR R32324123Qv vR R1212212114142323R R3232R R1212R R1212R R2323R R4343R R4141QR R4343R R2323R R2121F FR R4141机械设计 Machine design二二.基本技能基本技能 （一）考虑摩擦时的运动副总反力的确定（一）考虑摩擦时的运动副总反力的确定 （二）用（二）用矢量方程图解法矢量方程图解法作机构的作机构的动态静动态静 力分析力分析 （三）考虑摩擦时用（三）考虑摩擦时用矢量方程图解法矢量方程图解法作简作简单机构的静力分析单机构的静力分析