機械設計基礎

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機械設計基礎,安徽機電職業(yè)技術學院,數控工程系,第二章 平面機構的結構分析,§ 運動副及其分類 §平面機構運動簡圖 §平面機構的自由度,1、機構及運動副的概念、機構運動簡圖的繪制。 2、有虛約束、復合鉸鏈、局部自由度時機構自由度的計算。,（一）教學要求,1、了解機構組成；理解自由度、運動副、約束的概念及三者的關系。 2、能根據實物繪制機構運動簡圖。 3、熟練掌握機構自由度計算，并判斷機構運動是否確定。,（二）教學的重點與難點,回顧：構件和零件,2 運動副及其分類,2.1 運動副,,按兩構件接觸的情況，平面運動副常分為低副、高副兩大類。,1、低副 兩構件以面接觸而形成的運動副。,(1) 轉動副：若組成運動副的兩個構件只能在一個平面內做相對轉動, 則稱為轉動副, 也稱鉸鏈。,(2) 移動副：若組成運動副的兩個構件只能沿軸線相對移動, 則稱為移動副。,兩構件中如有一個構件固定不動, 則稱為固定鉸鏈；二者均能轉動， 則稱為活動鉸鏈。,平面運動副的分類,運動副可分為平面運動副和空間運動副兩大類，本章主要介紹平面運動副。,運動副的分類,(a)固定鉸鏈,(b)活動鉸鏈動畫展示,,移動副動畫展示,轉動副、移動副實例,2.高副 兩構件以點或線接觸而構成的運動副。,凸輪副,齒輪副動畫展示,空間運動副,若兩構件之間的相對運動均為空間運動，則稱為空間運動副。如：球面副、螺旋副。（螺旋副動畫展示）,球面副,2.2 平面機構的運動簡圖,機構運動簡圖：撇開實際機構中與運動無關的因素，用簡單的線條和規(guī)定的運動副代表符號表示構件和運動副，并按一定的比例定出各運動副間的相對位置，表示出各構件間相對運動關系的簡圖。,機構運動簡圖中一般包括： （1）構件數目； （2）運動副的數目； （3）構件之間的連接關系； （4）與運動變換相關的構件尺寸參數； （5）主動件及運動特性。,構件可分為機架、原動件和從動件。 （1）機架 用來支承活動構件的構件。 （2）原動件(主動件) 接受外界給定運動規(guī)律的活動構件。 （3）從動件 隨著原動件的運動而運動的其余活動構件。,2.2.1 運動副及構件的表示方法,1、構件,構件均用線段或小方塊表示，畫有斜線的表示機架。,構件的表示,2. 轉動副,構件組成轉動副時，其表示方法有： 圖面垂直于回轉軸線時用圖a表示； 圖面不垂直于回轉軸線時用圖b表示。,表示轉動副的圓圈，其圓心必須與回轉軸線重合。一個構件具有多個轉動副時，則應在兩條交叉處涂黑，或在其內畫上斜線，如圖c。,3. 移動副,兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。,4. 平面高副,兩構件組成平面高副時，其運動簡圖中應畫出兩構件接觸處的曲線輪廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出其節(jié)圓。,2.2.2 繪制機構運動簡圖的步驟,（1）通過觀察和分析機構的結構組成和運動傳遞情況，首先認清機構的機架、原動件，按傳動路線逐個分清各從動件；然后循著傳動路線仔細分析各構件之間的相對運動性質，各構件間形成的運動副類別和數目；并測出每個構件上各運動副之間的運動特性尺寸。 機構中固定不動的構件稱為機架，它用來支承機構中的可 動構件；按照給定的運動規(guī)律獨立運動的構件稱為原動件或主動件，它是機構中輸入運動或動力的構件，又稱為輸入構件。其余的可動構件稱為從動件。,（3）把原動件固定在某一位置，選取適當的比例尺。 （4）用規(guī)定的符號畫出運動副，并用簡單的線條或圖形聯接，標出構件號數及運動副的代號字母，以及原動件的轉向箭頭，并且注明繪圖時的尺寸比例尺或在圖紙上列表說明各構件的運動特征尺寸，即得機構運動簡圖。,（2）恰當地選擇投影面。選擇時應以能簡單、清楚地把機構的運動情況表示出來為原則。一般選取與構件運動平面相平行的平面作為投影面。,繪制方法－渲染、運動,解：1）分析運動，確定構件的類型和數量 2）確定運動副的類型和數目 3）選擇視圖平面 4）選取比例尺，根據機構運動尺寸，定出各運動副間的相對位置 5）用簡單線條和規(guī)定符號表示出各構件和運動副，畫出機構運動簡圖。,例3-1 試繪制內燃機的機構運動簡圖,顎式破碎機主體機構的運動簡圖,縫紉機機構,3 平面機構的自由度,一個構件未用運動副與其它構件連接之前，有三個自由度。,3.1 自由度和運動副約束,,平面機構的每個活動構件在未構成運動副之前都有三個自由度。當兩個構件直接接觸組成運動副之后，它們的相對運動就受到限制，自由度隨之減少。運動副對構件的獨立運動所加的限制稱為約束。不同類型的運動副引入的約束數不同。每引入一個約束, 構件就減少一個自由度。而約束的多少及約束的特點取決于運動副的具體形式。,3.2 機構自由度的計算公式,n：機構中活動構件數； Pl ：機構中低副數；,Ph ：機構中高副數； F ：機構的自由度數；,＝3n－2P－Ph,設,則機構自由度：,－,F =,3n,2Pl,Ph,+,（,）,每個低副限制2個自由度，高副限制1個自由度,3.計算實例,解：n = 3, Pl = 4, Ph = 0,F = 3n - 2Pl - Ph,=3×3 - 2×4 - 0,= 1,計算實例,n =5, Pl = 7, Ph = 0,F = 3n – 2Pl – Ph,= 3×5 – 2×7 – 0,= 1,解：,3.3計算自由度時應注意的幾種情況,由K個構件以復合鉸鏈相聯接時構成的轉動副數為(K-1)個。,1、復合鉸鏈,由兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯而成的鉸鏈稱為復合鉸鏈。,例3.2 計算圖示鋼板剪切機的自由度,解 ： 由圖可知, n=5, Pl=7, Ph=0(B處為復合鉸鏈, 含兩個轉動副)， 則：,F＝3n－2Pl－Ph ＝3×5－2×7－0 ＝1,個別構件所具有的，不影響整個機構運動的自由度稱為局部自由度。,2、局部自由度,n = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 3×2 - 2×2 – 1 = 1,◆實際結構上為減小摩擦采用局部自由度。,計算自由度時，應除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構件。,動畫1、2,重復出現的，對機構運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。,3、虛約束,應除去虛約束，即將產生虛約束的構件MN及運動副除去不計。,n = 3, Pl =4, Ph =0 F = 3×3 - 2×4 – 0 = 1,（1）軌跡重合： 連接構件上的軌跡和機構上連接點的軌跡重合時, 引入虛約束。,虛約束常見情況及處理,◆計算時將虛約束去掉。,（a）,（b）,◆計算中只計入一個移動副。,（2）導路平行或重合的移動副： 兩構件構成多個導路相互平行的移動副時, 會出現虛約束。,（3）軸線重合的轉動副：兩構件組成多個轉動副，且軸線重合，只有一個轉動副起約束作用，其余為虛約束。,◆計算中只計入一個轉動副。,◆計算中應將對稱部分除去不計。,（4）傳動對稱：機構中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產生虛約束。,例 3.3 計算大篩機構自由度, 判斷機構是否具有確定相對運動。,解 ：C處為復合鉸鏈； E和E′其中之一為虛約束； F處滾子為局部自由度。機構的可動構件數n=7, 低副數Pl＝9, 高副數Ph=1。 F＝3n－2Pl－Ph ＝3×7－2×9－1＝2 此機構自由度數等于2, 與原動件數相等，即W=F， 機構具有確定的相對運動。,1.實例分析,不能產生運動,給定構件1運動參數,構件2、3的運動是確定的,3.4 機構具有確定運動的條件,,給定構件1運動參數 ，構件2、3、4的運動是不確定的。,若再給定構件4運動參數 ，構件2、3的運動是確定的。,結論,機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目稱機構的自由度。,平面機構具有確定運動的條件：機構原動件個數應等于機構的自由度數目。即W=F=3n-2Pl-Ph,原動件數＜自由度數，機構無確定運動,原動件數＞自由度數，機構在薄弱處損壞,一、運動副及其分類,二、構件自由度、運動副和約束的關系,總 結,1.平面內自由的構件，有3個自由度；空間內自由的構件，有6個自由度。 2.構件自由度、運動副和約束的關系 （1）轉動副：2—約束，1—自由度 （2）移動副：2—約束，1—自由度 （3）平面高副：1—約束，2—自由度,三、機構運動簡圖的繪制,1、找出組成機構的各構件 2、選擇視圖平面 3、繪制機構簡圖,機構運動簡圖的繪制步驟：,四、機構自由度的計算,2.平面機構具有確定運動的條件：機構原動件個數應等于機構的自由度數目，即W=F=3n-2Pl-Ph,F = 3n - 2Pl - Ph,1.機構自由度：,五、計算自由度時應注意的幾種情況,1、復合鉸鏈,2、局部自由度,3、虛約束,1、機構中原動件的數目小于機構的自由度數時，則此機構( )。 A.具有確定的相對運動 B. 只能作有限的相對運動 C. 運動不能確定 D. 不能運動 2、平面機構中若引入一個高副將帶入( )個約束，而引入一個低副將帶入( )個約束。約束數與自由度數的關系是( )。 3、兩個做平面平行運動的構件之間為( )接觸的運動副稱為低副；而為( )或( )接觸的運動副稱為高副。 4、機構具有確定運動的條件是什么？ 5、機構運動簡圖有什么作用？如何繪制機構運動簡圖？ 6、何謂構件自由度和運動副的約束？ 7、在計算機構的自由度時，要注意哪些事項？,復習思考題,1、畫出圖示平面機構的運動簡圖，并計算其自由度。,習題,（a） (b) (c),2、一簡易沖床的初擬設計方案如圖。設計者的思路是：動力由齒輪1輸入，使軸A連續(xù)回轉；而固裝在軸A上的凸輪2與杠桿3組成的凸輪機構將使沖頭4上下運動以達到沖壓的目的。試繪出其機構運動簡圖，分析其運動是否確定，并提出修改措施。,(a) (b) (c),3、計算圖示平面機構的自由度,4、計算圖示平面機構的自由度，判斷機構運動是否確定。機構中的原動件用圓弧箭頭表示。,(a) (b) (c),