1、第三章 平面机构的结构分析主要内容：主要内容：1、平面机构的运动简图2、平面机构的自由度计算 3.1节大江一句话说：不论是设计机器还是维修机器，我们都要将具体的机械抽象成简单的物理（运动学）模型；才能更清晰地理解其工作原理，帮助我们制定设计或维修方案。能力目标：1、将具体的机械抽象成简单的运动学模型 （会画机构运动简图）2、判定机构是否具有确定的运动 （即一个装置是不是机构，方法技术就是计算机构的自由度）项目项目1：绘制：绘制内燃机内燃机的机构运动简图。的机构运动简图。项目项目2：绘制：绘制颚式破碎机颚式破碎机的机构运动简图。的机构运动简图。3-2 3-2 运动副运动副定义：定义：机构中各个构
2、件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对活动，这种使两个构件直接接触并能产生一定的相对运这种使两个构件直接接触并能产生一定的相对运动的连接称为运动副。动的连接称为运动副。要点：要点：a a）两个构件）两个构件 b b）直接接触）直接接触 c c）有相对运动）有相对运动 三个条件缺一不可。三个条件缺一不可。我们引入一个新概念：运动副：运动副：使两个构件直接接触并能产生一定的相对运动的连接。使两个构件直接接触并能产生一定的相对运动的连接。构件上参与接触的部分是：点、线、面。构件上参与接触的部分是：点、线、面。3-2 3-2 运动副运动副按其接触形式分：
3、按其接触形式分：低副低副-面接触的运动副。面接触的运动副。高副高副-点或点或线接触的运动副线接触的运动副转动副转动副（回转副回转副或或铰链铰链）移动副移动副3.2.2 3.2.2 运动链与机构运动链与机构运动链：运动链：多个构件用运动副联接构成的系统。多个构件用运动副联接构成的系统。开式链：开式链：运动链的各构件不构成首尾封闭的系统。运动链的各构件不构成首尾封闭的系统。闭式链：闭式链：运动链的各构件构成了首尾封闭的系统。运动链的各构件构成了首尾封闭的系统。机构：机构：各构件间具有确定相对运动的运动链各构件间具有确定相对运动的运动链3.2.3 3.2.3 构件的分类构件的分类机架：机架：机构中的
4、固定构件；机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动。一般机架相对地面固定不动。如机床床身、车辆底盘、飞机机身等。如机床床身、车辆底盘、飞机机身等。原动件：原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件；按给定已知运动规律独立运动的构件；给机构提供原动力。给机构提供原动力。从动件：从动件：机构中其余活动构件。机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。构的结构和构件的尺寸。机构机构=机架机架+原动件原动件+从动件从动件1个个1个或几个个或几个若干若干3-3 3-3 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 机构运动简图与机械结构图的区
5、别？机构运动简图与机械结构图的区别？如何画机构简图？如何画机构简图？3-2 3-2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图运动简图的定义：运动简图的定义：用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。运动简图的内容：运动简图的内容：构件数目、运动副的数目和类型、构件联接关系、与构件数目、运动副的数目和类型、构件联接关系、与运动有关的尺寸、主动件及运动特性。运动有关的尺寸、主动件及运动特性。运动简图的作用：运动简图的作用：表示机构的结构和运动情况；表示机构的结构和运动情况；
6、机构运动分析和动力分析的依据。机构运动分析和动力分析的依据。（GB4460-84GB4460-84）高副符号高副符号第三章 平面机构的结构分析3-2 3-2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图运动简图的定义、内容、作用运动简图的定义、内容、作用3.2.1 3.2.1 运动简图中运动副、一般构件、常用机构的表示方法运动简图中运动副、一般构件、常用机构的表示方法3.2.2 3.2.2 绘制机构运动简图的步骤绘制机构运动简图的步骤1 1）分清机架、主动件；）分清机架、主动件；2 2）循着运动传递的路线；）循着运动传递的路线；3 3）能充分反映机构的特性；）能充分反映机构的特性；4 4）确定比例尺，
7、用规定的符）确定比例尺，用规定的符号和线条绘制。号和线条绘制。【例例3-1】绘制图0-1所示内燃机的机构运动简图。解解 内燃机是由活塞内燃机是由活塞2 2、连杆、连杆5 5、曲轴、曲轴6 6与气缸体与气缸体1 1组成的组成的曲柄滑块机构曲柄滑块机构；同曲轴固联的齿轮同曲轴固联的齿轮1010，同凸轮轴，同凸轮轴7 7固联固联的齿轮的齿轮9 9与气虹体组成的与气虹体组成的齿轮机构齿轮机构；凸轮凸轮7 7、进气阀顶杆、进气阀顶杆8 8与气缸体组成与气缸体组成的的凸轮机构凸轮机构。气缸体气缸体1 1作为固定件，是作为固定件，是机架机架；燃气推动下的活塞燃气推动下的活塞2 2是是原动件原动件；其余；其余
8、构件都是构件都是从动件从动件。256110978 【例例3-1】绘制图0-1所示内燃机的机构运动简图。各各构件构件之间的联接方式如下：之间的联接方式如下：9 9和和1010齿轮啮合，齿轮啮合，构成构成高副高副；推杆推杆8 8和气缸体和气缸体1 1之间构成之间构成移动副移动副；活塞活塞2 2和气缸体和气缸体1 1之间构成之间构成移动副移动副。凸轮凸轮7 7（齿轮（齿轮9 9）和气缸体）和气缸体构成构成转动副转动副；凸轮凸轮7 7和推杆和推杆8 8之间构成之间构成高副高副；曲轴（齿轮曲轴（齿轮1010）和气缸体）和气缸体1 1之间构成之间构成转动副转动副；256110978活塞连杆组活塞连杆组气环
9、气环油环油环活塞销活塞销活塞活塞连杆体连杆体连杆螺栓连杆螺栓连杆轴瓦连杆轴瓦连杆盖连杆盖活塞活塞2 2和连杆和连杆5 5小头，小头，连杆连杆5 5和曲轴和曲轴6 6，构成，构成转动副转动副。256110978 当曲轴当曲轴2 2绕其轴心绕其轴心O O连续转动时，动颚板连续转动时，动颚板3 3作往复作往复摆动，从而将处于动颚板摆动，从而将处于动颚板3 3和固定颚板和固定颚板6 6之间的矿石轧之间的矿石轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。解：解：（1）运动分析 此碎矿机由原动件曲轴3、动颚板4、摆杆5、机架7等4个构件组成，固定颚板6 是固定安装在机架上的。（2）
10、曲轴3于机架7在A点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴3与动颚板4也构成转动副，其轴心在B点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆5分别与动颚板4和机架7在C、D两点构成转动副。（3）其运动传递为：电机、皮带、曲轴、动颚板、摆杆。所以，其机构原动件为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。（4）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定A、B、C、D四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。由图量取AB=3mm，BC=25mm，CD=14mm，AD=22mm.低副构件的表示方法低副构件的表示方法 可以组成三个回转副的构件 绘制机构运动简图的要点：绘制机构运
11、动简图的要点：分析机构运动，找出机架、原动件与从动件。分析机构运动，找出机架、原动件与从动件。从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质，确定活动构件数目、运动副的之间相对运动的性质，确定活动构件数目、运动副的类型和数目。类型和数目。合理选择视图平面，应选择能较好表示运动关系的合理选择视图平面，应选择能较好表示运动关系的平面为视图平面。平面为视图平面。选择合适的比例，选择合适的比例，L L=实际长度图示长度实际长度图示长度 按比例定出各运动副之间的相对位置，用规定符按比例定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构运动简图。号绘
12、制机构运动简图。各转动中心标以大写的英文字母，各构件标阿拉各转动中心标以大写的英文字母，各构件标阿拉伯字母，机构的原动件以箭头标明。伯字母，机构的原动件以箭头标明。抽油机抽油机机械设计的一般程序机械设计的一般程序市场调研可行性研究试制、试验小批生产试销投产阶段 目标设计任务书 定出最佳方案 装配图零件图 样机评价 考核工艺性 产品 及其它技术文件 改进 收集用户意见 销售技术设计原理方案设计1、产品规划、产品规划2、方案设计、方案设计 3、技术设计、技术设计 4、制造及试验、制造及试验平面机构的结构分析能力目标：1、将具体的机械抽象成简单的运动学模型运动简图2、判定机构是否具有确定的运动自由度
13、计算第三章 平面机构的结构分析构件的自由度：构件的自由度：构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目。构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目。3.1.2 3.1.2 自由度和运动副约束自由度和运动副约束无约束下一个构件的平面运动有无约束下一个构件的平面运动有三个自由度三个自由度。运动副约束：运动副约束：两个构件以运动副连接后，相对运动受到的限制。两个构件以运动副连接后，相对运动受到的限制。回转副回转副2个约束1个自由度移动副移动副2个约束1个自由度高副高副1 1个约束个约束2 2个自由度个自由度第三章 平面机构的结构分析3-3 3-3 平面机构的自由度平面机构的自由度一、机构具有确定运动的条件
14、一、机构具有确定运动的条件 因为一个原动件只能提供一个独立运动参数，所以，机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。自由度自由度=原动件数原动件数二、计算机构自由度二、计算机构自由度 （设n个活动构件，PL个低副，PH个高副）F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H12346545ABCD n=5 pL=6 ph=2 F=3n-(2pL+ph)=1AABCDEE原动件数=机构自由度 四杆机构的自由度计算四杆机构的自由度计算n=3 pL=4 ph=0 F=3n-(2pL+ph)=1原动件数=机构自由度例例 二杆机构的自由度计算二杆机构的自由度计算n
15、=1 pL=1 ph=0 F=3n-(2pL+ph)=1三杆自由度计算三杆自由度计算n=2 pL=3 ph=0 F=3n-(2pL+ph)=0原动件数=机构自由度（F=0，不是机构是刚性桁架）凸轮机构自由度计算凸轮机构自由度计算n=2 pL=2 ph=1F=3n-(2pL+ph)=1四杆机构的自由度计算四杆机构的自由度计算n=3 pL=4 ph=0 F=3n-(2pL+ph)=1原动件数=机构自由度原动件数原动件数 机构自由度数，机构机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）运动不确定（任意乱动）铰链五杆机构铰链五杆机构n=4 pL=5 ph=0F=3n-(2pL+ph)=2五杆机构五杆机构2个
16、原动件个原动件小结：小结：运动链的自由度运动链的自由度F F 与原动件数目的关系：与原动件数目的关系：自由度自由度F0 F0 结构（不是机构）结构（不是机构）自由度自由度F F0 0 时，时，F F原动件数目原动件数目(运动不相容，破坏了机构运动不相容，破坏了机构)F=F=原动件数目（运动确定原动件数目（运动确定)F F原动件数目（运动不确定原动件数目（运动不确定)n机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题 三、计算机构自由度时应注意的问题
17、三、计算机构自由度时应注意的问题 1 1复合铰链复合铰链 三个或三个以上构件在同一处构成共轴线转动副的铰链，我们称为复合铰链。复合铰链。若有m个构件组成复合铰链，则复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。2个低副个低副三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题 2 2局部自由度局部自由度 机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部局部自由度自由度。滚子作用：滑动摩擦滚子作用：滑动摩擦 滚动摩擦滚动摩擦三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题 左图：n=2，PL=2，Ph1，F=3x2-2x2-1=1如
18、右图凸轮机构认为：n=3，PL=3，Ph1，F=3x3-2x3-1=2，是错误的。2 2局部自由度局部自由度 对于含有局部自由度的机构在计算自由度时，不考虑局部自由度。局部自由度，局部自由度，“焊死焊死”处处理理三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题 （3 3）虚约束：）虚约束：在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。平行四边形机构平行四边形机构在计算机构自由度时应将虚约束去除。在计算机构自由度时应将虚约束去除。平行四边形机构平行四边形机构3 3、虚约束：、虚约束：虚约束经常出现在以下几种情况中：虚约束经常出现在以下几
19、种情况中：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，虚约束消除平行四边形运动不确定性虚约束消除平行四边形运动不确定性3 3、虚约束：、虚约束：虚约束经常出现在以下几种情况中：虚约束经常出现在以下几种情况中：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，（2）两构件某两点间的距离始终不变，将此两点用构件和运动副连接会带进虚约束。n=3 pL=4 ph=0F=3n-(2pl+ph)=13 3、虚约束：、虚约束：虚约束经常出现在以下几种情况中：虚约束经常出现在以下几种情况中：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，（2）两构件某两点间的距离始终不变，将此两点用构件和运动副连接会带进虚约束。（3）
20、两构件组成多个移动方向一致的运动副3 3、虚约束：、虚约束：虚约束经常出现在以下几种情况中：虚约束经常出现在以下几种情况中：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，（2）两构件某两点间的距离始终不变，将此两点用构件和运动副连接会带进虚约束。（3）两构件组成多个移动方向一致的运动副 或两构件组成多个轴线重合的移动副虚约束增强支承刚度虚约束经常出现在以下几种情况中：虚约束经常出现在以下几种情况中：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，（2）两构件某两点间的距离始终不变，将此两点用构件和运动副连接会带进虚约束。（3）两构件组成多个移动方向一致的运动副 或两构件组成多个轴线重合的移动副（4）
21、与运动无关的对称部分，如多个行星轮虚约束改善受力平面机构的自由度要点平面机构的自由度要点计算机构自由度计算机构自由度F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H （设（设n n个活动构件，个活动构件，P PL L个低副，个低副，P PH H个高副）个高副）机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是：原动件数=机构自由度1 1、若有、若有m m个构件组成复合铰链，个构件组成复合铰链，2 2、不考虑局部自由度。、不考虑局部自由度。（凸轮滚子及推杆弹簧）（凸轮滚子及推杆弹簧）则复合铰链处的转动副数为（则复合铰链处的转动副数为（m-1m-1）个。个。计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题:平面机构的自由度要点平面机构的自由度要点计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题:3 3、在计算机构自由度时应将虚约束去除：、在计算机构自由度时应将虚约束去除：（1）两连接构件在连接点上的运动轨迹相重合，（2）两构件某两点间的距离始终不变，（3）两构件组成多个移动方向一致的运动副或两构件组成多个轴线重合的移动副（4）与运动无关的对称部分（移动导杆机构）（移动导杆机构）3.53.6曲柄移动导杆机构曲柄移动导杆机构3.73.83.83.93.10补充练习补充练习补充练习补充练习补充练习补充练习
