1、 機機 械械 設設 計計 與與 應應 用用項目項目3 3平面機構的結構分析平面機構的結構分析目目 錄錄 運動副及其分類運動副及其分類1 平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖2 平面機構的自由度和機構具平面機構的自由度和機構具 有確定運動的條件有確定運動的條件3 顎式破碎機顎式破碎機 平面機構的結構分平面機構的結構分析析 顎式破碎機顎式破碎機 平面機構的結構分平面機構的結構分析析圖圖3-1顎式破碎機顎式破碎機1機架機架2偏心軸偏心軸3動顎動顎4肘板肘板5帶輪帶輪機構中各構件怎樣聯接在一起？機構中各構件怎樣聯接在一起？機構具備什么條件才能具有確定機構具備什么條件才能具有確定的相對運動？的相對運動？本項

2、目主要討論運動簡圖的繪制本項目主要討論運動簡圖的繪制方法；機構自由度的計算；對已方法；機構自由度的計算；對已有構件進行工作分析、判斷機構有構件進行工作分析、判斷機構是否具有確定相對運動，為機構是否具有確定相對運動，為機構的創新設計提供條件。的創新設計提供條件。平面機構中構件是靠運動副聯接平面機構中構件是靠運動副聯接的，所以討論平面機構首先要研的，所以討論平面機構首先要研究運動副。究運動副。 平面機構的結構分平面機構的結構分析析3.13.1運動副及其分類運動副及其分類一、構件的自由度一、構件的自由度圖3-2平面運動剛體的自由度 一個做平面運動的自由構件有一個做平面運動的自由構件有三個獨立運動的可

3、能性。三個獨立運動的可能性。 如圖如圖3 - 2所示所示, 在在xOy坐標系中坐標系中, 構件可隨其構件可隨其上任一點沿上任一點沿x軸、軸、 y軸方向移動，軸方向移動， 也也可在可在xOy平面平面(繞垂直于繞垂直于xOy平面的平面的軸線軸線z)轉動轉動, 這三個獨立的運動稱為這三個獨立的運動稱為該構件的該構件的自由度自由度。 因此，一個作平面運動的自由因此，一個作平面運動的自由構件有三個自由度。構件有三個自由度。 平面機構的結構分平面機構的結構分析析運動副運動副 機構是由多個構件組成，機構的每個構件都是以機構是由多個構件組成，機構的每個構件都是以一定的方式與其他構件相互聯接。這種使構件直接接一

4、定的方式與其他構件相互聯接。這種使構件直接接觸并能產生一定相對運動的聯接稱為觸并能產生一定相對運動的聯接稱為運動副運動副。 如：軸與軸承的聯接、活塞與氣缸的聯接、車輪如：軸與軸承的聯接、活塞與氣缸的聯接、車輪與鋼軌以及一對傳動齒輪兩個輪齒間的嚙合等都構成與鋼軌以及一對傳動齒輪兩個輪齒間的嚙合等都構成運動副。當兩個構件直接接觸組成運動副之后運動副。當兩個構件直接接觸組成運動副之后, , 它們它們的相對運動就受到限制的相對運動就受到限制, , 自由度隨之減少。自由度隨之減少。 運動副是通過點、線或面的接觸來實現的。按兩運動副是通過點、線或面的接觸來實現的。按兩構件間的接觸特性，平面運動副通常分為構

5、件間的接觸特性，平面運動副通常分為低副低副和和高副高副兩類。兩類。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析二、低副二、低副 兩構件通過面接觸組成的運動副稱為低副。 平面機構中的低副有轉動副和移動副兩種。 (1) (1)轉動副轉動副 組成運動副的兩構件只能在一個平面內相對轉動，這種運動副稱為轉動副，如圖3-3a所示。(2)(2)移動副移動副 組成運動副的兩個構件只能沿某一軸線相對移動，這種運動副稱為移動副，如圖3-3b所示。圖圖3-3平面低副平面低副a)轉動副轉動副b)移動副移動副圖圖3-3平面低副平面低副a)轉動副轉動副b)移動副移動副 平面機構的平面機構的結構分析結構分析三、高副三、高副 兩構

6、件通過點或線接觸組成的運動副稱為高副。 如圖3 4a中的輪齒1與輪齒2在接觸處A組成高副，圖3 4b中的凸輪3與從動件4、圖3 4c中車輪6與鋼軌5等，分別組成高副。 組成平面高副兩構件間的相對運動是沿接觸處切線tt方向的相對移動和在平面內的相對轉動。圖圖3-4平面高副平面高副a)齒輪副齒輪副b)凸輪副凸輪副c)高副高副1、2輪齒輪齒3凸輪凸輪4從動件從動件5鋼軌鋼軌6車輪車輪 平面機構的平面機構的結構分析結構分析四、空間運動副四、空間運動副 機械中常用的運動副還有球面副，如圖3-5a所示；螺旋副，如圖3-5b所示,這些運動副的兩構件間的相對運動是空間運動，屬于空間運動副。圖3-5空間運動副

7、平面機構的平面機構的結構分析結構分析3.23.2平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖 一、運動副和構件的表示一、運動副和構件的表示 為了便于研究機構運動，可不考慮構件和運動副的實際結構，只考慮與運動有關的構件數目、運動副類型及相對位置。 用簡單線條和規定的符號表示構件和運動副，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，這種能夠表達機構的組成和各構件間相對真實運動關系的簡單圖形，稱為機構運動簡圖。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析 一、運動副和構件的表示一、運動副和構件的表示 實際中，有時不要求嚴格按比例尺繪制簡圖，只定性地表示機構的組成和運動原理的簡圖，稱為機構示意圖機構示意圖。

8、機構運動簡圖中運動副及構件的表示方法如圖3-6、圖3-7、圖3-8所示。圖3-6轉動副的表示方法 平面機構的平面機構的結構分析結構分析 一、運動副和構件的表示一、運動副和構件的表示圖3-7移動副的表示方法 平面機構的平面機構的結構分析結構分析 一、運動副和構件的表示一、運動副和構件的表示3-8平面高副的表示方法 平面機構的結構分析平面機構的結構分析二、平面機構運動簡圖的繪制二、平面機構運動簡圖的繪制 1.機構中構件的分類機構中構件的分類 (1) 固定件固定件(機架機架) 機架是指機構中固定不動的、用來支承活動構件機架是指機構中固定不動的、用來支承活動構件(運動構件運動構件)的構件。的構件。 (

9、2) 原動件原動件(主動件主動件) 原動件是指機構中作用有驅動力或已知運動規律的構件，它的運動是原動件是指機構中作用有驅動力或已知運動規律的構件，它的運動是由外界輸入的，一般與機架相連。由外界輸入的，一般與機架相連。 (3) 從動件從動件 從動件是指機構中除原動件以外的從動件是指機構中除原動件以外的所有活動構件所有活動構件。 平面機構的結構分析平面機構的結構分析二、平面機構運動簡圖的繪制二、平面機構運動簡圖的繪制 2.運動簡圖的繪制步驟運動簡圖的繪制步驟 1) 分析研究機構的組成及運動原理，確定機架、原動件和從動件分析研究機構的組成及運動原理，確定機架、原動件和從動件。 2) 由原動件開始，按

10、照各構件之間運動傳遞路線，依次分析構件由原動件開始，按照各構件之間運動傳遞路線，依次分析構件間的相對運動形式，確定運動副的類型和數目。間的相對運動形式，確定運動副的類型和數目。 3) 選擇適當的視圖平面，以便清楚地表達各構件間的運動關系。選擇適當的視圖平面，以便清楚地表達各構件間的運動關系。 4) 選擇適當的比例尺選擇適當的比例尺1=構件實際尺寸構件實際尺寸/構件圖樣尺寸構件圖樣尺寸(單位：單位：m/mm或或mm/mm)，按照各運動副間的距離和相對位置，以規定的線條，按照各運動副間的距離和相對位置，以規定的線條和符號繪出運動簡圖。和符號繪出運動簡圖。 平面機構的結構分析平面機構的結構分析二、平

11、面機構運動簡圖的繪制二、平面機構運動簡圖的繪制1) 確定構件的數目。確定構件的數目。2) 確定運動副的種類和數目。確定運動副的種類和數目。3) 選擇與構件運動平行的平面作為視圖平面。選擇與構件運動平行的平面作為視圖平面。4) 選擇適當的比例尺，繪制機構運動簡圖。選擇適當的比例尺，繪制機構運動簡圖。3-13-1繪制圖繪制圖3-9a3-9a所示的顎式破碎機主體機構的運動簡圖。所示的顎式破碎機主體機構的運動簡圖。 平面機構的結構分析平面機構的結構分析二、平面機構運動簡圖的繪制二、平面機構運動簡圖的繪制1) 確定構件的數目。確定構件的數目。2) 確定運動副的種類和數目。確定運動副的種類和數目。3) 選

12、擇與構件運動平行的平面作為視圖平面。選擇與構件運動平行的平面作為視圖平面。4) 選擇適當的比例尺，繪制機構運動簡圖。選擇適當的比例尺，繪制機構運動簡圖。3-23-2繪制圖繪制圖3-103-10所示牛頭刨床主體運動機構的運動簡圖。所示牛頭刨床主體運動機構的運動簡圖。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析3.3.3 3 平面機構的自由度和機構具有確定運動的條件平面機構的自由度和機構具有確定運動的條件 一、平面機構的自由度計算一、平面機構的自由度計算 1. 1.平面機構的自由度計算平面機構的自由度計算 (1) (1)約束約束 當兩構件組成運動副后，它們之間的某些相對運當兩構件組成運動副后，它們之間的

13、某些相對運動受到限制，這種對相對運動所施加的限制稱為約動受到限制，這種對相對運動所施加的限制稱為約束。束。 ( (每加上一個約束，自由構件便失去一個自由度每加上一個約束，自由構件便失去一個自由度) ) 平面低副引入兩個約束，保留一個自由度；平面低副引入兩個約束，保留一個自由度； 平面高副引入一個約束，保留兩個自由度平面高副引入一個約束，保留兩個自由度。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析3.3.3 3 平面機構的自由度和機構具有確定運動的條件平面機構的自由度和機構具有確定運動的條件 一、平面機構的自由度計算一、平面機構的自由度計算 (2) (2)機構自由度的計算機構自由度的計算 機構所具有的

14、獨立運動數目，稱為機構的自由度。機構所具有的獨立運動數目，稱為機構的自由度。 設有一個平面機構由設有一個平面機構由N N個構件組成，個構件組成， 1 1個構件為個構件為機架機架， 活動構件活動構件數為：數為：n=N-1n=N-1 在未組成運動副前，活動構件的自由度總數為：在未組成運動副前，活動構件的自由度總數為：3n3n 當引入約束后，自由度減少。若共有當引入約束后，自由度減少。若共有P PL L個低副、個低副、P PH H個高副平面機構個高副平面機構 的的自由度自由度F F的計算公式為：的計算公式為： F=3n- 2PF=3n- 2PL L- P- PH H 平面機構的平面機構的結構分析結構

15、分析 2. 2.計算平面機構自由度時的特殊情況計算平面機構自由度時的特殊情況 (1)(1)復合鉸鏈復合鉸鏈 兩個以上的構件在同一處以同軸線構成的轉動副稱兩個以上的構件在同一處以同軸線構成的轉動副稱為復合鉸鏈。為復合鉸鏈。如圖如圖3-123-12所示是三個構件匯交成的復合鉸鏈所示是三個構件匯交成的復合鉸鏈, ,圖中構件圖中構件1 1分別與構件分別與構件2 2、構件、構件3 3構成兩個轉動副。依此類推，構成兩個轉動副。依此類推，m m個構件在一處以轉動副相個構件在一處以轉動副相連連, , 應具有應具有m m-1-1個轉動副。個轉動副。 因此在統計轉動副數目時應注意識別復因此在統計轉動副數目時應注意

16、識別復合鉸鏈合鉸鏈, , 避免遺漏。避免遺漏。圖圖3-123-12復合鉸鏈復合鉸鏈 平面機構的平面機構的結構分析結構分析計算如圖計算如圖3-133-13所示圓盤鋸主體機構的自由度。所示圓盤鋸主體機構的自由度。圖3-13 圓盤鋸機構 機構中，機構中，A A、B B、C C、D D四點均為由四點均為由三個構件組成的復合鉸鏈，每處三個構件組成的復合鉸鏈，每處有兩個轉動副。有兩個轉動副。 因此，該機構因此，該機構n=7,Pn=7,PL=10,P=10,PH=0=0， 其自由度其自由度 F=3F=37-27-210-010-0=1=1。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析(2) 局部自由度局部自由度

17、機構中某些構件產生的與其他運動無關的獨立機構中某些構件產生的與其他運動無關的獨立運動，稱為運動，稱為局部自由度局部自由度。 在計算機構自由度時，局部自由度應在計算機構自由度時，局部自由度應除去不計除去不計。圖3-14局部自由度1凸輪2從動件3滾子 機構中機構中n=2,Pn=2,PL=2,P=2,PH=1=1， 其自由度其自由度 F=3 F=32-22-22-1=12-1=1 平面機構的結構分析平面機構的結構分析 (3) 虛約束虛約束 機構中與其他約束重復而對機構運動不起限制作用的約束，機構中與其他約束重復而對機構運動不起限制作用的約束，稱為稱為虛約束虛約束。 1) 兩構件間形成多個具有相同作用

18、的運動副，分別有下列三種兩構件間形成多個具有相同作用的運動副，分別有下列三種情況：情況： 兩構件形成多個軸線重合的轉動副兩構件形成多個軸線重合的轉動副，如圖，如圖3-15a所示，輪軸所示，輪軸1與機架與機架2在在A、B兩處組成了兩個轉動副，從運動關系看，只兩處組成了兩個轉動副，從運動關系看，只有一個轉動副起約束作用，其余各處的引入約束均為虛約束有一個轉動副起約束作用，其余各處的引入約束均為虛約束，計算機構自由度時應按一個轉動副計算。，計算機構自由度時應按一個轉動副計算。 兩構件組成多個移動方向一致的移動副兩構件組成多個移動方向一致的移動副，如圖，如圖3-15b所示，所示，構件構件1與機架組成了

19、與機架組成了A、B、C三個導路平行的移動副，計算機三個導路平行的移動副，計算機構自由度時應按一個移動副計算。構自由度時應按一個移動副計算。 平面機構的結構分析平面機構的結構分析兩構件組成多處接觸點兩構件組成多處接觸點公法線重合的高副公法線重合的高副，如圖，如圖3-15c所示，同所示，同樣應只考慮一處高副，其余為虛約束。樣應只考慮一處高副，其余為虛約束。圖3-15兩構件組成多個運動副a)軸線重合引入的虛約束b)移動方向一致引入的虛約束c)接觸點公法線重合引入的虛約束 平面機構的結構分析平面機構的結構分析 2) 2) 兩構件構上聯接點的運動軌跡互相重合。兩構件構上聯接點的運動軌跡互相重合。圖圖a

20、a自由度自由度 F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=33-23-24-0=14-0=1 圖圖b b，若用一附加構件，若用一附加構件5 5在在E E和和F F兩點鉸接，兩點鉸接，EFEF平行平行ABAB及及CDCD，則構，則構件件5 5上的上的E E點的軌跡與桿點的軌跡與桿3 3上的上的E E點的軌跡重合。構件點的軌跡重合。構件5 5對機構的對機構的運動并不產生影響，為虛約束。計算其自由度可按圖運動并不產生影響，為虛約束。計算其自由度可按圖a a計算。計算。 圖圖c c不滿足上述幾何條件，不滿足上述幾何條件，EFEF桿的約束為有效約束，此時計算桿的約束為有效約束，此時計算其自由

21、度其自由度F=0F=0，機構不能運動。，機構不能運動。 平面機構的結構分析平面機構的結構分析 3) 3) 機構中存在不起作用的對稱部分。機構中存在不起作用的對稱部分。 如圖所示，為使受力均勻，安裝三個相同的行星輪對稱布置，從運動如圖所示，為使受力均勻，安裝三個相同的行星輪對稱布置，從運動關系看，只需一個行星輪關系看，只需一個行星輪2 2就能滿足要求，如圖就能滿足要求，如圖a a所示。其余行星引入所示。其余行星引入的約束均為虛約束，應除去不計。的約束均為虛約束，應除去不計。 該機構的自由度為：該機構的自由度為：F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=33-23-23-2=13-2=

22、1 平面機構的平面機構的結構分析結構分析 機構中滾子有一個局部自由度；頂桿機構中滾子有一個局部自由度；頂桿DF與機架組成與機架組成兩個導路平行的移動副，故其中一個為虛約束；兩個導路平行的移動副，故其中一個為虛約束；C處處為復合鉸鏈。去除局部自由度和虛約束，按圖為復合鉸鏈。去除局部自由度和虛約束，按圖b所示所示機構計算自由度。機構計算自由度。F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=37-27-29-1=29-1=2此機構中的自此機構中的自由度等于由度等于2，有兩個原動件，有兩個原動件。3-43-4計算圖計算圖3-18a3-18a所示篩料機構的自由度。所示篩料機構的自由度。 平面機構

23、的平面機構的結構分析結構分析 機構中刨頭機構中刨頭6與機架與機架7組成兩個導路平行的移動副，故組成兩個導路平行的移動副，故其中一個為虛約束；去除虛約束，機構自由度為：其中一個為虛約束；去除虛約束，機構自由度為：F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=36-26-28-1=18-1=1此機構中的自此機構中的自由度等于由度等于1，有，有1個原動件個原動件。3-53-5計算圖計算圖3-113-11所示牛頭刨床主機構的自由度。所示牛頭刨床主機構的自由度。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析二、平面機構具有確定運動的條件二、平面機構具有確定運動的條件在機構分析中，都要求機構有確定運動，顯

24、然，不在機構分析中，都要求機構有確定運動，顯然，不能產生相對運動或作無規則運動的一些構件難以用能產生相對運動或作無規則運動的一些構件難以用來傳遞運動。來傳遞運動。為了使組合起來的構件能產生相對運動并具有運動為了使組合起來的構件能產生相對運動并具有運動確定性，有必要探討機構具有確定運動的條件。確定性，有必要探討機構具有確定運動的條件。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析圖3-19原動件數大于自由度數 圖圖3-193-19所示，圖中原動件數等于所示，圖中原動件數等于2 2，機構自由度，機構自由度 F=3n-2P F=3n-2PL L-P-PH H=3=33-23-24-0=14-0=1， 原動件

25、數大于機構的自由度。若機構同時要滿足原動件數大于機構的自由度。若機構同時要滿足原動件原動件1 1和原動件和原動件3 3的給定運動，則勢必將桿的給定運動，則勢必將桿2 2拉拉斷。斷。 平面機構的平面機構的結構分析結構分析圖3-20 原動件數小于自由度數的構件組合 圖圖3-203-20所示，圖中原動件數等于所示，圖中原動件數等于1 1，機構自由度，機構自由度 F=3n-2P F=3n-2PL L-P-PH H=3=34-24-25-0=25-0=2， 原動件數小于機構的自由度。當只給定原動件原動件數小于機構的自由度。當只給定原動件1 1的位置的位置1 1時時，從動件從動件2 2、3 3、4 4的位置的位置可以處于實現位置，也可以處于可以處于實現位置，也可以處于圖中雙點畫線位置或其他位置，說明從動件的運動是不確圖中雙點畫線位置或其他位置，說明從動件的運動是不確定的。因此，只有給出兩個原動件，使構件定的。因此，只有給出兩個原動件，