1、第四章第四章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析第一节第一节 概述概述 零件零件构件构件机构机构机器机器组成组成组成组成组成组成机械机械本章解决的问题：本章解决的问题：各构件之间如何连接起来各构件之间如何连接起来连接起来组成的机构在什么条件下才连接起来组成的机构在什么条件下才能有确定的运动能有确定的运动 运动副运动副 两构件直接两构件直接接触接触并能产生一定并能产生一定相对运动相对运动的的 联联接接。第二节第二节 运动副及其分类运动副及其分类 运动副的类型：运动副的类型：按运动副能产生按运动副能产生相对运动形式分相对运动形式分转动副转动副移动副移动副螺旋副螺旋副球面副球面副低副低副高副高副按
2、运动副元按运动副元素接触形式素接触形式低副低副空间运动副空间运动副(不讨论不讨论)两构件通过面接触组成的运两构件通过面接触组成的运动副动副两构件通过点或线接触组两构件通过点或线接触组成的运动副成的运动副构成机构的两个基本要素是构成机构的两个基本要素是具有一定的接触形式具有一定的接触形式( 点、线、点、线、面面)，两构件上直接参与接触而两构件上直接参与接触而构成运动副的部分构成运动副的部分称称运动副元素运动副元素产生一定形式的相对运动。产生一定形式的相对运动。构件构件运动副运动副运动副的基运动副的基本特征本特征4. 3 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的符号按
3、比例画出机械中用规定的符号按比例画出机械中只与运动有关的构件和运动副的相对位置的图形只与运动有关的构件和运动副的相对位置的图形。 各运动副间的相对位置尺寸各运动副间的相对位置尺寸称为称为运动特征尺寸运动特征尺寸。 注意：注意：在绘制机构运动简图时在绘制机构运动简图时，运动特征尺寸运动特征尺寸应准确地表示出来应准确地表示出来。绘制机构绘制机构运动简图运动简图的目的：的目的： 运动分析运动分析动力分析动力分析方案比较方案比较3. 机构运动简图中运动副的表示方法机构运动简图中运动副的表示方法 杆或轴类构件杆或轴类构件 固定构件固定构件转动副转动副的表示的表示移动副移动副的表示的表示高副的表示高副的表
4、示u用简图表示高副时，用简图表示高副时，应将两构件接触处的几何形状绘出应将两构件接触处的几何形状绘出。例：看懂上图运动副例：看懂上图运动副构件的表示方法构件的表示方法参与构成参与构成n个运个运动副的构件，可动副的构件，可以用以用n边形表示，边形表示，并在相交的部位并在相交的部位涂上焊缝标记涂上焊缝标记 或在几何图形中或在几何图形中间间画上剖面线。画上剖面线。3. 机构运动简图中运动副的表示方法机构运动简图中运动副的表示方法任何机器都包含机架、原动件和从动件任何机器都包含机架、原动件和从动件3个部分。个部分。 固定构件固定构件(机架机架) 是用来支承活动构件的构件是用来支承活动构件的构件。 原动
5、件原动件(主动件主动件) 是运动规律已知的活动构件是运动规律已知的活动构件。它的它的运动是由外界输入的，又称为运动是由外界输入的，又称为输入构件输入构件。 从动件从动件 是机构中随着原动件的运动而运动的其余是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件活动构件。相对于机架有确定的相对运动。相对于机架有确定的相对运动。 u从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的结构的结构。更多实例更多实例解：解： 分析机构的组成及运分析机构的组成及运动情况动情况 确定运动副的类型及确定运动副的类型及数量数量 选定投影面和比例尺，选定投影面和比例尺，定出各运动副的相
6、对定出各运动副的相对位置，绘制出机构运位置，绘制出机构运动简图。动简图。 绘制此机构运动简图绘制此机构运动简图4-4 4-4 平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算 u自由度自由度：相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动数目。相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动数目。约束约束对构件的独立运动所加的对构件的独立运动所加的限制限制。约束是由运动副提供的。约束是由运动副提供的。在三维空间内自由运动的构件在三维空间内自由运动的构件具有六个自由度。具有六个自由度。作平面运动的构件则只有三个作平面运动的构件则只有三个自由度自由度，可以用三个独立的参，可以用三个独立的参数数x、y和角度和角度表示。表示。
7、或者说：或者说：自由度指的是描述运动的独立参数。自由度指的是描述运动的独立参数。平面运动的一个平面运动的一个转动副转动副或一个移动副引入两个约或一个移动副引入两个约束，保留一个自由度。束，保留一个自由度。一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。运动副的作用运动副的作用是约束构件间是约束构件间的某些运动，而保留另外一的某些运动，而保留另外一些运动。一个运动副至少引些运动。一个运动副至少引入一个约束，也至少保留一入一个约束，也至少保留一个自由度。个自由度。发现：发现：1. 平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式 整个机构的自由度应为活动构件的自由度
8、总数与整个机构的自由度应为活动构件的自由度总数与全部运动副引入的约束总数之差全部运动副引入的约束总数之差，用用F表示，即表示，即 F=3n-2PL-PH 由上式可知：由上式可知：机构自由度机构自由度F取决于取决于活动活动构件的构件的件数与运动副的性质（高副或低副）和个数。件数与运动副的性质（高副或低副）和个数。 一、平面机构自由度计算公式一、平面机构自由度计算公式机构的自由度机构的自由度指机构所具有的独立运动数目指机构所具有的独立运动数目。2. 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构的自由度也是机构相对机架所具有的独立运动的机构的自由度也是机构相对机架所具有的独立运动的数目。数目。
9、求五构件运动链求五构件运动链其自由度：其自由度： F=3n2PLPH=34250=2说明说明:当原动件数少于机构的自由度时，其运动是不确定的。当原动件数少于机构的自由度时，其运动是不确定的。若给出若给出两个原动件，使构件两个原动件，使构件1、4都处于给定位置，从动件获得确都处于给定位置，从动件获得确定运动。定运动。求四构件机构自由度：求四构件机构自由度：F=3n2PLPH=33240=1u 若原动件个数等于自由度数该机构具有确定的相对若原动件个数等于自由度数该机构具有确定的相对运动。运动。u说明说明：当原动件数多于机构的自由度时，机构的运动关系将当原动件数多于机构的自由度时，机构的运动关系将发
10、生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。发生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。u若原动件数大于自由度数若原动件数大于自由度数自由度为自由度为0的结构称为静定结构或的结构称为静定结构或静定桁架静定桁架；自由度为负数的结构即为超静定结自由度为负数的结构即为超静定结构或构或超静定桁架超静定桁架。1234计算机构的自由度数计算机构的自由度数F1=3n2PLPH=23320=0F2=3n2PLPH=33520=-1发现：发现：自由度数为自由度数为0或小于或小于0时，机构无法运动时，机构无法运动F0，构件间无相对运动，不成为机构。，构件间无相对运动，不成为机构。F0,原动件数原动件数=F，运动确定，运动确定原动件
11、数原动件数F，机构破坏，机构破坏u综上所述可知综上所述可知，机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是：机构的自机构的自由度由度F0且等于原动件数。且等于原动件数。u由此可见由此可见： 二、计算平面机构自由度时应注意的事项二、计算平面机构自由度时应注意的事项1.复合铰链复合铰链2.局部自由度局部自由度3.虚约束虚约束u注意，计算机构的自由度注意，计算机构的自由度时，时，需正确计算复合铰链需正确计算复合铰链处的运动副数目、除去局处的运动副数目、除去局部自由度和虚约束部自由度和虚约束。 第五节第五节 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析5.1 平面机构的高副低代平面机构的
12、高副低代高副低代的目的：高副低代的目的：方便动力和运动分析方便动力和运动分析低代时必须满足的条件：低代时必须满足的条件：运动保持不变，并运动保持不变，并且自由度不变且自由度不变高副高副：一个约束：一个约束等效于等效于一个构件两一个构件两个低副，个低副，RR注意注意: 齿轮和凸轮转在不同齿轮和凸轮转在不同位置时，用于替代的构件长位置时，用于替代的构件长度是不同的，因为对应的曲度是不同的，因为对应的曲率半径大小是不一样的。率半径大小是不一样的。 结束结束 u例例 计算计算图示图示的发动机配气机构的自由度，并判断其运动是否的发动机配气机构的自由度，并判断其运动是否确定？确定？u解解 在此机构中在此机
13、构中, n=6、PL=8、PH=1，由，由(1-1)式得式得 F=3n2PLPH=36281=1 答：答： 运动是确定的。运动是确定的。例：例： 判别图示构件的组合是否能动？如果能动，要满足什么条判别图示构件的组合是否能动？如果能动，要满足什么条件才能有确定的相对运动？如果有复合铰链、局部自由度或虚件才能有确定的相对运动？如果有复合铰链、局部自由度或虚约束，须一一指出约束，须一一指出 。解解 (a)分析：分析： 在此构件组合中在此构件组合中, n=5、PL=7、PH=0，由，由(1-1)式得式得F=3n2PLPH=35270=1因因F0，且原动件数等于自由度数，且原动件数等于自由度数，故运动是
14、确定的。故运动是确定的。在在C处构件处构件BC与两滑块构成复合铰与两滑块构成复合铰链。链。(a)(b) (b) 在此构件组合中在此构件组合中, n=3、PL=4、PH=1，由，由(1-1)式得式得F=3n2PLPH=33241=0因因F=0，所以该构件组合不能动。，所以该构件组合不能动。无复合铰链、局部自由度或虚约束存在。无复合铰链、局部自由度或虚约束存在。(c) (c) n=4、PL=5、PH=1，F=3n2PLPH=34251=1因因F0，所以该构件组合可动。，所以该构件组合可动。确定的运动。确定的运动。(d)分析：在分析：在A、B、D、E处有复合处有复合铰链，铰链，n = 7， pL =
15、 10， pH = 0计算：计算：F=37-210=1u运动是确定的。运动是确定的。ABCDEF(d)12345计算：计算：F=35-27=1123456782112831234224243123456789101212293123456781111283F=3n2PLPH=372100=1End F=3n2PLPH=37291=2复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度虚约束虚约束F=3n2PLPH=392122=1F=3n2PLPH=372100=1F=3n2PLPH=33240=1u计算图示机构的自由度。如果计算图示机构的自由度。如果有复合铰链、局部自由度或虚有复合铰链、局部自由度或虚约束，
16、须一一指出。约束，须一一指出。 解解：B、D处有复合铰链，处有复合铰链， n=7 ，PL =10 ， PH =0 F=3n-2PL-PH=37-210-0=1 u图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。不合理，则绘出修改后的机构运动简图。u解析解析 u按图绘制运动简图如右按图绘制运动简图如右上图上图所示，该方案不合理，因为按所示，该方案不合理，因为按该图计算其自由度该图计算其自由度F3n-2PL-PH33-24-10，即该，即该运动链不能运动，因而不是机构。运动链不能运动，因而不是机构。u可将运
17、动简图设计为解图可将运动简图设计为解图(b)、(c)，(d)所示的几种方案。所示的几种方案。XYZ例例 绘制如图所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。绘制如图所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。 解：解： 分析机构的组成及运分析机构的组成及运动情况动情况 确定运动副的类型及确定运动副的类型及数量数量 选定投影面和比例尺，选定投影面和比例尺，定出各运动副的相对定出各运动副的相对位置，绘制出机构运位置，绘制出机构运动简图。动简图。 5. 绘制机构运动简图的方法及步骤绘制机构运动简图的方法及步骤u转动副转动副两构件间只能作相对转动的运动副两构件间只能作相对转动的运动副称为称为转动副转动副或或铰链铰链。
18、如果转动副中的一个构件为固定构件如果转动副中的一个构件为固定构件，则该转动则该转动副又称为副又称为固定铰链固定铰链，否则称为否则称为活动铰链活动铰链。固定铰链固定铰链活动铰链活动铰链u移动副移动副两构件间只能作相对移动的运动副称为移两构件间只能作相对移动的运动副称为移动副动副。螺旋副螺旋副球面副球面副高副高副两运动副元素通过点或线接触所构成的运动副两运动副元素通过点或线接触所构成的运动副。转动副（轴承）转动副（轴承）转动副的简图符号转动副的简图符号u移动副移动副两构件间只能作相对移动的运动副称为移两构件间只能作相对移动的运动副称为移动副动副。移动副移动副简图符号简图符号注意注意u移动副的导路必须与相对移动方向一致移动副的导路必须与相对移动方向一致。表示。表示机架的构件需画上阴影线机架的构件需画上阴影线。
