機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計申永勝

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1、第一章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在緒論一章中已經(jīng)講過，本課程研究的對象主要是各 種機(jī)構(gòu)，研究的主要內(nèi)容是各種機(jī)構(gòu)的分析和綜合問題。 為了對機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，需要弄清楚以下問題： 1. 構(gòu)件間可動聯(lián)接的型式及其運(yùn)動、傳力特征 2. 在什么條件下機(jī)構(gòu)才能具有確定的運(yùn)動 ? 3. 如何用簡單的圖形把機(jī)構(gòu)表示出來 ? 4. 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類 第一節(jié) 機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)及簡圖 一、構(gòu)件與自由度 1.構(gòu)件 構(gòu)件是機(jī)構(gòu)的最基本單元，用來傳遞運(yùn)動和力。 凡是能傳遞運(yùn)動和力，并且在運(yùn)動時可視為一個整體的物理介 質(zhì)都可以稱為構(gòu)件。構(gòu)件可以是剛體，也可以是撓性體 (如帶、 鏈、繩等 )和流體 (液體、氣體 )。 研究機(jī)構(gòu)的組成

2、原理時，一般將構(gòu)件抽象為剛體。 2. 自由度 構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目，或確定構(gòu)件位置所需的 獨(dú)立變量的數(shù)目。 O x z y sx s z sy y x z 空間運(yùn)動剛體的自由度 y x z O y z (x , y) x O 平面運(yùn)動剛體的自由度 sx sy 作空間運(yùn)動的自由剛體： 具有沿三個坐標(biāo)軸的移動 (sx， sy， sz)及繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動 (x， y， z)共六個獨(dú)立運(yùn)動的 可能，即具有六個自由度 。 平面運(yùn)動構(gòu)件： 具有 sx， sy及 z等三個自由度的 運(yùn)動。 平面運(yùn)動構(gòu)件也是組成機(jī)構(gòu)的 基本構(gòu)件型式。 自由構(gòu)件 (空間 )： F = 6 自由構(gòu)件 (平面 )： F =

3、3 平面運(yùn)動剛體的標(biāo)線 平面運(yùn)動剛體還可以用運(yùn)動平 面上的一條直線 PM作為“標(biāo)線” 來代表平面運(yùn)動剛體，并以“基 點(diǎn)” P的 sx， sy及標(biāo)線繞 P點(diǎn)轉(zhuǎn)動 的角運(yùn)動參數(shù) z來描述平面構(gòu)件 的 3個自由度。 二、運(yùn)動副與約束 兩個構(gòu)件之間 直接接觸 所形成 的 可動聯(lián)接 ，稱為 運(yùn)動副 。 約束： 運(yùn)動副對構(gòu)件間相對運(yùn)動自由度所施加的限制。 不同的運(yùn)動副元素，構(gòu)成了不同的接觸形式，提供了不 同的約束和相對運(yùn)動自由度。 以 f 和 s 分別代表自由度和約束， 則： 1 s 5，且 s + f = 6 實(shí)例：兩構(gòu)件組成的圓柱副 保留的相對運(yùn)動 ： sz和 z， 自由度數(shù) f 2。 約束： sx，

4、 sy ， x和 y， 約束數(shù) s 4。 兩構(gòu)件之間可以傳遞的力 （ 力矩 ） ： Px， Py， Mx， My 兩構(gòu)件之間通過運(yùn)動副的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動和力的傳遞， 并具有確定的相對運(yùn)動自由度。 z x y O z sz 運(yùn)動副的分類 按運(yùn)動副引入的約束數(shù)分類 I級副 、 II級副 、 III級副 、 IV級副 、 V級副 。 按運(yùn)動副的接觸形式分類 面與面接觸的運(yùn)動副 低副 點(diǎn) 、 線接觸的運(yùn)動副 高副 按兩構(gòu)件相對運(yùn)動的形式分類 平面運(yùn)動副 、 空間運(yùn)動副 按接觸部分的幾何形狀分類 圓柱副 、 球面副 、 螺旋副 、 球面 平面副 、 平面 平面 副 、 球面 圓柱副 、 圓柱 平面副等等

5、 。 球 面 平 面 副 空 間I 級 高 副 圓 柱 平 面 副 空 間II 級 高 副 球 面 副 空 間III 級 低 副 球 銷 副 空 間IV 級 低 副 圓柱副 空間 IV 級低副 螺旋副 空間 V 級低副 轉(zhuǎn)動副 平面 V 級低副 軸承 鉸鏈 移動副 平面 V 級低副 點(diǎn) 、 線接觸的特點(diǎn)： 1） 具有較多的自由度 ， 易于 構(gòu)件自動調(diào)整 ， 保持靜定特 性 。 2） 接觸應(yīng)力大 ， 易變形 、 易 磨損 、 承載能力低 。 3） 制造比較困難 。 適用場合 : 點(diǎn)接觸， f5,s 1 線接觸 f 4,s 2 結(jié)構(gòu)簡單 ， 運(yùn)動精度要求較高 ， 受力較小 。 面接觸特點(diǎn) ： 1）

6、承載能力較高，應(yīng)用廣泛。 2）運(yùn)動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位 置誤差十分敏感，實(shí)際接觸及受力狀況難以準(zhǔn)確確定，需要較高的 制造精度。 適用場合 : 盡量選擇易于精確制造的規(guī)則表面，如圓柱面、平面、球面等。 根據(jù)機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對運(yùn)動是否在同一平面或平行平面內(nèi)， 將機(jī)構(gòu)分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)。 空間 RSRC機(jī)構(gòu) 球面 4R機(jī)構(gòu) 空間 RSSP機(jī)構(gòu) 平面機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu) ， 運(yùn)動副的約束數(shù)為 1、 2。 點(diǎn) 、 線接觸的平面運(yùn)動副 平面高副 滾動副 、 凸輪副 、 齒輪副 面接觸的平面運(yùn)動副 平面低副 轉(zhuǎn)動副 、 移動副 平面機(jī)構(gòu)是我們的主要研究對象 。 三 、 運(yùn)

7、動副的封閉 保持運(yùn)動副元素之間的接觸稱為運(yùn)動副的封閉 。 幾何封閉： 依靠形狀 、 尺寸相同的幾何表面包容實(shí)現(xiàn) 。 優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)制性 、 可靠性 力封閉： 依靠重力 、 彈性力 、 摩擦力 、 慣性力等實(shí)現(xiàn) 。 單側(cè)約束 ， 優(yōu)點(diǎn)：易于裝配和快速拆卸 ， 在自調(diào) 、 自適應(yīng)機(jī)構(gòu) 及 “ 仿形 ” 、 “ 隨形 ” 系統(tǒng)中廣泛采用力封閉運(yùn)動副 。 彈簧力封閉 重力封閉 幾何封閉 四 、 運(yùn)動鏈 、 機(jī)構(gòu) 1。 運(yùn)動鏈 運(yùn)動鏈：兩個以上構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng) 。 運(yùn)動鏈?zhǔn)菣C(jī)構(gòu)的一般初始結(jié)構(gòu) ， 運(yùn)動鏈設(shè)計只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和聯(lián) 接這些構(gòu)件的運(yùn)動副的數(shù)量和類型 ， 又稱為機(jī)構(gòu)的 “ 型數(shù)綜 合 ” 。 閉

8、式運(yùn)動鏈 ， 開式運(yùn)動鏈 單封閉回路閉鏈 p N （ p為運(yùn)動副數(shù)， N為構(gòu)件數(shù)） 多封閉回路運(yùn)動閉鏈 k pN 1 (k為回路數(shù) ) 開式運(yùn)動鏈： 開鏈的每兩個構(gòu)件之間都可作獨(dú)立的相對運(yùn) 動，其運(yùn)動范圍大，運(yùn)動形式與運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜，特別是末端 執(zhí)行構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械手和機(jī)器人中。 N p 1 相同構(gòu)件數(shù)的閉鏈與開鏈比較，閉鏈系統(tǒng)顯然具有更多的約束， 構(gòu)件之間的相對運(yùn)動具有更高的強(qiáng)制性，構(gòu)件運(yùn)動范圍較小，運(yùn) 動形式與運(yùn)動規(guī)律比較簡單，確定各構(gòu)件之間的相對位置所需獨(dú) 立變量數(shù)較少，其驅(qū)動與控制也比較簡單，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度和運(yùn) 動確定性較高，是應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動鏈。 其余構(gòu)件運(yùn)動 是否確定？ 機(jī)構(gòu) 滿

9、足條件 在另一個（或幾個） 構(gòu)件上加上已知運(yùn)動 2 1 3 4 1 4 3 2 運(yùn)動鏈 4 1 3 2 固定一個構(gòu)件 2. 機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 搖塊機(jī)構(gòu) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 4 3 1 C A B 2 1 4 2 3 A B C 1 4 3 2 A B C A B 2 1 3 4 原動件：機(jī)構(gòu)中按給定運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件。 從動件：其余的可動構(gòu)件。具有預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律、對外完成 某種工藝動作的從動件也稱為輸出構(gòu)件或執(zhí)行構(gòu)件。 機(jī)架：固定不動的構(gòu)件。 同一運(yùn)動鏈，取不同構(gòu)件為機(jī)架和原動件，不改變各構(gòu)件的 相對運(yùn)動規(guī)律，可以得到不同運(yùn)動傳遞規(guī)律和用途的機(jī)構(gòu)。 五 . 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 從原理方案設(shè)計的角度看 ， 機(jī)

10、構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動和功能 ， 是由原動件的運(yùn)動規(guī)律 、 聯(lián)接各構(gòu)件的 運(yùn)動副類型 與機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動尺 寸 (即各運(yùn)動副間的相對位置尺寸 )來決定的 ， 而與構(gòu)件及運(yùn)動副的 具體 結(jié)構(gòu) 、 斷面 尺寸 、 組成構(gòu)件的 零件數(shù)目及固聯(lián)方式 等無關(guān) 。 用國標(biāo)規(guī)定的簡單符號和線條代表運(yùn)動副和構(gòu)件 ， 并按一定的 比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸 ， 繪制出表示機(jī)構(gòu)的簡明圖形 。 這種圖 形稱為 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 應(yīng)滿足的 條件： 構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相同； 運(yùn)動副的性質(zhì) 、 數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相符； 運(yùn)動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu)成比例 。 機(jī)構(gòu)示意圖： 不嚴(yán)格按比例繪制的簡圖 ， 用于

11、表達(dá)機(jī)械的結(jié)構(gòu) 特征 。 常用運(yùn)動副的符號 運(yùn)動副符號 兩運(yùn)動構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動副 轉(zhuǎn) 動 副 移 動 副 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 平 面 運(yùn) 動 副 兩構(gòu)件之一為固定時的運(yùn)動副 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 2 2 1 1 2 運(yùn)動副 名稱 平 面 高 副 螺 旋 副 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球 面 副 球 銷 副 1 2 1 2 空 間 運(yùn) 動 副 1 2 2 1 1 2 平 面 運(yùn) 動 副 2 1 構(gòu)件的表示方法 桿、軸構(gòu)件 固定構(gòu)件 同一構(gòu)件 三副構(gòu)件 兩副構(gòu)件 構(gòu)件的表示方法 畫構(gòu)件時應(yīng)撇開實(shí)際外形

12、，只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)。 內(nèi)燃機(jī)連桿 常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（摘自 GB/T4460-1984） 在 機(jī) 架 上 的 電 機(jī) 齒 輪 齒 條 傳 動 圓 錐 齒 輪 傳 動 帶 傳 動 鏈 傳 動 圓 柱 桿 蝸 輪 傳 動 凸 輪 傳 動 外嚙 合圓 柱齒 輪傳 動 常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（續(xù)） 常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（續(xù)） 內(nèi)嚙 合圓 柱齒 輪傳 動 棘 輪 機(jī) 構(gòu) 第二節(jié) 運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計算 和機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 一、運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計算 1。運(yùn)動鏈的自由度 確定運(yùn)動鏈中各構(gòu)件相對于其中某一構(gòu)件的位置所需的獨(dú)立參 變量的數(shù)目稱為運(yùn)動鏈的自由度。 一個獨(dú)立的活動構(gòu)件在 3維空間內(nèi)由 6個

13、自由度。若以 pi代表 i(i=15)級運(yùn)動副數(shù)，一個 i級副有 i個約束。 若運(yùn)動鏈中有 n個可動構(gòu)件， pi個 i級副的運(yùn)動鏈，自由度 F為 平面運(yùn)動鏈自由度計算公式為： F = 3n - 2pL - pH F = 6n - ( p1 + 2p2 + 3p3 + 4p4 + 5p5 ) 運(yùn)動鏈自由度計算舉例 例 1 縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu) 自由度計算 例 2 平面四桿運(yùn)動鏈自由度計算 分析 ： n 3， p5 2， p4 1， p3 1 計算： F63(314152) 1 分析 ： n 3， q 3， p5 4 計算： F 3n 2pL pH 3324 1 1 4 3 2 A B C 1 2 4

14、C 3 A D B 縫紉機(jī)腳踏板運(yùn)動鏈 運(yùn)動鏈自由度計算公式也就是機(jī)構(gòu)自由度計算公式， 適用于所 有運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)的自由度計算，但在應(yīng)用使需要注意機(jī)構(gòu) 中的一些特殊結(jié)構(gòu)，否則會得出錯誤結(jié)果。 2. 運(yùn)動鏈 成為機(jī)構(gòu)的條件 判斷所設(shè)計的運(yùn)動鏈?zhǔn)欠衲艹蔀闄C(jī)構(gòu) ， 是提出新的設(shè)計 方案時自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟 。 F3n2pLpH3325 1 運(yùn)動鏈約束過多 ， 超靜定桁架 。 F3n2pLpH32230 運(yùn)動鏈為一剛性桁架 ， 不能成為機(jī)構(gòu) 。 運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的首要條件： 運(yùn)動鏈自由度必須大于零 。 A B 1 2 C 3 平面三構(gòu)件運(yùn)動鏈 1 2 4 3 A D B C E 平面四構(gòu)件運(yùn)動鏈

15、 在 F0的條件下，進(jìn)一步判斷運(yùn) 動鏈?zhǔn)欠窬哂写_定的運(yùn)動。 平面五桿運(yùn)動鏈 F3n2pLpH 3425 2 原動件數(shù) F,運(yùn)動鏈內(nèi)部的運(yùn)動 關(guān)系不確定 。 運(yùn)動鏈不能成為機(jī)構(gòu) 。 原動件數(shù) F,運(yùn)動鏈內(nèi)部各構(gòu) 件運(yùn)動關(guān)系確定 。 運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu) 。 平面四桿運(yùn)動鏈 F3n2pLpH3324 1 原動件數(shù) F， 運(yùn)動鏈內(nèi)部的 運(yùn)動關(guān)系將發(fā)生矛盾 ， 其中 最薄弱的構(gòu)件將會損壞 。 運(yùn)動鏈不能成為機(jī)構(gòu) 。 原動件數(shù) F， 運(yùn)動鏈內(nèi)部各 構(gòu)件運(yùn)動運(yùn)動關(guān)系確定 。 運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu) 。 運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件： 取運(yùn)動鏈中一個構(gòu)件相對固定作 為機(jī)架 ， 運(yùn)動鏈相對于機(jī)架的自由度必須大于零 ， 且原動 件的

16、數(shù)目等于運(yùn)動鏈的自由度數(shù) 。 二 、 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 ， 是設(shè)計與分析機(jī)構(gòu)的常用基本圖形 ， 必須掌握其繪制 方法 。 繪制運(yùn)動簡圖時 ， 主要應(yīng)注意： 根據(jù)機(jī)械的功能 ， 仔細(xì)觀察機(jī)構(gòu)的工作原理 。 首先找到原動件 、 機(jī)架和從動件 。 從原動件開始 ， 按照運(yùn)動的傳遞過程 ， 分析各構(gòu)件之間的相對運(yùn) 動性質(zhì) ， 確定活動構(gòu)件的數(shù)目 、 運(yùn)動副的類型和數(shù)目 。 選擇與機(jī)械多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面平行的平面 ， 作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 的視圖平面 。 選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動瞬時位置和比例尺 l(m/mm)， 定出各運(yùn)動 副之間的相對位置 ， 用規(guī)定的符號將各運(yùn)動副表示出來 ， 用直線和曲

17、線 將同一構(gòu)件上各運(yùn)動副元素連接起來 。 從原動件開始 ， 按運(yùn)動傳遞順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號和運(yùn)動副代 號 。 在原動件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動的方向 。 采用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計時 ， 尺寸比例就不一定嚴(yán)格要求 ， 這 種圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖 。 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制舉例 偏心泵 1 2 3 4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制是一項基本的能力訓(xùn)練，而這種能力的培養(yǎng)， 需要隨時隨地注意日常生活和生產(chǎn)中所遇到的各種機(jī)械，多做繪 制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的練習(xí)，才能逐漸熟練和掌握。 計算錯誤的原因： 三 、 計算機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題 舉例 飛機(jī)起落架 機(jī)構(gòu)自由度計算 解 n5， pL6， pH0 F3n2pLpH

18、35263 錯誤的結(jié)果 ！ 兩個轉(zhuǎn)動副 1。 復(fù)合鉸鏈 兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運(yùn)動副 。 k個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈 ， 有 (k-1)個轉(zhuǎn)動副 。 例 計算圖示機(jī)構(gòu)自由度 解： B、 C、 D、 E處為復(fù)合鉸鏈 ， 轉(zhuǎn)動副數(shù)均為 2。 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F n7， p L10， pH0 F3n2pLpH372101 機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示 注意 ： 識別復(fù)合鉸鏈 ， 分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副 1 2 3 1 3 4 2 1 2 3 4 4 1 3 2 兩個轉(zhuǎn)動副 兩個轉(zhuǎn)動副 兩個轉(zhuǎn)動副 兩個轉(zhuǎn)動副 1） 機(jī)構(gòu)自由度計算 1 F3n2pLp

19、H332312 未考慮局部自由度計算結(jié)果 ， 不正確 。 2。 局部自由度 定義：機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運(yùn)動有關(guān) 的自由度 。 計算時應(yīng)將局部自由度除去不計 。 2） 機(jī)構(gòu)自由度計算 2 設(shè)想將滾子與從動件焊成一體 F322211 考慮局部自由度計算結(jié)果 ， 正確 。 或者：計算時減去局部自由度 F332311(局部自由度 )1 局部自由度常發(fā)生在 為減小高副磨損而將 滑動摩擦變成滾動摩 擦所增加的滾子處 3.虛約束 虛約束：機(jī)構(gòu)中不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束 。 計算具有虛約束的機(jī)構(gòu)的自由度時 ， 應(yīng)先將機(jī)構(gòu)中引入虛約 束的運(yùn)動副或運(yùn)動鏈部分除去 。 虛約束發(fā)生的場合 兩構(gòu)件間

20、構(gòu)成多個運(yùn)動副 兩構(gòu)件構(gòu)成多個 導(dǎo)路平行的移動副 兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸 點(diǎn)處法線重合的高副 兩構(gòu)件構(gòu)成多個 軸線重合的轉(zhuǎn)動副 5 2 1 3 4 E F 5 兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動過程中始終保持不變 未去掉虛約束時 F3n2pLpH34260 3 2 4 1 E F 附加的構(gòu)件 5和其兩端的轉(zhuǎn)動副 E、 F提供的自由度 F3122 1 即引入了一個約束 ， 但這個約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不起實(shí)際 約束作用 ， 為虛約束 。 去掉虛約束后 F3n2pLpH33241 ? 聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合 一個構(gòu)件和兩個低副提供的自由度： F 3122 1 即引入了一個約束 ， 但這個約束對機(jī)構(gòu)

21、的運(yùn)動不起實(shí)際 約束作用 ， 為虛約束 。 去掉虛約束后 F 3n2pLpH33241 1 2 3 4 A B D F E C 4 3 1 2 5 A B C D 平行四邊形機(jī)構(gòu) 橢圓機(jī)構(gòu) 構(gòu)件 2和 4在 E點(diǎn)軌跡重合 構(gòu)件 1和 2在 B點(diǎn)軌跡重合 1 B 3 4 2 A 機(jī)構(gòu)中對傳遞運(yùn)動不起獨(dú)立作用的對稱部分 對稱布置的兩個行星輪 2和 2以及相應(yīng)的兩個轉(zhuǎn)動副 D、 C和 4個平面高副提供的自由度 F322214 2 即引入了兩個虛約束 。 未去掉虛約束時 F 3n2pLpH352516 1 行 星 輪 系 去掉虛約束后 F 3n2pLpH3323121 1 2 3 4 A D B C

22、2 2 行 星 輪 系 虛約束的作用 改善構(gòu)件的受力情況 ， 分擔(dān)載荷或 平衡慣性力 。 增加 結(jié)構(gòu)剛度 ， 如軸與軸承 、 機(jī)床導(dǎo)軌 。 提高運(yùn)動可靠性和工作的穩(wěn)定性 ， 如 機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu) 。 注意 ：機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的 ， 如 果這些幾何條件不滿足 ， 則虛約束將變成實(shí)際有效的約束 ， 從而使機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動 。 B 2 I 9 C 3 A 1 J 6 H 8 7 D E 4 F G 5 例 3 計算包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度 解：首先判斷機(jī)構(gòu)中有無 復(fù)合鉸鏈 、 局部自由度和 虛約束 復(fù)合鉸鏈： 局部自由度： 虛約束： 運(yùn)動副 D 1處 n6， pL7， pH3 F3

23、n2pLpH 3627131 滾子 3、 8 桿 9和運(yùn)動副 F、 I引入一 個虛約束 例 計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度 n = 8， pL = 11， pH = 1 F=3 8-2 11 1=1 小結(jié)： 機(jī)構(gòu)自由度的計算錯誤會導(dǎo)致對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可能性和確定 性的錯誤判斷，從而影響機(jī)械設(shè)計工作的正常進(jìn)行。因此機(jī)構(gòu) 自由度計算是本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一。在應(yīng)用該公式計算機(jī)構(gòu)的 自由度時： 1)正確使用機(jī)構(gòu)自由度計其公式 首先正確判斷機(jī)構(gòu)是屬于平面機(jī)構(gòu)還是空間機(jī)構(gòu)。平面機(jī) 構(gòu)一般采用公式來計算自由度，而空間機(jī)構(gòu)一般采用公式計算 自由度。 F = 6n - ( p1 + 2p2 + 3p3 + 4p4 + 5p5

24、) F 3n2pLpH 2)搞清構(gòu)件、運(yùn)動副、約束的概念 3)正確處理機(jī)構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束 準(zhǔn)確識別復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并作正確處理， 是自由度計算中的難點(diǎn)，是初學(xué)者容易出現(xiàn)錯誤的地方。 第三節(jié) 機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析 我們知道機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接而成的，而且為了用 來進(jìn)行運(yùn)動的傳遞及變換，機(jī)構(gòu)需要具有確定的運(yùn)動。那末當(dāng)由構(gòu)件 組成機(jī)構(gòu)時，有什么規(guī)則可循呢 ? 這就是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合與結(jié)構(gòu)分析所要研究的內(nèi)容。 高副低代 高副低代及其逆過程 低副高代，是機(jī)構(gòu)變異的重要方法之 一，而機(jī)構(gòu)變異是進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)汁的重要途徑，通過它可以構(gòu)筑 新的機(jī)構(gòu)型式，產(chǎn)生多種設(shè)計方

25、案。 另外，將含有高副的平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行低代后，即可將其視為只含 低副的平面機(jī)構(gòu)，就可以根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析助方法對其 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，并運(yùn)用低副乎面機(jī)構(gòu)的分析方法進(jìn)行分析和研究。 進(jìn)行高副低代必須滿足的條件是： 1)代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同； 2)代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。 替代方法 ： 由于一個高副僅引人一個約束，而一個低副卻引入兩個約束， 故不可能以一個低副末代替一個高副。 過接觸點(diǎn) C作兩輪廓曲線的公法 線 KlK2，并在其上定出兩廓線在接 觸點(diǎn) C處的曲率中心 O1及 O2，然后 再用一個虛擬的構(gòu)件分放在點(diǎn) O1和 點(diǎn) O2與兩構(gòu)件 1、 2以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)即 可。

26、 般的高副機(jī)構(gòu)，由于曲線各處 曲率中心的位置不同，在不同位置 有不同的瞬時替代機(jī)構(gòu)。 個構(gòu)件和兩個低副也引入一 個約束，從而可保證替代前后機(jī) 構(gòu)自由度保持不變。 用 個虛擬構(gòu)件和兩個低副來 代替一個高副。 K1 K2 O1 O2 組成高副的兩個運(yùn)動副元素的幾何形狀不問，所選擇的虛擬構(gòu)件的 形狀和運(yùn)動副的類型也有所不同。 O 1 A O 1 C B N 1 O 2 N 2 O 1 A O 1 C B N 1 O 2 N 2 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合 的 基本桿組法基本思路： 任何機(jī)構(gòu)中都包含原動件 、 機(jī)架和從動件系統(tǒng)三個部分 。 由于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度 ， 因此可以將一定自由 度的機(jī)構(gòu)看成是由

27、自由度等于機(jī)構(gòu)自由度的 驅(qū)動桿組 和不可再分的 自由度為零的 基本桿組 所組成 。 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合 的 基本桿組法的核心就是如何獲得各種 F=0的基 本桿組 。 驅(qū)動桿組包含原動件和機(jī)架 。 因?yàn)槠矫骈]鏈機(jī)構(gòu)的自由度一般不大于 2， 原動件一般都選為 與機(jī)架相連的低副構(gòu)件 。 一 、 基本桿組 基本桿組的構(gòu)成條件： 1） 必須有和原動件及機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動副 ， 這類運(yùn)動副引 入的約束數(shù)應(yīng)計算在基本桿組中 。 2） 自由度 F=0。 外副 :基本桿組中與原動件和機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動副 ， 稱為基本 桿組的外接運(yùn)動副 ， 簡稱 外副 ； 內(nèi)副 :聯(lián)接桿組內(nèi)構(gòu)件的運(yùn)動副 ， 稱為基本桿組的內(nèi)接運(yùn)動 副 ，

28、 簡稱 內(nèi)副 。 設(shè)桿組的全部運(yùn)動副都是低副 ， 則基本桿組的結(jié)構(gòu)公式為 : F=3n-2pL=0 或 n = (2/3)pL n只能取為 2， 4， 6， 等偶數(shù) pL只能取為 3， 6， 9， 等奇數(shù) 。 1. 級組 （ n=2， pL=3） 級組是最簡單 ， 也是應(yīng)用最多的基本桿組 ， 根據(jù)三個運(yùn)動副 的不同情況 ， 通常有圖示的五種形式 。 分別稱為第一類 級組 、 第二類 級組 、 第三類 級組 、 第四 類 級組和第五類 級組 。 內(nèi)接運(yùn)動副 外接運(yùn)動副 R-R-R組 R-R-P組 R-P-R組 P-R-P組 R-P-P組 2. 級組 n=4， pL=6的桿組又分為 級組和 級組

29、。 最常見的為 級組 ， 其特征是具有一個三副構(gòu)件 ， 而每個內(nèi) 副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是雙副構(gòu)件 。 3. 級組 級組也是 n=4， pL=6的桿組。和 級組比較， 級組的特征 是具有兩個三副構(gòu)件，其四個內(nèi)副形成四邊形。 不同級別的桿組 ， 不僅是構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)不同 ， 而且更重要 的是其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同 ， 從而決定了由它們 所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動規(guī)律 ， 以及它們的運(yùn)動與受力分析的 難易程度都不相同 。 二 、 機(jī)構(gòu)的組成原理 1。 機(jī)構(gòu)的組成原理 把若干自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機(jī)架上 ， 就組成一個 新的機(jī)構(gòu) ， 其自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等 。 例 5

30、 機(jī)構(gòu)的組成舉例 B C 2 D 3 E F 4 5 G I H 6 7 J A 1 8 7 1 2 4 5 6 8 3 G E F J I H A B C D 注意 ：桿組的各外接運(yùn)動副不能全部聯(lián)接在同一個構(gòu)件上 。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理 ， 在進(jìn)行新機(jī)械方案設(shè)計時 ， 就可以按設(shè)計 要求由桿組組成機(jī)構(gòu) ， 進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計 。 遵循原則：在滿足相同工作要求的前提下 ， 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單 、 桿組的級別越低 、 構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)越少越好 。 2.基本桿組間的聯(lián)接與機(jī)構(gòu)的構(gòu)成 基本機(jī)構(gòu)：將僅由一個基本桿組所形成的機(jī)構(gòu) ， 稱為基本機(jī)構(gòu) 。 復(fù)合機(jī)構(gòu)：把由兩個以上的基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為復(fù)合機(jī)構(gòu) 。

31、1） 基本桿組間的聯(lián)接 串接：只將一個基本桿組的部分外接副聯(lián)接于前一個基本桿組的 一個構(gòu)件上 ， 稱為串接 。 特征：前一基本桿組構(gòu)成的基本機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件 ， 成為后一個基 本組的輸入構(gòu)件 ， 運(yùn)動和功率的流向是單向的依次傳遞 。 兩個二級桿組串連 二級桿組、三級桿組串連 二級桿組、三級桿組串連組成機(jī)構(gòu) 并聯(lián)：一個基本桿組所有外接副均聯(lián)接于前一基本桿組的構(gòu)件上。 混聯(lián)：具有串、并聯(lián)兩者的特征。 3.機(jī)構(gòu)的級別 機(jī)構(gòu)中所包含的最高級別的桿組來確定機(jī)構(gòu)的類別，并將該高級 組的級別作為該機(jī)構(gòu)的級別。 應(yīng)用最廣泛的是 級機(jī)構(gòu)，也是本書研究的重點(diǎn)。 三 、 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析：將機(jī)構(gòu)分解為基本

32、桿組和驅(qū)動桿組 。 結(jié)構(gòu)分析的過程與由桿組組成機(jī)構(gòu)的過程正好相反 ， 也稱為拆 桿組 。 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟為： 正確計算機(jī)構(gòu)的自由度 ， 以確定原動件數(shù) 、 機(jī)架和輸出構(gòu) 件 ， 并將產(chǎn)生虛約束和局部自由度的構(gòu)件和運(yùn)動副去掉 。 如果機(jī)構(gòu)中有高副 ， 應(yīng)將高副用低副替代 。 從遠(yuǎn)離原動件最遠(yuǎn)的輸出構(gòu)件開始 ， 依次進(jìn)行試拆 。 每拆除一個桿組后 ， 機(jī)構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個完整機(jī)構(gòu) 。 試拆時 ， 先按 級組試拆 ， 若無法拆除 ， 再試拆高一級別的 桿組 。 遠(yuǎn)離原動件 ：指在傳動關(guān)系和傳動路線上遠(yuǎn)離原動件 ， 不是 空間距離 。 按所有基本桿組中的最高級別桿組確定機(jī)構(gòu)的級別。 注意： 1

33、）首先按二桿組拆下二相鄰構(gòu)件和與之聯(lián)接的一個內(nèi)接副和兩 個外接副； 2）若該桿組拆出后，余下的部分仍是一個與原自由度相同的機(jī) 構(gòu)，除原動件外未出現(xiàn)不與其它構(gòu)件聯(lián)接的單獨(dú)構(gòu)件和單獨(dú)運(yùn)動副 則是正確的。 這是判別拆除過程是否正確的準(zhǔn)則，必須遵守。 如果不是這樣，則改拆為 級組，再用上述條件檢查，直至滿 足上述條件，則就說明拆組正確了。 3）拆到只剩下驅(qū)動桿組，整個機(jī)構(gòu)的拆組結(jié)束。 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析舉例 E F 4 5 G I H 6 7 J B C 2 D 3 A 1 8 7 1 2 4 5 6 8 3 G E F J I H A B C D 機(jī)構(gòu)級別： III級機(jī)構(gòu) III級組 II級組 5 I H

34、 7 G B C 2 A 1 機(jī)構(gòu)級別： II級機(jī)構(gòu) 注意： 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與原動件的選擇有關(guān) 。 7 1 2 4 5 6 8 3 G E F J I H A B C D D 3 E F 4 6 8 J II級組 II級組 II級組 2 1 6 D K O 3 4 5 7 C B A 10 9 H G F E I J 8 例 4 對圖示電鋸機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 解 n8 pL11 pH1 F3n2pLpH38211111 機(jī)構(gòu)無復(fù)合鉸鏈和虛約束 ， 局部自由度為滾子 10繞自 身軸線的轉(zhuǎn)動 高副低代 O 6 D O1 3 4 5 7 2 1 C B A 11 9 H G F E I J 8 拆分基本

35、桿組 6 G J 8 II級機(jī)構(gòu) 7 H I 5 F O1 A 11 2 B O 1 J 9 O 6 D O1 3 4 5 7 2 1 C B A 11 9 H G F E I J 8 D 3 4 E C 基 本 要 求 1. 從功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度認(rèn)識和了解運(yùn)動副與運(yùn)動副元素 。 2. 熟練掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制方法 。 能夠?qū)?shí)際機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)簡圖繪制成機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖；能看懂各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖； 能用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表達(dá)自己的設(shè)計構(gòu)思 。 3.了解運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論和方法 ， 掌握 運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件 。 4. 熟練掌握機(jī)構(gòu)自由度的計算方法 ， 從結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計的角度了解 局部自由度及虛約束 ， 能準(zhǔn)確識別出機(jī)構(gòu)中存在的復(fù)合鉸鏈 、 局 部自由度和虛約束 ， 并作出正確處理； 5. 掌握機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析方法 。 了解高副低代的方法；會 判斷桿組 、 桿組的級別和機(jī)構(gòu)的級別；學(xué)會將 級 、 級機(jī)構(gòu)分 解為機(jī)架 、 原動件和若干基本桿組的方法 。 第一章 習(xí) 題 1-2 d)、 c)， 1-4 a)、 b)， c)、 d)、 f) 1-5 1-6 a)、 c)、 d)、 e)