1、1第二章第二章 機構的結構分析機構的結構分析2-1 2-1 研究機構結構的目的研究機構結構的目的機械原理課程對機械的研究主要在以下方面：機械原理課程對機械的研究主要在以下方面：一、對已有機械進行分析一、對已有機械進行分析機械的結構分析機械的結構分析機械的運動分析機械的運動分析機械的動力分析機械的動力分析2二、設計新的機械二、設計新的機械機構的選型機構的選型機構的動力設計機構的動力設計機械系統(tǒng)總體運動方案設計機械系統(tǒng)總體運動方案設計設計機構設計機構機構的運動設計機構的運動設計本章主要研究機構的結構分析與綜合本章主要研究機構的結構分析與綜合其目的是：其目的是：、研究組成機構的要素及機構具有確定運動

2、的、研究組成機構的要素及機構具有確定運動的條件條件、研究機構的組成原理、研究機構的組成原理3、研究機構運動簡圖的繪制、研究機構運動簡圖的繪制、研究機構結構的綜合方法、研究機構結構的綜合方法42-2 2-2 機構的組成及其運動簡圖的繪制機構的組成及其運動簡圖的繪制一、機構的組成要素一、機構的組成要素機構的組成要素是：機構的組成要素是：、構件、構件 作為一個整體參與機構運動的剛性單元作為一個整體參與機構運動的剛性單元體稱為構件（機器的運動單元）體稱為構件（機器的運動單元） 一個構件，可以是不能拆開的單一整體，一個構件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若干個不同零件組裝起來的剛性也可能是由若干個

3、不同零件組裝起來的剛性體。體。5齒輪構件是由齒輪、齒輪軸和鍵組成。齒輪構件是由齒輪、齒輪軸和鍵組成。齒輪齒輪齒輪軸齒輪軸鍵鍵齒輪、齒輪軸和鍵稱為零件齒輪、齒輪軸和鍵稱為零件構件分成構件分成機架（或固定構件）機架（或固定構件）活動構件活動構件主動件（原動件）主動件（原動件）從動件從動件舉例：舉例：6作用有驅動力或驅動力矩的活動構件稱為主動件。作用有驅動力或驅動力矩的活動構件稱為主動件。輸出運動或動力的從動件稱為輸出件。輸出運動或動力的從動件稱為輸出件。7 兩構件上參與接觸構成運動副的部分稱為兩構件上參與接觸構成運動副的部分稱為運動副元素。運動副元素。對運動副的理解要把握以下三點：對運動副的理解要

4、把握以下三點：、運動副是一種連接；、運動副是一種連接；、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有相對運動。、組成運動副的兩個構件之間有相對運動。、運動副、運動副 由兩個構件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運由兩個構件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運動的連接稱為動的連接稱為運動副運動副。8用運動副連用運動副連接后，彼此接后，彼此的相對運動的相對運動受到某些約受到某些約束束. 兩個構件在用運動副連接前有六個獨立的相兩個構件在用運動副連接前有六個獨立的相對運動。對運動。構件構件2xzy構件構件1O約束：對獨立相對運動限制約束：對獨立相對運動限制以上是機構的兩大組成要素（構件、運動副）

5、以上是機構的兩大組成要素（構件、運動副） 可以說：機構是由運動副逐一連接各個構件組可以說：機構是由運動副逐一連接各個構件組成的。成的。轉動副轉動副9二、運動副的分類二、運動副的分類 組成機構的運動副的類型決定機構的運動形式。組成機構的運動副的類型決定機構的運動形式。運動副有多種類型，對運動副進行正確的分類，在運動副有多種類型，對運動副進行正確的分類，在機構設計和綜合中是非常重要的。機構設計和綜合中是非常重要的。、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類21球面副（球面副（III級副）級副）移動副（移動副（V級副）級副） （1） 按照約束的個數(shù)，可將運動副分為按照約束的個數(shù)，可

6、將運動副分為 I 至至 V 級副級副.10、根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情、根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類況分類球面高副球面高副柱面高副柱面高副運動副元素以點或線接觸的運動副稱為運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副高副。11運動副元素以面接觸的運動副稱為運動副元素以面接觸的運動副稱為低副低副。球面低副球面低副移動副移動副轉動副轉動副12、根據(jù)組成運動副的兩個構件的相對運動形式分、根據(jù)組成運動副的兩個構件的相對運動形式分類類空間運動副空間運動副球銷副球銷副螺旋副螺旋副圓柱套筒副圓柱套筒副13平面運動副平面運動副移動副移動副轉動副轉動副14表2-1 常用運動副及其簡圖名稱圖

7、 形簡圖符號副級自由度名稱圖 形簡圖符號副級自由度球面高副I5圓柱套筒副IV2柱面高副II4轉動副V1球面低副III3移動副V1球銷副IV2螺旋副V115運動副的封閉：運動副的封閉： 幾何封閉幾何封閉 力封閉力封閉16三、運動鏈與機構三、運動鏈與機構開式運動鏈開式運動鏈閉式運動鏈閉式運動鏈 用運動副連接而成的相對可動的構件系統(tǒng)稱為用運動副連接而成的相對可動的構件系統(tǒng)稱為運動鏈。運動鏈。開式運動鏈開式運動鏈閉式運動鏈閉式運動鏈單閉環(huán)運動單閉環(huán)運動鏈鏈多閉環(huán)運動鏈多閉環(huán)運動鏈171234ABC1234ABCD123456ABCDEFG單閉環(huán)運動鏈單閉環(huán)運動鏈多閉環(huán)運動鏈多閉環(huán)運動鏈開式運動鏈開式運

8、動鏈平面運動鏈平面運動鏈空間運動鏈空間運動鏈1234ABCD平面運動鏈平面運動鏈空間運動鏈空間運動鏈18四、機構四、機構 機構是用來傳遞運動和力且有一個構件為機架機構是用來傳遞運動和力且有一個構件為機架的用運動副連接而成的構件系統(tǒng)。的用運動副連接而成的構件系統(tǒng)。機構機構1234ABCD19 為了便于研究機構的運動，可以撇開構件、運為了便于研究機構的運動，可以撇開構件、運動副的外形和具體構造，而只用簡單的線條和符號動副的外形和具體構造，而只用簡單的線條和符號代表構件和運動副，并按比例定出各運動副位置，代表構件和運動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構的組成和傳動情況。這樣繪制出能夠準確表示機構

9、的組成和傳動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構運動特性的簡明圖形就稱為表達機構運動特性的簡明圖形就稱為機構運動簡機構運動簡圖圖。五、機構運動簡圖的繪制五、機構運動簡圖的繪制 只是為了表明機構的運動狀態(tài)或各構件的相互只是為了表明機構的運動狀態(tài)或各構件的相互關系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這關系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這樣的簡圖稱為機構示意圖。樣的簡圖稱為機構示意圖。20 用線條和簡單圖形代表構件，用規(guī)定符號代表用線條和簡單圖形代表構件，用規(guī)定符號代表運動副，按比例作出的圖形。運動副，按比例作出的圖形。121212轉動副轉動副212121移動副移動副21直齒輪的嚙合直齒輪的嚙

10、合球頂凸輪副球頂凸輪副外嚙合齒輪外嚙合齒輪凸輪凸輪22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23CAB12344D556內燃機內燃機繪制內燃機機構的運動簡圖繪制內燃機機構的運動簡圖24 繪制機構運動簡圖的步驟繪制機構運動簡圖的步驟1. 1. 搞清楚傳動原理搞清楚傳動原理2. 2. 搞清楚機架、原動件和從動件搞清楚機架、原動件和從動件3. 3. 查出構件數(shù)、運動副數(shù)、種類，并量出運動尺查出構件數(shù)、運動副數(shù)、種類，并量出運動尺寸寸4. 4. 從原動件開始順序畫出從動件個數(shù)從原動件開始順序畫出從動件個數(shù)5. 5. 確定原動件個數(shù)確定原動件個數(shù)6. 6. 作機架的構件用斜線畫出作機架

11、的構件用斜線畫出25選長度比例尺選長度比例尺:)()(mmml圖上長度實際長度26ECAB1DFG2345678HI插齒機插齒機27繪圖步驟簡要說明：繪圖步驟簡要說明：了解機構組成：固定、活動構件，運動流向了解機構組成：固定、活動構件，運動流向分析構件間相對運動：運動副類型、數(shù)目分析構件間相對運動：運動副類型、數(shù)目確定與運動有關的尺寸：回轉中心、導路中心確定與運動有關的尺寸：回轉中心、導路中心位置，高副接觸點位置位置，高副接觸點位置選擇適當視圖：全面反映機構運動關系選擇適當視圖：全面反映機構運動關系定長度比例定長度比例l l= =實際尺寸實際尺寸/ /圖形尺寸圖形尺寸28繪制牛頭刨床機構的運動

12、簡圖繪制牛頭刨床機構的運動簡圖29繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖30繪制自動裝載機構的運動簡圖繪制自動裝載機構的運動簡圖31123465ABCDEOF繪制顎式破碎機機構的運動簡圖繪制顎式破碎機機構的運動簡圖3233一、一、平面機構平面機構自由度的計算公式自由度的計算公式(1)自由度與約束自由度與約束構件獨立運動的數(shù)目稱為自由度構件獨立運動的數(shù)目稱為自由度對構件運動的限制作用稱為約束對構件運動的限制作用稱為約束2-3 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算34什么是機構的獨立運動數(shù)目什么是機構的獨立運動數(shù)目?活動構件總的自由度減去約束后剩余的數(shù)目活動構件總的自由度減去

13、約束后剩余的數(shù)目(2)機構自由度機構自由度機構獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度機構獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度35平面低副平面低副移動副移動副一個低副引入幾個約束？一個低副引入幾個約束？一個低副引入兩個約束！一個低副引入兩個約束！移動副移動副轉動副轉動副36平面高副平面高副一個高副引入幾個約束？一個高副引入幾個約束？一個高副引入一個約束！一個高副引入一個約束！凸輪副凸輪副齒輪副齒輪副37 對于具有對于具有n個活動構件的平面機構，若各構件個活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了之間共構成了PL個低副和個低副和PH個高副，則它們共引個高副，則它們共引入入(2PL+PH)個約束。機構的自由度個約束

14、。機構的自由度F顯然應為顯然應為:由機構的自由度定義可知：由機構的自由度定義可知：機構的自由度機構的自由度=機構的獨立運動數(shù)目機構的獨立運動數(shù)目平面機構獨立運動的數(shù)目為平面機構獨立運動的數(shù)目為:所有活動構件的自所有活動構件的自由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH38二、機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件二、機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件 所謂機構的自由度，實質上就是機構具有確定所謂機構的自由度，實質上就是機構具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構的位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。

15、機構的自由度數(shù)也就是機構應當具有的原動件數(shù)目。自由度數(shù)也就是機構應當具有的原動件數(shù)目。兩桿兩桿:（如門、風扇）（如門、風扇）F31211原動件數(shù)目等于機構的自由度原動件數(shù)目等于機構的自由度運動是確定的運動是確定的39n=2, PL=3, PH=0 n=3, PL=4, PH=0 三桿三桿:不能運動不能運動四桿四桿:231 14123ABCD原動件數(shù)等于機構自由度，原動件數(shù)等于機構自由度， 運動確定運動確定F=3n2PLPH=3*2-2*3=0F=3n2PLPH=3*3-2*4=140 1 4C2B54ADE13CD結論結論五桿五桿:n=4, PL=5, PH=0 1)若機構自由度若機構自由度，

16、則機構不能動，則機構不能動2)若若且與原動件數(shù)相等，則機構各構件間的且與原動件數(shù)相等，則機構各構件間的相對運動是確定的，因此，機構具有確定運動的條相對運動是確定的，因此，機構具有確定運動的條件是：件是：機構的原動件數(shù)等于機構的自由度數(shù)；機構的原動件數(shù)等于機構的自由度數(shù)；F=3n2PLPH=3*4-2*5=2原動件數(shù)原動件數(shù)=1，原動件數(shù)原動件數(shù)=2，運動不能確定運動不能確定運動確定運動確定413)若若0，而原動件數(shù)，而原動件數(shù)，而原動件數(shù)，而原動件數(shù)F，則構件間不能運，則構件間不能運動或產(chǎn)生破壞。動或產(chǎn)生破壞。123ACB4D判斷圖示機構能否運動判斷圖示機構能否運動?F=3n-2PL-PH=3

17、*3-2*4-1=042三、計算機構自由度時應注意的事項三、計算機構自由度時應注意的事項1. 復合鉸鏈復合鉸鏈例：例： 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。由稱為復合鉸鏈。由m個構件構成的復合鉸鏈應當包個構件構成的復合鉸鏈應當包含含(m-1)個轉動副。個轉動副。432. 局部自由度局部自由度不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。不影響機構整體運動的自由度，稱為局部自由度。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。443. 虛約束虛約束應在計算結果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束應在計算結果

18、中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。的構件和運動副去掉，然后再進行計算。在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。45常見的虛約束有以下幾種情況常見的虛約束有以下幾種情況:）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。是虛約束。帶虛約束的凸輪機構帶虛約束的凸輪機構46帶虛約束的曲軸帶虛約束的曲軸）當兩構件

19、構成多個轉動副，且軸線互相重合時，）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。47）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉動副的附加構件來連持不變，此時若用具有兩個轉動副的附加構件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束。接這兩個點，則將會引入一個虛約束。帶虛約束的桿機構帶虛約束的桿機構48）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。往會引入虛約束。帶虛約束的行星輪系帶虛約束的行星輪

20、系49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(tài)更合理使受力狀態(tài)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使用虛約束時要注意什么問題使用虛約束時要注意什么問題?保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設計中保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設計中使用虛約束時，機械制造的精度要提高。使用虛約束時，機械制造的精度要提高。50機構自由度計算舉例機構自由度計算舉例例例 1 1 圖示牛頭刨床設計方案圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：動草圖。設計思路為：動力由曲柄力由曲柄1 1輸入，通過滑輸入，通過滑塊塊2 2使擺動導桿使擺動導桿 3 3 作

21、往復作往復擺動，并帶動滑枕擺動，并帶動滑枕4 4作往作往復移動復移動 ，已達到刨削加，已達到刨削加工目的。工目的。 試問圖示的構試問圖示的構件組合是否能達到此目件組合是否能達到此目的？的？ 如果不能，該如何如果不能，該如何修改？修改？1 12 23 3451解：計算設計方案的自由度解：計算設計方案的自由度0624323HPPnFL改進措施：改進措施：1 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 2、用一個高副代替低副。、用一個高副代替低副。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。必須修改，以達

22、到設計目的。1 12 23 3452改進方案改進方案(1、2)53改進方案改進方案(3(3、4)4)54改進方案改進方案(5(5、6)6)55改進方案改進方案(7)(7)56例例 2 如圖所示，已知：如圖所示，已知： DE=FG=HI，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，且相互平行。計算此機構的自由度算此機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。虛約束請標出）。ADECHGFIBK12345678957;8n局部自由度局部自由度復合鉸鏈復合鉸鏈虛約束虛約束111128323HPPnFLADEC

23、HGFIBK123456789;11LP1HP58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 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6597 7A AC C1 12B B3 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;6n11826323HPPnFL;8LP1HP60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，且相互平行。計算此機構的自由度相互平行。計

24、算此機構的自由度 (若存在局部自由若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。 C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 1G GH HI IJ JK KL L61;8n局部自由度局部自由度復合鉸鏈復合鉸鏈虛約束虛約束C C2 21 1A AB B6 67 78 89 910101111G GH HI IJ JK KL LE ED DF F3 34 45 5111128323HPPnFL;11LP1HP622-4 平面機構的組成原理和結構分析平面機構的組成原理和結構分析一、平面機構的組成原理一、平面機構的組成原理機構都是由機架、原動件和機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。從動件組構成的。機架機架原動件原動件從動件組從動件組63從動件組從動件組從動件組分析：從動件組分析：6,4LPn 這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。自由度等于零的從動件組。0624323LPnF64還能分解嗎？還能分解嗎？65 這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。簡單、自由度為零的從動件組。通常把這樣的從動件組稱為：通常把這樣的從動件組稱為： 基本桿組的概念