平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

1、第三章平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)是機器的主要組成局部。機構(gòu)的組成以及機構(gòu)在什么條件下才具有確定的運動都將在本 章中討論。另外，為了分析舊機械以及設計新機械，都需要將具體的機械抽象成簡單的運動學模 型，繪制出機構(gòu)運動簡圖，本章也將就這一內(nèi)容進行介紹。一、教學要求1. 熟練掌握機構(gòu)運動簡圖的繪制，能看懂各種機構(gòu)運動簡圖，能根據(jù)具體的機械熟練繪制出 機構(gòu)運動簡圖。2. 掌握平面機構(gòu)自由度的計算方法，能正確區(qū)分復合鉸鏈、局部自由度和虛約束。3. 掌握機構(gòu)具有確定運動的條件。二、教學重點與難點1機構(gòu)運動簡圖的繪制，是難點之一。2機構(gòu)具有確定運動的條件。3平面機構(gòu)自由度的計算，這是本章的難點之二。3.1機構(gòu)的

2、組成運動副使兩個構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的連接，稱為運動副。如軸承中的滾動體與內(nèi)、外圈 的滾道、嚙合中的一對齒廓、滑塊與導槽，均能保持直接接觸，并能產(chǎn)生一定的相對運動，因此 都構(gòu)成運動副。構(gòu)件上參與接觸的點、線、面，稱為運動副元素。根據(jù)運動副各構(gòu)件之間的相對運動是平面運動還是空間運動，可將運動副分為平面運動副和空間運動副。所有構(gòu)件都只能在相互平行的平面上運動的機構(gòu)稱為平面機構(gòu)。本章僅就平面運動 副和平面機構(gòu)進行討論。自由度和運動副約束對于一個作平面運動的構(gòu)件而言，僅有3個獨立運動的參數(shù)，即沿 x軸、y軸的移動和繞垂直于xOy平面的軸的轉(zhuǎn)動，可用 3個獨立的參數(shù)x、y、a來描述如下列圖。人們

3、把構(gòu)件相對于參考 系所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度。y兩個構(gòu)件通過運動副連接以后，相對運動受到限制。運動副對成副的兩構(gòu)件間的相對運動所 加的限制成為約束。引入 1個約束將減少1個自由度，而約束的多少及約束的特點取決于運動副 的形式。兩構(gòu)件組成的運動副，不外乎通過點、線或面的接觸來實現(xiàn)。按照接觸特性，通常把運動副 分為低副和高副兩大類。1. 低副兩構(gòu)件通過面接觸組成的運動副稱為低副。低副引入兩個約束，保存一個自由度。按相對運 動形式的不同，平面機構(gòu)中的低副又可分為轉(zhuǎn)動副和移動副兩種。1轉(zhuǎn)動副假設組成運動副的兩構(gòu)件只能在一個平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動，這種運動副稱為轉(zhuǎn)動副，或稱鉸鏈。2移動副組成移

4、動副的兩構(gòu)件只能沿某一軸線相對移動。2. 咼副兩構(gòu)件通過點或線接觸組成的運動副稱為咼副。咼副引入一個約束，保存兩個自由度。高副常以組成高副的機構(gòu)來命名，如凸輪機構(gòu)的高副稱凸輪副， 齒輪機構(gòu)的高副稱齒輪副等。運動鏈和機構(gòu)兩個以上的構(gòu)件以運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運動鏈。未構(gòu)成首末相連的封閉環(huán)的運動鏈稱為開鏈，否那么稱為閉鏈。在運動鏈中選取一個構(gòu)件固定稱為機架，當另一構(gòu)件或少數(shù)幾個構(gòu)件按給定的規(guī)律獨立運動時，其余構(gòu)件也隨之作一定的運動，這種運動鏈就成為機構(gòu)。機 構(gòu)中輸入運動的構(gòu)件稱為主動件，其余的可動構(gòu)件稱為從動件。由此可見，機構(gòu)是由主動件、從 動件和機架三局部組成的。3.2平面機構(gòu)運動簡圖平面機

5、構(gòu)運動簡圖：用規(guī)定的線條和符號表示構(gòu)件和運動副，繪出的能夠表達各構(gòu)件間相對 運動關(guān)系的簡圖。機構(gòu)運動簡圖的功用：對機構(gòu)進行分析、綜合。機構(gòu)運動簡圖包括的內(nèi)容：1. 構(gòu)件數(shù)目；2. 運動副的數(shù)目和類型；3. 構(gòu)件之間的連接關(guān)系；4. 與運動變換相關(guān)的構(gòu)件尺寸參數(shù)；5主動件及運動特性。運動副及構(gòu)件的表示方法1. 構(gòu)件：用線段或小方塊表示，畫有斜線的表示機架。2. 轉(zhuǎn)動副繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟1. 認真研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及動作原理，分清固定件機架，確定主動件。2. 循著運動傳遞的路線，搞清各構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的種類。3. 測量出運動副間的相對位置。4. 選擇視圖平面和比例尺，用規(guī)定的符號和

6、線條表示其構(gòu)件和運動副，繪制機構(gòu)運動簡圖。根據(jù)圖紙的幅面及構(gòu)件的實際長度，選擇適當?shù)谋壤逬 :u=實際尺寸m/圖示長度mm例3.1試繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖。解：從圖可知，殼體及氣缸體1是機架，缸內(nèi)活塞是原動件?；钊?與連桿5相對轉(zhuǎn)動構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；運動通過連桿 5傳給曲軸6，連桿5與曲軸6構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；曲軸 6將運動通過與之相連 的小齒輪10傳給大齒輪9,大、小齒輪與機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；大齒輪 9與凸輪7同軸，凸輪7通過 滾子將運動傳給頂桿 8，大、小齒輪之間及凸輪與滾子之間都構(gòu)成高副；滾子與頂桿8構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；頂桿8與機架構(gòu)成移動副。選擇適當?shù)谋壤?，按照?guī)定的線條和符號，繪出該機構(gòu)的運動簡圖，如下

7、列圖所示，圖中標 有箭頭的構(gòu)件2為原動件。3.3平面機構(gòu)的自由度平面機構(gòu)自由度的計算設一個平面運動鏈包含N個構(gòu)件，其中1個構(gòu)件為機架，那么有 n=N-1個活動構(gòu)件。由于 1個活動構(gòu)件有3個自由度，在未用運動副連接之前，這些活動構(gòu)件的自由度總數(shù)應為3n。當用運動副連接之后，各構(gòu)件具有的自由度數(shù)減少。設有PL個低副和PH個高副，那么機構(gòu)中全部運動副引入的約束總數(shù)為 2PL+PH。因此活動構(gòu)件的自由度總數(shù)減去運動副引入的約束總數(shù)就是該機 構(gòu)的自由度，以F表示，即F=3 n-2PL-PH機構(gòu)的自由度即是機構(gòu)所具有的獨立運動的數(shù)目。由前述知，從動件是不能獨立運動的，只 有原動件才能獨立運動。通常每個原動

8、件只具有一個獨立運動，一般原動件都是通過低副與機架 相連，因此，機構(gòu)要具有確定確定的運動，那么機構(gòu)自由度數(shù)必須與機構(gòu)的原動件數(shù)目相等。機構(gòu)具有確定運動的條件運動鏈和機構(gòu)都是由構(gòu)件和運動副組成的系統(tǒng)，機構(gòu)要實現(xiàn)預期的運動傳遞和變換，必須使其運動具有可能性和確定性。二者有何區(qū)別呢？如圖a所示，由3個構(gòu)件通過3個轉(zhuǎn)動副構(gòu)成的運動鏈，其自由度為F=3n-2PL-PH=0。F=0說明各構(gòu)件間無相對運動，因而不能成為機構(gòu)，這種運動鏈稱為剛性桁架。圖b所示的四構(gòu)件運動鏈，其自由度F=3n-2PL-PH=-1 , F=-1說明該運動鏈引入的約束過多,已經(jīng)成為超靜定桁架了，因而也不能成為機構(gòu)。圖c所示的四構(gòu)件運

9、動鏈，其自由度 將被破壞，此時原動件數(shù)大于自由度數(shù)。圖d所示的五構(gòu)件運動鏈，其自由度F=3n-2PL-PH=1 ,假設取構(gòu)件1、4作為原動件，那么系統(tǒng)F=3n-2PL-PH=2，假設取構(gòu)件1作為原動件，當指定 1桿位置時，構(gòu)件2、3、4可以處在實線位置，也可處在虛線或其他位置，因此其運動是不確定的， 不能成為機構(gòu)，此時原動件數(shù)小于自由度數(shù)。如果給定構(gòu)件1、4的位置參數(shù)，那么其余構(gòu)件的位置就被確定下來，也就是說這個運動鏈能成為機構(gòu)，此時原動件數(shù)等于自由度數(shù)。以上例子說明，運動鏈成為機構(gòu)的首要條件是自由度必須大于零。如果運動鏈的自由度大于 零，還需進一步判斷運動鏈是否具有確定運動。當運動鏈的自由度

10、大于零時，如果原動件數(shù)等于自由度數(shù)，此時運動就是確定的，這樣的運 動鏈就成為了機構(gòu)。因此，機構(gòu)具有確定運動的條件是機構(gòu)的原動件數(shù)等于自由度數(shù)。計算機構(gòu)自由度的考前須知1復合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件共用同一轉(zhuǎn)動軸線所構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副稱為復合鉸鏈。如下圖，構(gòu)件1、2、3在同一處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，而從左視圖可見，該機構(gòu)包含2個轉(zhuǎn)動副。顯然，如有 m個構(gòu)件聚集在一處，應有m-1個轉(zhuǎn)動副。2局部自由度機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的不影響機構(gòu)輸出與輸入運動關(guān)系的自由度稱為局部自由度。最典型的實例是凸輪滾子機構(gòu)，滾子的轉(zhuǎn)動與否對從動件的輸出運動并無任何影響，滾子的作用只是把 滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦解決的方法：計算機構(gòu)自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視為一個構(gòu)件。滾子的轉(zhuǎn)動主要是把高副處的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，以減少磨損。3. 虛約束對運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。計算自由度時應先去除。虛約束常出現(xiàn)的四種情況：1兩相連接構(gòu)件在連接點上的運動軌跡相重合；2 機構(gòu)運動時，兩構(gòu)件上兩點間的距離始終保持不變，如果將此兩點用構(gòu)件和運動副連接, 那么會帶進虛約束，如下列圖所示；3兩個構(gòu)件組成多個方向一致的移動副，或組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副時，只需考慮其中 一處約束，其余各處帶入