1、機械的結構分析機械的結構分析教學目的教學目的：掌握機構的組成，會畫：掌握機構的組成，會畫機構運動簡圖，會判斷機構是否具機構運動簡圖，會判斷機構是否具有確定運動，會計算平面機構自由有確定運動，會計算平面機構自由度，理解平面機構的組成原理。度，理解平面機構的組成原理。結結構構分分析析機械的結構分析機械的結構分析機構中所有構件均在一個或幾個平面運動。機構中所有構件均在一個或幾個平面運動。1234另有另有空間機構空間機構概念。概念。 (avi)(avi)2.12.1內容目的內容目的 平面機構平面機構 研究內容之二：機構運動的可能性及具有確定運動的條件 123412351234研究內容之一：研究機構的組

2、成,繪制機構運動簡圖 研究內容之三：研究機構的組成原理I12345678ABCDEFGHJ機械的結構分析機械的結構分析定義：定義：機器中每個獨立的運動單元體機器中每個獨立的運動單元體特點：特點：一個構件，可以是一個零件，也可一個構件，可以是一個零件，也可能是由若干個不同零件組裝起來的剛性體。能是由若干個不同零件組裝起來的剛性體。2.22.2機構組成機構組成 構件構件 由三個零件組成的構件由三個零件組成的構件構件構件零件零件1零件零件2零件零件3從運動角度看：任何機器都是由若干個構件組合而成。從運動角度看：任何機器都是由若干個構件組合而成。自由構件有三個獨立運動：自由構件有三個獨立運動：沿沿x方

3、向的移動方向的移動沿沿y方向的移動方向的移動繞任意點繞任意點A的轉動的轉動 構件的獨立運動稱為構件的獨立運動稱為構件的自由度構件的自由度。即作平面運動的自由構件有即作平面運動的自由構件有3個個自由度自由度 機械的結構分析機械的結構分析定義：兩構件直接接觸而組成的可動聯接。定義：兩構件直接接觸而組成的可動聯接。 ( () ) 運動副是一種聯接；運動副是一種聯接；( () ) 運動副由兩個構件組成；運動副由兩個構件組成；( () ) 組成運動副的兩個構件之間組成運動副的兩個構件之間有相對運動。有相對運動。運動副元素運動副元素：兩構件上：兩構件上能直接參加接觸構成運能直接參加接觸構成運動副的表面動副

4、的表面 (avi)(avi)2.22.2機構組成機構組成 構件構件 運動副運動副 機械的結構分析機械的結構分析機構機構是由運動副逐一聯接各個構件組成的。是由運動副逐一聯接各個構件組成的。機構的運動副的類型決定機構的運動形式。機構的運動副的類型決定機構的運動形式。(avi)(avi)(avi)(avi)2.22.2機構組成機構組成 構件構件 運動副運動副 根據組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類根據組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類 運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。球面高副球面高副(avi)柱面高副柱面高副(avi) 運動副元素以面接觸的

5、運動副稱為低副。運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。移動副移動副(avi)球面低副球面低副(avi)回轉副回轉副(avi)根據組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類根據組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類 運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。平面運動副平面運動副A. 低副低副移動副移動副(avi)轉動副轉動副(avi)齒輪副齒輪副(avi)凸輪副凸輪副(avi)B. 高副高副自由度為1 自由度為2 機械的結構分析機械的結構分析 空間運動副空間運動副螺旋副螺旋副 (avi)圓柱套筒副圓柱套筒副(avi)球銷副球銷副(avi)機械的結構分析機械的結

6、構分析開式運動鏈開式運動鏈(avi)閉式運動鏈閉式運動鏈(avi)2.22.2機構組成機構組成 構件構件 運動副運動副 運動鏈運動鏈構件通過運動副的連接而構成的可相對運構件通過運動副的連接而構成的可相對運動的系統。動的系統。機械的結構分析機械的結構分析機構機構(avi)如果將運動鏈中的一個構件固定，并如果將運動鏈中的一個構件固定，并使另一個或幾個構件按給定的規律運動，使另一個或幾個構件按給定的規律運動，而且其余構件都能隨之作確定的相對運動，而且其余構件都能隨之作確定的相對運動，則這種運動鏈就成為機構。則這種運動鏈就成為機構。2.22.2機構組成機構組成 構件構件 運動副運動副 運動鏈運動鏈機構

7、機構機械的結構分析機械的結構分析在研究機構運動特性時，為了使問題簡在研究機構運動特性時，為了使問題簡化，只考慮與運動有關的運動副的數目、類化，只考慮與運動有關的運動副的數目、類型及相對位置，用簡單線條和規定符號表示型及相對位置，用簡單線條和規定符號表示構件和運動副的類型，并按一定的比例確定構件和運動副的類型，并按一定的比例確定運動副的相對位置及與運動有關的尺寸，這運動副的相對位置及與運動有關的尺寸，這種表示機構組成和各構件間運動關系的簡單種表示機構組成和各構件間運動關系的簡單圖形，稱為圖形，稱為機構運動簡圖。機構運動簡圖。只是為了表示機構的結構組成及運動原只是為了表示機構的結構組成及運動原理而

8、不嚴格按比例繪制的機構運動簡圖，稱理而不嚴格按比例繪制的機構運動簡圖，稱為為機構示意圖機構示意圖。2.32.3運動簡圖運動簡圖定義定義常用機構構件、運動副代表符號常用機構構件、運動副代表符號(P7)(P7)機械的結構分析機械的結構分析l)mm()m(=圖樣尺寸實際尺寸 (avi)2.32.3運動簡圖運動簡圖定義定義繪制步驟繪制步驟研究機構運動原理，確定原動件及執行元件研究機構運動原理，確定原動件及執行元件認清運動傳遞路線認清運動傳遞路線確定構件數目，運動副數目及相對位置確定構件數目，運動副數目及相對位置選擇視圖方向與比例，用規定符號繪制選擇視圖方向與比例，用規定符號繪制標出原動件運動方向標出原

9、動件運動方向123456OABCDEF機械的結構分析機械的結構分析2.42.4機構具有機構具有確定運動條確定運動條件件機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，稱為機構的自由度參數的數目，稱為機構的自由度 F F。機構具有確定運動的條件：機構的原動件機構具有確定運動的條件：機構的原動件數目應等于機構的自由度數目。數目應等于機構的自由度數目。123412351234機械的結構分析機械的結構分析構件獨立運動的數目稱為構件獨立運動的數目稱為自由度自由度對構件運動的限制作用稱為對構件運動的限制作用稱為約束約束2.52.5機構自由機構自由度的計算度的計算平面

10、運動副平面運動副A. 低副低副移動副移動副(avi)轉動副轉動副(avi)齒輪副齒輪副(avi)凸輪副凸輪副(avi)B. 高副高副引入了2個約束條件,自由度為1 引入了1個約束條件,自由度為2 機械的結構分析機械的結構分析 機構的自由度機構的自由度 F =F =機構的獨立運動數目機構的獨立運動數目 平面機構獨立運動的數目為：所有活動平面機構獨立運動的數目為：所有活動構件的自由度的和減去所有運動副引入約構件的自由度的和減去所有運動副引入約束數目的和。束數目的和。 對于具有對于具有n n個活動構件的平面機構，若個活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了各構件之間共構成了P Pl l個低副和個低副

11、和P Ph h個高副，個高副，則它們共引入則它們共引入(2P(2Pl l+P+Ph h) )個約束。個約束。機構的自由度機構的自由度F F為：為： F=3nF=3n(2P(2Pl l+P+Ph h) )2.52.5機構自由機構自由度的計算度的計算機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件 1) 1) 若機構自由度若機構自由度，則機構不能動。，則機構不能動。2) 2) 若若 且與原動件數且與原動件數F F，則機構各構件間的相對運，則機構各構件間的相對運動是確定的。動是確定的。3) 3) 若若00，而原動件數，而原動件數FF，則構件間不能運動或產生破壞。，則構

12、件間不能運動或產生破壞。4) 4) 若若00，而原動件數，而原動件數FF，則構件間的運動是不確定的。，則構件間的運動是不確定的。機構具有確定運動的條件是：機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數等于機構的自由度數機構的原動件數等于機構的自由度數機械的結構分析機械的結構分析由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸鏈。稱為復合鉸鏈。由由m m個構件構成的復合鉸鏈個構件構成的復合鉸鏈應當包含應當包含(m-1)(m-1)個轉動副個轉動副。17834256(avi)312321F = 3n-2pl-ph = 3*7-2*10-0 = 12.62.6計算自由計

13、算自由度注意事項度注意事項（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）機械的結構分析機械的結構分析機構中某些構件所具有的不影響其余構件運機構中某些構件所具有的不影響其余構件運動的自由度，稱為局部自由度。動的自由度，稱為局部自由度。處理方式：舍棄不計處理方式：舍棄不計(avi)(例題例題:作業作業2-20)（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自由度）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項機械的結構分析機械的結構分析F=3n-2p-p=3*4-2*6=0 ?CB311DMN245AF=3n-2p-p=3*3-2*4=131DC24BA(avi)(avi)（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自

14、由度）（虛約束）（虛約束）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項機械的結構分析機械的結構分析在機構中，有些約束所起的限制作用在機構中，有些約束所起的限制作用是重復的，這種不起獨立限制作用的約束是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。稱為虛約束。處理方式：先將產生虛約束的構件和處理方式：先將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。運動副去掉，然后再進行計算。（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自由度）（虛約束）（虛約束）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項機械的結構分析機械的結構分析搞清楚虛約束的概念：在機構中，兩構件構成搞清楚虛約束的概念：在機構中，

15、兩構件構成運動副所引入的約束是用來限制某些相對運動的，運動副所引入的約束是用來限制某些相對運動的，某些運動鏈所帶入的約束可能與機構所受的其他約某些運動鏈所帶入的約束可能與機構所受的其他約束相重復，即對相對運動的限制發生了重復，因而束相重復，即對相對運動的限制發生了重復，因而對機構的運動實際上起不到約束作用，這種約束稱對機構的運動實際上起不到約束作用，這種約束稱為虛約束。為虛約束。虛約束的存在需要一定的特定條件，并滿足一虛約束的存在需要一定的特定條件，并滿足一定的幾何關系，有時還需要一定的幾何證明來判定的幾何關系，有時還需要一定的幾何證明來判斷，若這些條件不滿足，則應為有效約束，此時斷，若這些條

16、件不滿足，則應為有效約束，此時機構自由度減少，可能就不能運動了。機構自由度減少，可能就不能運動了。（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自由度）（虛約束）（虛約束）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項機械的結構分析機械的結構分析虛約束經常出現的情況虛約束經常出現的情況: 1) 轉動副連接的是兩構件上運動軌跡相重合的點轉動副連接的是兩構件上運動軌跡相重合的點,如圖如圖2-19,圖圖2-202) 用雙轉動副桿連接的是兩運動構件上某兩點間用雙轉動副桿連接的是兩運動構件上某兩點間距離始終保持不變的兩點距離始終保持不變的兩點,如圖如圖2-193) 不影響機構運動傳遞的重復部分不影響機構

17、運動傳遞的重復部分,如圖如圖2-21帶虛約束的行星輪系帶虛約束的行星輪系22231(avi)（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自由度）（虛約束）（虛約束）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項同一運動副同一運動副, ,兩構件在多處接觸兩構件在多處接觸: :構成轉動副，且各軸線重合，則認為是一個轉動副構成轉動副，且各軸線重合，則認為是一個轉動副構成移動副，且移動方向平行，則認為是一個移動副構成移動副，且移動方向平行，則認為是一個移動副構成高副，且各接觸點公法線重合，則認為是一個高副構成高副，且各接觸點公法線重合，則認為是一個高副( (構成高副，復合平面高副構成高副，復合平面高

18、副, ,即兩構件多處接觸而形成平即兩構件多處接觸而形成平面高副面高副, ,但接觸點公法線方向不重合但接觸點公法線方向不重合, ,即相交或平行即相交或平行. . 如如圖圖2-17 )2-17 )(avi)(avi)機械的結構分析機械的結構分析機構中為什么要使用虛約束機構中為什么要使用虛約束? a. 使受力狀態更合理。使受力狀態更合理。 b. 使機構平衡。使機構平衡。 c. 考慮機構在特殊位置的運動。考慮機構在特殊位置的運動。(avi)（復合鉸鏈）（復合鉸鏈）（局部自由度）（局部自由度）（虛約束）（虛約束）2.62.6計算自由計算自由度注意事項度注意事項機構自由度計算機構自由度計算:計算過程中注意

19、事項計算過程中注意事項:1.復合鉸鏈復合鉸鏈:由由m個構件構成的復合鉸鏈應當包含個構件構成的復合鉸鏈應當包含(m-1)個轉動副。個轉動副。2.局部自由度局部自由度:在計算機構自由度時，局部自由度應當舍棄不計。在計算機構自由度時，局部自由度應當舍棄不計。3.虛約束虛約束:先將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。先將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。例題例題2-8總結：總結：) (3FpPPnFHL機構自由度計算舉例機構自由度計算舉例例例 1 圖示牛頭刨床設計方圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：動案草圖。設計思路為：動力由曲柄力由曲柄1輸入，通過滑塊輸入，通過滑塊2使擺動

20、導桿使擺動導桿 3 作往復擺動，作往復擺動，并帶動滑枕并帶動滑枕4作往復移動作往復移動 ，以達到刨削加工目的。以達到刨削加工目的。 試試問圖示的構件組合是否能問圖示的構件組合是否能達到此目的？達到此目的？ 如果不能，如果不能，該如何修改？該如何修改？1 12 23 34解：首先計算設計方案草圖的自由度解：首先計算設計方案草圖的自由度 F = 3n- -2Pl- -Ph=34- -26 =0改進措施：改進措施：1. 增加一個低副和一個活動構件；增加一個低副和一個活動構件；2. 用一個高副代替低副。用一個高副代替低副。1 12 23 34例例 2 如圖所示，已知：如圖所示，已知： DE=FG=HI

21、，且相互平行；，且相互平行；DF=EG，且相互平行；，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構，且相互平行。計算此機構的自由度的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。ADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度虛約束虛約束復合鉸鏈復合鉸鏈n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=1例例 3 計算圖所示機構的自由度計算圖所示機構的自由度 (若存在局部自由度、復若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。合鉸鏈、虛約束請標出）。7 7A AC C1 12B B3

22、 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度虛約束虛約束n=6；Pl=8； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=36- - 2 8- -1=1例例4 如圖所示如圖所示, 已知已知HG=IJ,且相互平行；且相互平行；GL=JK，且相，且相互平行。計算此機構的自由度互平行。計算此機構的自由度 (若存在局部自由度、復合若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。鉸鏈、虛約束請標出）。 C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 910101111G GH HI IJ JK KL L局部自由度局部自由度復合鉸鏈復

23、合鉸鏈虛約束虛約束n=8；Pl=11； Ph=1F= 3n- - 2Pl - - Ph=38- - 2 11- -1=1機械的結構分析機械的結構分析將自由度將自由度F0且不能再分（否則且不能再分（否則 F0）的運動鏈（構件組）的運動鏈（構件組）稱為基本桿組（構件數最少、自由度為零的構件組）稱為基本桿組（構件數最少、自由度為零的構件組）平面機構的組成原理：平面機構的組成原理：任何機構都可以看作是任何機構都可以看作是由若干個基本桿組依次由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上連接于原動件和機架上所組成的。所組成的。2.72.7機構組成機構組成原理原理組成原理組成原理機械的結構分析機械的結構分析 設

24、基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組設基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的計算公式為：自由度的計算公式為： 由于活動構件數由于活動構件數n和低副數和低副數Pl都必須是整數，都必須是整數，所以所以 n應是應是 2的倍數，的倍數， Pl應應是是 3的倍數。的倍數。 也就是說，在一個基本桿組中，其構件數和也就是說，在一個基本桿組中，其構件數和低副數有以下關系：低副數有以下關系：n=2, Pl=3 n=4, Pl=6 基本桿組的類型基本桿組的類型F=3n-2Pl=0n=2Pl /32.72.7機構組成機構組成原理原理組成原理組成原理基本桿組基本桿組只由機架和原動件所構成的只由機架和原動件所構成

25、的機構（如杠桿機構、斜面機機構（如杠桿機構、斜面機構等）稱為構等）稱為級機構。級機構。組成機構的桿組的最高級數最高級數稱為機構的級。 級桿組（級桿組（ 4 4個構件個構件6 6個低副個低副所組成，并且都有所組成，并且都有1 1個包含個包含3 3個低副的構件個低副的構件最簡單的平面基本桿組是由最簡單的平面基本桿組是由兩個構件三個低副組成的桿兩個構件三個低副組成的桿組，稱之為組，稱之為級桿組。級桿組。是機是機構中最常見的一類基本桿組。構中最常見的一類基本桿組。機械的結構分析機械的結構分析目的：目的：確定機構的級別。確定機構的級別。機構的級別取決于該機構能夠分解出的基機構的級別取決于該機構能夠分解出的基本桿組的最高級別。本桿組的最高級別。機構結構分析的步驟是：機構結構分析的步驟是：1) 計算機構的自由度，確定原動件。計算機構的自由度，確定原動件。2) 從遠離原動件的地方開始拆桿組。先試從遠離原動件的地方開始拆桿組。先試拆拆級組，當不可能時再拆級組，當不可能時再拆級組。但應級組。但應注意，每拆一個桿組后，剩下的部分仍組注意，每拆一個桿組后，剩下的部分仍組成機構，且自由度與原機構相同，直至全成機構，且自由度與原機構相同，直至全部桿組拆出只剩下部桿組拆出只剩下級機構。級機構。3) 確定確定機構的級別。