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1、第三章 平面機構的結構分析,,各部分機構協調配合工作，便能把燃氣燃燒時產生的熱能轉變?yōu)榍S轉動的機械能。,曲柄滑快機構 凸輪機構 齒輪機構,內燃機包含下列機構：,第一節(jié) 平面機構的組成,機構是一個構件系統(tǒng) 機構是機器的重要組成部分 機構只用來傳遞運動和力。,人為的實物組合（不是天然形成的） 各實物單元具有確定的相對運動 能完成有用的機械功或轉換機械能,由若干構件（包括機架）以運動副相聯接并具有確定相對運動的組合體。,一、機構的組成：,組成機構的兩大基本要素,平面機構 Vs 空間機構,組成機構的兩大基本要素,1、機架：機構中相對不動的構件,2、主動動件：驅動力所作用的構件。輸入構件,3、從動動件
2、：隨著原動構件的運動而運動的構件。輸出構件,構件類型：,注意！,在機構運動簡圖中，原動件上通常畫有箭頭，用以表示其運動方向。 從動件的運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律和機構的組成情況。 在活動構件中至少有一個構件為原動件，其余的活動構件都是從動件。,,,,,,,原動件（主動件）,機架,任何一個機構中，必有且只有一個構件被相對地看作機架,從動件,,,,A,B,C,D,輸出構件,輸入構件,從動件,機構中兩構件直接接觸的可動聯接 （既保持直接接觸，又能產生一定的相對運動）,二、運動副,活塞與氣缸的聯結 兩個傳動齒輪間的聯結 連桿與曲柄的聯結,兩構件通過點或線接觸的運動副。 如齒輪副、凸輪副。,根據運動
3、副的接觸形式，運動副分為兩類：,1）低副：,2）高副：,兩構件通過面接觸組成的運動副。 如轉動副（鉸鏈）、移動副。,除平面副之外，機構中還存在空間運動副。 如球面副、螺旋副。,,轉動副,移動副,,低副（面接觸）,,轉動副：組成運動副的兩構件只能在一個平面內轉動,移動副：組成運動副的兩構件只能沿某一軸線相對移動,運動副元素：圓柱面、圓孔面,例：軸與軸承的配合,例：滑塊與導軌的接觸,運動副元素：棱柱面、棱孔面,齒輪副,凸輪副,,高副 兩構件通過點或線接觸組成的運動副,例：兩齒輪輪齒的嚙合,運動副元素：兩齒廓曲面,空間：線高副,空間：點高副,空間：球副,空間：球銷副,空間：螺旋副,第二節(jié) 平面機構的
4、運動簡圖,研究機構運動時，為使問題簡化而用簡單的線條和規(guī)定的符號來表示構件和運動副，并按一定比例定出各運動副的位置。這種表示機構中各構件間相對運動關系的簡單圖形，稱為機構運動簡圖。,1、轉動副：,一、運動副的表示方法,2、移動副：,3、高副 ：,畫出兩構件接觸處的曲線輪廓（齒輪除外：可用兩節(jié)圓表示）。,齒輪機構,二、構件的表示與分類,1、構件的表示,桿、軸類構件,固定構件,同一構件,一桿兩副,一桿三副,,三、機構運動簡圖的繪制步驟,1、分析機構,（1）找出構件總數，定出原動件,判斷各構件的運動性質 (移動、轉動),（2）定出運動副的個數，各運動副的類型（移動副、轉動 副、高副）,2、適當選
5、擇投影面,一般選擇與多數構件的運動平面相平行的面作為投影面。,3、選擇適當的比例尺，繪制機構運動簡圖,選擇適當的比例尺，根據機構的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，用構件和運動副的規(guī)定符號繪制機構的運動簡圖。,4、標出原動件，給各構件標上代號,一般原動件標號為1，機架為最后標號。,構件：1，2，3， 運動副：A，B，C，,注意以下簡圖的區(qū)別：,內燃機的機構運動簡圖,,第三節(jié) 平面機構的自由度,自由度 構件間的獨立相對運動,約 束 運動副對構件間相對運動的限制作用,一、自由度與約束,,,O,,,x,y,,,自由度,一個作平面運動的自由構件 具有三個自由度,,,,,,,,Q,Y,X,F=3,,,
6、1,2,F=32=6,自由度： 構件可能出現的獨立運動,,運動副的約束,約束：兩構件用運動副聯接后，彼此的相對運動受到某些限制。,轉 動 副,組成運動副的兩構件只能在一個平面內相對轉動。,低副引入兩個約束！,,,,,,,,1,2,兩構件： 其中一個固定約束了 三個自由度，另一個 未固定，F=3,,,,,,,1,2,兩構件： 一個固定另一與之鉸 接。X、Y固定，1件 可轉動。F=1，S=2。,兩構件活動鉸接： F=4 S=2,,,,,,,,,,,Q1,Q2,X,Y,1,移 動 副,組成運動副的兩構件只能沿某一軸線相對移動。,低副引入兩個約束！,,,,,,1,2,兩移動副：一個固定 一個活動。F=
7、3,,,,,1,,2,兩移動副其中一個固定， 另一個放置于之上。其約 束S=2（Y與Q）F=1,,,齒 輪 副,高副引入一個約束！,沿接觸處切線 t-t方向的相對運動和在平面內的相對轉動,齒輪副只限制n-n 方向的切入，不限 制t-t方向的移動和 轉動。F=2，S=1。,凸 輪 副,高副引入一個約束！,,只限制n-n方向切入， 而不限制t-t方向的移 動和轉動。F=2，S=1。,綜合上述四種情況： 1 低副： （轉動副和移動副） 其約束數為 S=2,2高副： （齒輪副和凸輪副） 其約束數為 S=1,二、平面機構自由度的計算公式,轉動副,1、運動副和約束,運動副,,低副,高副,,移動副,,每個低
8、副引入兩個約束，失去兩個自由度。,每個高副引入1個約束，失去1個自由度。,2、自由度的計算公式,（設N個構件，PL個低副，PH個高副）,活動構件數n為:,機構自由度F為:,未加運動副之前,加運動副之后,n=N-1,自由度總數為:,3n,F=3n2PLPH,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,0,= 2,F =3n2plph = 3 2 ,2,2,1,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,1,= 1,例：計算如圖所示雙曲線畫規(guī)機構和牛頭刨床機構的自由度,(a)雙曲
9、線畫規(guī)機構,(b) 牛頭刨床機構,解：(a) (b),例：畫出如圖所示機構的平面運動簡圖并計算其自由度,原動件數<機構自由度數，機構運動不確定（任意亂動）,機構的原動件的獨立運動是由外界給定的。若給出的原動件數不等于機構的自由度，則將產生如下影響：,3、機構具有確定運動的條件,,原動件數機構自由度數，將桿2拉斷。,,機構自由度等于零時，各構件間不可能產生相對運動。,機構具有確定運動的條件是：,（1）機構自由度 F0， （2）機構自由度 F=原動件數。,,,F=33-25=-1 超靜定結構,F=32-23-0=0 剛性桁架,平面運動機構的自由度一定大于零？,三、計算平面機構自由度的注意事項,1、
10、復合鉸鏈 兩個以上的構件同時在一處用轉動副相聯結就構成復合鉸鏈（在機構運動簡圖上顯現為1個轉動副）。 由K個構件組成的復合鉸鏈應含有(K-1)個轉動副。,F 3n2plph 3 2 ,5,6,0, 3,F 3n 2plph 3 2 ,5,7,0, 1,錯,對,,,,,2,3,5,1,復合鉸鏈的識別,例 計算原盤鋸主體機構的自由度,解 機構中活動構件有,n,7,低副有,PL,,,,,,,10,F = 3n2PLPH =,3, 2,=,7,10,1,定義：機構中某些構件所具有的獨立的局部運動, 不影響機構輸出運動的自由度 局部自由度經常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子、軸承中的滾
11、珠,2、局部自由度（或多余自由度),存在與否都不影響整個機構的運動規(guī)律！,解決的方法：計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結在一起，視作一個構件,F3n2plph 3 2 ,3,3,1, 2,F3n 2plph 3 2 ,2,2,1, 1,錯,對,3、虛約束,在機構中與其他運動副作用重復，而對構件間的相對運動不起獨立限制作用的約束。,MN實際上不起限制作用,計算機構自由度時處理辦法： 將具有虛約束運動副的構件連同它所帶入的與機構運動無關的運動副一并不計。,F = 3n2PLPH =,3, 2,=,3,4,1,,例 計算機構的自由度,平面機構的虛約束常出現于下列情況：,A 兩構件之間
12、構成多個運動副時 B 兩構件某兩點之間的距離在運動過程中始終保持不變時 C 聯接構件與被聯接構件上聯接點的軌跡重合時 D 機構中對運動不起作用的對稱部分,A 兩構件之間構成多個運動副時,兩構件組合成多個轉動副，且其軸線重合 兩構件組合成多個移動副，其導路平行或重合 兩構件組合成若干個高副，但接觸點之間的距離為常數,目的：為了改善構件的受力情況,F3n2PLPH 3 2 ,2,2,1,1,B 兩構件某兩點之間的距離在運動中保持不變時,在這兩個例子中，加與不加紅色構件AB效果完全一樣，為虛約束 計算時應將構件AB及其引入的約束去掉來計算,,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,F3n2PLPH
13、3 2 ,4,6,0, 0,錯,對, 1,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,C 兩構件上聯接點的軌跡重合,在該機構中，構件2上的C點C2與構件3上的C點C3軌跡重合，為虛約束 計算時應將構件3及其引入的約束去掉來計算 同理，也可將構件4當作虛約束，將構件4及其引入的約束去掉來計算，效果完全一樣,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,D 機構中對運動不起作用的對稱部分,在該機構中，齒輪3是齒輪2的對稱部分，為虛約束 計算時應將齒輪3及其引入的約束去掉來計算 同理，將齒輪2當作虛約束去掉，完全一樣 目的：為了改善構件的受力情況,F3n2PLPH 3 2 ,3,3,2,1,4、自由度
14、計算小結,自由度計算公式: F3n2plph 機構自由度3活動構件數2低副數1高副數 計算步驟: 確定活動構件數目 確定運動副種類和數目 確定特殊結構: 局部自由度、虛約束、復合鉸鏈 計算、驗證自由度 幾種特殊結構的處理: 1、復合鉸鏈計算在內 2、局部自由度排除 3、虛約束--重復約束排除,例 計算圖所示發(fā)動機配氣機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,=37-2 9-1 =2,F=3n-2PL-PH,F = 3n2PLPH,3,2,=,9,12,1,,2,=,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,F = 3n2PLPH,3,2,=,8,11,1,,1,=,,,,例：計算圖示凸輪連桿機構的自由度。,解：一個局部自由度一個移動副虛約束一處復合鉸鏈8個可動構件11個低副1個高副F=3n-2PL-PH =38-211-1 =1,
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