機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)申永勝2023/8/191第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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(dòng)和力。凡是能傳遞運(yùn)動(dòng)和力，并且在運(yùn)動(dòng)時(shí)可視為一個(gè)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)的組成原理時(shí)，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(dòng)的數(shù)目，或確定構(gòu)件位置所需的獨(dú)立變量的數(shù)目。第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Oxzysxszsy

y

x

z空間運(yùn)動(dòng)剛體的自由度y

x

z

O

y

z(x,y)xO平面運(yùn)動(dòng)剛體的自由度sxsy作空間運(yùn)動(dòng)的自由剛體：具有沿三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)(sx，sy，sz)及繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(θx，θy，θz)共六個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可能，即具有六個(gè)自由度。平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件：具有sx，sy及θz等三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。平面運(yùn)動(dòng)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第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月平面運(yùn)動(dòng)剛體的標(biāo)線平面運(yùn)動(dòng)剛體還可以用運(yùn)動(dòng)平面上的一條直線PM作為“標(biāo)線”來代表平面運(yùn)動(dòng)剛體，并以“基點(diǎn)”P的sx，sy及標(biāo)線繞P點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角運(yùn)動(dòng)參數(shù)θz來描述平面構(gòu)件的3個(gè)自由度。二、運(yùn)動(dòng)副與約束兩個(gè)構(gòu)件之間直接接觸所形成的可動(dòng)聯(lián)接，稱為運(yùn)動(dòng)副。約束：運(yùn)動(dòng)副對(duì)構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度所施加的限制。不同的運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。

第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月以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(duì)運(yùn)動(dòng)：sz和

z，自由度數(shù)f

2。約束：sx，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(dòng)副的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，并具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。

zxyO

zsz第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

運(yùn)動(dòng)副的分類●按運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)分類

I級(jí)副、II級(jí)副、III級(jí)副、IV級(jí)副、V級(jí)副。●按運(yùn)動(dòng)副的接觸形式分類面與面接觸的運(yùn)動(dòng)副—低副點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副—高副●按兩構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式分類平面運(yùn)動(dòng)副、空間運(yùn)動(dòng)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。第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月球面–平面副空間I級(jí)高副圓柱–平面副空間II級(jí)高副球面副空間III級(jí)低副球銷副空間IV級(jí)低副第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圓柱副空間IV級(jí)低副螺旋副空間V級(jí)低副第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)動(dòng)副平面V級(jí)低副軸承鉸鏈移動(dòng)副平面V級(jí)低副第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)、線接觸的特點(diǎn)：1）具有較多的自由度，易于構(gòu)件自動(dòng)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，f

5,s

1線接觸f

4,s

2結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)精度要求較高，受力較小。面接觸特點(diǎn)：1）承載能力較高，應(yīng)用廣泛。2）運(yùn)動(dòng)副的自由度一般較低，其接觸狀況對(duì)尺寸、形狀及相對(duì)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。

第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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)?？臻gRSRC機(jī)構(gòu)球面4R機(jī)構(gòu)空間RSSP機(jī)構(gòu)第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月平面機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)為1、2。點(diǎn)、線接觸的平面運(yùn)動(dòng)副—平面高副滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副面接觸的平面運(yùn)動(dòng)副—平面低副轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副平面機(jī)構(gòu)是我們的主要研究對(duì)象。第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、運(yùn)動(dòng)副的封閉保持運(yùn)動(dòng)副元素之間的接觸稱為運(yùn)動(dòng)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(dòng)副。

彈簧力封閉重力封閉幾何封閉第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、運(yùn)動(dòng)鏈、機(jī)構(gòu)

1。運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈：兩個(gè)以上構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)菣C(jī)構(gòu)的一般初始結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和聯(lián)接這些構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量和類型，又稱為機(jī)構(gòu)的“型數(shù)綜合”。閉式運(yùn)動(dòng)鏈，開式運(yùn)動(dòng)鏈單封閉回路閉鏈p

N

（p為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，N為構(gòu)件數(shù)）多封閉回路運(yùn)動(dòng)閉鏈k

p

N

1(k為回路數(shù))第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月開式運(yùn)動(dòng)鏈：開鏈的每兩個(gè)構(gòu)件之間都可作獨(dú)立的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍大，運(yùn)動(dòng)形式與運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)具有更高的強(qiáng)制性，構(gòu)件運(yùn)動(dòng)范圍較小，運(yùn)動(dòng)形式與運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較簡單，確定各構(gòu)件之間的相對(duì)位置所需獨(dú)立變量數(shù)較少，其驅(qū)動(dòng)與控制也比較簡單，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度和運(yùn)動(dòng)確定性較高，是應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動(dòng)鏈。第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月其余構(gòu)件運(yùn)動(dòng)是否確定？機(jī)構(gòu)滿足條件在另一個(gè)（或幾個(gè)）構(gòu)件上加上已知運(yùn)動(dòng)21341432運(yùn)動(dòng)鏈

4132固定一個(gè)構(gòu)件2.機(jī)構(gòu)第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月曲柄滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)431CAB21423ABC1432ABCAB2134原動(dòng)件：機(jī)構(gòu)中按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。從動(dòng)件：其余的可動(dòng)構(gòu)件。具有預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、對(duì)外完成某種工藝動(dòng)作的從動(dòng)件也稱為輸出構(gòu)件或執(zhí)行構(gòu)件。機(jī)架：固定不動(dòng)的構(gòu)件。同一運(yùn)動(dòng)鏈，取不同構(gòu)件為機(jī)架和原動(dòng)件，不改變各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以得到不同運(yùn)動(dòng)傳遞規(guī)律和用途的機(jī)構(gòu)。第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

五.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

從原理方案設(shè)計(jì)的角度看，機(jī)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)和功能，是由原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、聯(lián)接各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副類型與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸(即各運(yùn)動(dòng)副間的相對(duì)位置尺寸)來決定的，而與構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)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(hào)和線條代表運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，并按一定的比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)簡圖。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖應(yīng)滿足的條件：⑴構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相同；⑵運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相符；⑶運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)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，用于表達(dá)機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征。第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)運(yùn)動(dòng)副符號(hào)兩運(yùn)動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副121212121212212121平面運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副121221211222112運(yùn)動(dòng)副名稱第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運(yùn)動(dòng)副122112平面運(yùn)動(dòng)副21第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件的表示方法

桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

構(gòu)件的表示方法第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開實(shí)際外形，只考慮運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)。內(nèi)燃機(jī)連桿第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖符號(hào)（摘自GB/T4460-1984）在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動(dòng)圓錐齒輪傳動(dòng)帶傳動(dòng)第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鏈傳動(dòng)圓柱桿蝸輪傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖符號(hào)（續(xù)）第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖符號(hào)（續(xù)）內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)棘輪機(jī)構(gòu)第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)運(yùn)動(dòng)鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算

和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制一、運(yùn)動(dòng)鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算1。運(yùn)動(dòng)鏈的自由度確定運(yùn)動(dòng)鏈中各構(gòu)件相對(duì)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(dòng)鏈的自由度。一個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)構(gòu)件在3維空間內(nèi)由6個(gè)自由度。若以pi代表i(i=1~5)級(jí)運(yùn)動(dòng)副數(shù)，一個(gè)i級(jí)副有i個(gè)約束。若運(yùn)動(dòng)鏈中有n個(gè)可動(dòng)構(gòu)件，pi個(gè)i級(jí)副的運(yùn)動(dòng)鏈，自由度F為

平面運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算公式為：F=3n-2pL-pHF=6n-(p1+2p2+3p3+4p4+5p5)第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算舉例例1

縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算例2

平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算分析：n

3，p5

2，p4

1，p3

1計(jì)算：F

6

3

(3

1

4

1

5

2)

1分析：n

3，q

3，p5

4計(jì)算：F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

11432ABC124C3ADB縫紉機(jī)腳踏板運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈自由度計(jì)算公式也就是機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，適用于所有運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)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(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)果。第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.

運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件判斷所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠衲艹蔀闄C(jī)構(gòu)，是提出新的設(shè)計(jì)方案時(shí)自行評(píng)價(jià)方案可行性的關(guān)鍵步驟。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

5

1運(yùn)動(dòng)鏈約束過多，超靜定桁架。

F

3n

2pL

pH

3

2

2

3

0運(yùn)動(dòng)鏈為一剛性桁架，不能成為機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的首要條件：運(yùn)動(dòng)鏈自由度必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件運(yùn)動(dòng)鏈1243ADBCE平面四構(gòu)件運(yùn)動(dòng)鏈第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月在F

0的條件下，進(jìn)一步判斷運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠窬哂写_定的運(yùn)動(dòng)。平面五桿運(yùn)動(dòng)鏈

F

3n

2pL

pH

3

4

2

5

2原動(dòng)件數(shù)

F,運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)關(guān)系不確定。運(yùn)動(dòng)鏈不能成為機(jī)構(gòu)。原動(dòng)件數(shù)

F,運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定。運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月平面四桿運(yùn)動(dòng)鏈

F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1原動(dòng)件數(shù)

F，運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會(huì)損壞。運(yùn)動(dòng)鏈不能成為機(jī)構(gòu)。原動(dòng)件數(shù)

F，運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定。運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件：取運(yùn)動(dòng)鏈中一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定作為機(jī)架，運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)于機(jī)架的自由度必須大于零，且原動(dòng)件的數(shù)目等于運(yùn)動(dòng)鏈的自由度數(shù)。第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，是設(shè)計(jì)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(dòng)簡圖時(shí)，主要應(yīng)注意：⑴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(dòng)件、機(jī)架和從動(dòng)件。⑵從原動(dòng)件開始，按照運(yùn)動(dòng)的傳遞過程，分析各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，確定活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。⑶選擇與機(jī)械多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面平行的平面，作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面。⑷選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置和比例尺μl(m/mm)，定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，用規(guī)定的符號(hào)將各運(yùn)動(dòng)副表示出來，用直線和曲線將同一構(gòu)件上各運(yùn)動(dòng)副元素連接起來。⑸從原動(dòng)件開始，按運(yùn)動(dòng)傳遞順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號(hào)和運(yùn)動(dòng)副代號(hào)。在原動(dòng)件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動(dòng)的方向。

采用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)示意圖。第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制舉例偏心泵1234機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制是一項(xiàng)基本的能力訓(xùn)練，而這種能力的培養(yǎng)，需要隨時(shí)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(dòng)簡圖的練習(xí)，才能逐漸熟練和掌握。第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

計(jì)算錯(cuò)誤的原因：

三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問題

舉例飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

解

n

5，pL

6，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

5

2

6

3錯(cuò)誤的結(jié)果！兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1。復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。k個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，有(k-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。例計(jì)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(dòng)副數(shù)均為2。12345678ABCDEF

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

1

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：識(shí)別復(fù)合鉸鏈，分辨清楚哪幾個(gè)構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動(dòng)副123134212344132兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

1）機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算1F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2

未考慮局部自由度計(jì)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(dòng)有關(guān)的自由度。計(jì)算時(shí)應(yīng)將局部自由度除去不計(jì)。

2）機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算2設(shè)想將滾子與從動(dòng)件焊成一體

F

3

2

2

2

1

1

考慮局部自由度計(jì)算結(jié)果，正確?；蛘撸河?jì)算時(shí)減去局部自由度

F

3

3

2

3

1

1(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(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦所增加的滾子處第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jì)算具有虛約束的機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)先將機(jī)構(gòu)中引入虛約束的運(yùn)動(dòng)副或運(yùn)動(dòng)鏈部分除去。虛約束發(fā)生的場合⑴兩構(gòu)件間構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)接觸點(diǎn)處法線重合的高副兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)軸線重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月52134EF5

⑵兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持不變

未去掉虛約束時(shí)F

3n

2pL

pH

3

4

2

6

0

3241EF

附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F提供的自由度F

3

1

2

2

1即引入了一個(gè)約束，但這個(gè)約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起實(shí)際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1?第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑶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(gè)構(gòu)件和兩個(gè)低副提供的自由度：F＝3

1

2

2

1即引入了一個(gè)約束，但這個(gè)約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起實(shí)際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

11234ABDFEC43125ABCD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)軌跡重合第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1B342A

⑷機(jī)構(gòu)中對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分

對(duì)稱布置的兩個(gè)行星輪2

和2

以及相應(yīng)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副D、C和4個(gè)平面高副提供的自由度F

3

2

2

2

1

4

2即引入了兩個(gè)虛約束。未去掉虛約束時(shí)F

3n

2pL

pH

3

5

2

5

1

6

1行星輪系去掉虛約束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2

11234ADBC2

2

行星輪系第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月虛約束的作用⑴改善構(gòu)件的受力情況，分擔(dān)載荷或平衡慣性力。⑵增加結(jié)構(gòu)剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。⑶提高運(yùn)動(dòng)可靠性和工作的穩(wěn)定性，如機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)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(dòng)。第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月B2I9C3A1J6H87DE4FG5例3計(jì)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(dòng)副D1處n

6，pL

7，pH

3F

3n

2pL

pH

3

6

2

7

1

3

1滾子3、8桿9和運(yùn)動(dòng)副F、I引入一個(gè)虛約束第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)的自由度

n=8，pL=11，pH

=1F=3×8-2×11－1=1第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：

機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可能性和確定性的錯(cuò)誤判斷，從而影響機(jī)械設(shè)計(jì)工作的正常進(jìn)行。因此機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算是本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一。在應(yīng)用該公式計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)：

1)正確使用機(jī)構(gòu)自由度計(jì)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(jì)算自由度，而空間機(jī)構(gòu)一般采用公式計(jì)算自由度。

F=6n-(p1+2p2+3p3+4p4+5p5)

F

3n

2pL

pH

2)搞清構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)算中的難點(diǎn)，是初學(xué)者容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方。第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(dòng)副聯(lián)接而成的，而且為了用來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞及變換，機(jī)構(gòu)需要具有確定的運(yùn)動(dòng)。那末當(dāng)由構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時(shí)，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。第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(jì)方案。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(duì)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(shí)速度和瞬時(shí)加速度完全相同。

替代方法：由于一個(gè)高副僅引人一個(gè)約束，而一個(gè)低副卻引入兩個(gè)約束，故不可能以一個(gè)低副末代替一個(gè)高副。第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月過接觸點(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(gè)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(dòng)副相聯(lián)即可?！愕母吒睓C(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(shí)替代機(jī)構(gòu)。

—個(gè)構(gòu)件和兩個(gè)低副也引入一個(gè)約束，從而可保證替代前后機(jī)構(gòu)自由度保持不變。

用—個(gè)虛擬構(gòu)件和兩個(gè)低副來代替一個(gè)高副。K1K2O1O2第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月組成高副的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)副的類型也有所不同。第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)件、機(jī)架和從動(dòng)件系統(tǒng)三個(gè)部分。由于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)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)看成是由自由度等于機(jī)構(gòu)自由度的驅(qū)動(dòng)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(dòng)桿組包含原動(dòng)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(dòng)件一般都選為與機(jī)架相連的低副構(gòu)件。

第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、基本桿組基本桿組的構(gòu)成條件：

1）必須有和原動(dòng)件及機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動(dòng)副，這類運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)應(yīng)計(jì)算在基本桿組中。

2）自由度F=0。外副:基本桿組中與原動(dòng)件和機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動(dòng)副，稱為基本桿組的外接運(yùn)動(dòng)副，簡稱外副；內(nèi)副:聯(lián)接桿組內(nèi)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副，稱為基本桿組的內(nèi)接運(yùn)動(dòng)副，簡稱內(nèi)副。設(shè)桿組的全部運(yùn)動(dòng)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)。第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.Ⅱ級(jí)組（n=2，pL=3）

Ⅱ級(jí)組是最簡單，也是應(yīng)用最多的基本桿組，根據(jù)三個(gè)運(yùn)動(dòng)副的不同情況，通常有圖示的五種形式。分別稱為第一類Ⅱ級(jí)組、第二類Ⅱ級(jí)組、第三類Ⅱ級(jí)組、第四類Ⅱ級(jí)組和第五類Ⅱ級(jí)組。內(nèi)接運(yùn)動(dòng)副外接運(yùn)動(dòng)副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.Ⅲ級(jí)組

n=4，pL=6的桿組又分為Ⅲ級(jí)組和Ⅳ級(jí)組。最常見的為Ⅲ級(jí)組，其特征是具有一個(gè)三副構(gòu)件，而每個(gè)內(nèi)副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是雙副構(gòu)件。第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.Ⅳ級(jí)組

Ⅳ級(jí)組也是n=4，pL=6的桿組。和Ⅲ級(jí)組比較，Ⅳ級(jí)組的特征是具有兩個(gè)三副構(gòu)件，其四個(gè)內(nèi)副形成四邊形。不同級(jí)別的桿組，不僅是構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律，以及它們的運(yùn)動(dòng)與受力分析的難易程度都不相同。第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)件和機(jī)架上，就組成一個(gè)新的機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)目相等。

例5機(jī)構(gòu)的組成舉例

BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHABCD第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

注意：桿組的各外接運(yùn)動(dòng)副不能全部聯(lián)接在同一個(gè)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(jì)時(shí)，就可以按設(shè)計(jì)要求由桿組組成機(jī)構(gòu)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(jí)別越低、構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)以上的基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為復(fù)合機(jī)構(gòu)。

1）基本桿組間的聯(lián)接串接：只將一個(gè)基本桿組的部分外接副聯(lián)接于前一個(gè)基本桿組的一個(gè)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(gè)基本組的輸入構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)和功率的流向是單向的依次傳遞。第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個(gè)二級(jí)桿組串連二級(jí)桿組、三級(jí)桿組串連二級(jí)桿組、三級(jí)桿組串連組成機(jī)構(gòu)第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)：一個(gè)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(jí)別

機(jī)構(gòu)中所包含的最高級(jí)別的桿組來確定機(jī)構(gòu)的類別，并將該高級(jí)組的級(jí)別作為該機(jī)構(gòu)的級(jí)別。

應(yīng)用最廣泛的是Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)，也是本書研究的重點(diǎn)。第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)分解為基本桿組和驅(qū)動(dòng)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：⑴正確計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，以確定原動(dòng)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(dòng)副去掉。⑵如果機(jī)構(gòu)中有高副，應(yīng)將高副用低副替代。⑶從遠(yuǎn)離原動(dòng)件最遠(yuǎn)的輸出構(gòu)件開始，依次進(jìn)行試拆。每拆除一個(gè)桿組后，機(jī)構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個(gè)完整機(jī)構(gòu)。試拆時(shí)，先按Ⅱ級(jí)組試拆，若無法拆除，再試拆高一級(jí)別的桿組。

遠(yuǎn)離原動(dòng)件：指在傳動(dòng)關(guān)系和傳動(dòng)路線上遠(yuǎn)離原動(dòng)件，不是空間距離。

第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷按所有基本桿組中的最高級(jí)別桿組確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。

注意：