汽車機械基礎 機電工程系 汽車機構分析 第11章機構的組成及汽車常用機構 研究內容 1 研究機構的組成及其具有確定運動的條件 2 根據結構特點進行機構的結構分類 3 研究機構的組成原理 研究目的 在機構設計中 需要知道機構是怎樣組合起來的 而且在什么條件下才能實現確定的運動 對機構組成原理的研究還可以為新機構的創造提供途徑 通過對機構的結構分析與分類 可以為舉一反三地研究機構的運動分析和動力分析提供方便 第一節機構的組成與運動簡圖 一 機構的組成機構是由各個具有確定相對運動的運動單元組成 1 構件構件 link 機器中每一個獨立的運動單元體 2 運動副由兩個構件組成的可動的聯接稱為運動副 kinematicspair 例如軸與軸襯的配合 滑塊與導軌的接觸 一 機構的組成 兩齒輪輪齒的嚙合 球面與平面的接觸 圓柱與平面的接觸 齒輪副 平面機構構件在同一平面或在相互平行的平面內運動的機構 常用的機構大多數為平面機構 空間機構至少有兩個構件能在三維空間中相對運動 空間任意兩個構件1與2 當它們尚未構起運動副之前 構件1相對于構件2共有6個相對運動的自由度 當兩構件以某種方式相聯接而構成運動副 則兩者間的相對運動便受到一定的約束 其相對運動自由度減少的數目就等于該運動副所引入的約束的數目 兩構件構成運動副后所受到的約束數最少為1 而最多為5 二 自由度 約束與運動副 自由度 約束 對獨立運動的限制 構件含有獨立運動的數目 運動副的分類 1 按兩構件的接觸情況進行分 點或線接觸而構成的運動副統稱為高副 面接觸而構成的運動副則稱為低副 2 按兩構件之間的相對運動的不同分 轉動副或回轉副 移動副 螺旋副 球面副 平面運動副 空間運動副 運動副的符號 轉動副 移動副 凸輪副 齒輪副 運動副的符號 三 機構運動簡圖 用簡單的線條和規定的符號表示組成機構的構件和運動副 并按一定的比例尺表示運動副的相對位置的簡單圖形稱為機構運動簡圖 繪制步驟如下 1 分析機構的運動情況 定出其原動部分 工作部分 搞清楚傳動部分 2 合理選擇投影面及原動件適當的投影瞬時位置 3 選擇適當的比例尺 scale 4 用簡單的線條和規定的符號繪圖 5 檢驗 顎式碎石機 a b 四 機構具有確定運動的條件 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 機構具有確定運動的條件 機構的自由度必須大于或等于l 且機構原動件的數目應等于機構的自由度的數目 如圖 只有在給構件4確定運動規律后 此時系統才成為機構 平面機構自由度 平面機構自由度計算公式 原動件數 F 機構破壞 原動件數 機構自由度 鉸鏈五桿機構 原動件數 機構自由度數 機構運動不確定 任意亂動 構件間沒有相對運動機構 剛性桁架 多一個約束 超靜定桁架 四 機構具有確定運動的條件 F 0 構件間無相對運動 不成為機構 F 0 原動件數 F 運動確定 原動件數 F 運動不確定 原動件數 F 機構破壞 四 機構具有確定運動的條件 1 復合鉸鏈 兩個以上的構件同在一處以轉動副相聯接 若有m個構件以復合鉸鏈 joint 相聯接時 其構成的轉動副數應等于 m 1 個 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 2 局部自由度在有些機構中 某些構件所產生的局部運動 并不影響其他構件的運動 我們把這種局部運動的自由度稱為局部自由度 如圖所示 在計算機構的自由度時 應從機構自由度的計算公式中將局部自由度減去 凸輪機構三維實體圖 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 對于圖示凸輪機構自由度為F 3 3 2 4 0 1F 3 2 2 2 1 1 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 3 虛約束在機構中 有些運動副帶入的約束 對機構的運動實際上不起約束作用 我們把這類約束稱為虛約束 在計算機構的自由度時應將這類虛約束除去 機構中的虛約束常發生在下列情況 1 在機構中如果兩構件用轉動副聯接其聯接點的運動軌跡重合 則該聯接將帶入1個虛約束 F 3 n 2Pl Ph 3 4 2 6 0錯F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 4 1對 多余約束 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 2 如果兩構件在多處接觸而構成移動副 且移動方向彼此平行 如圖2 14所示 則只能算一個移動副 圖2 14 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 如果兩構件在多處相配合而構成轉動副 且轉動軸線重合 如2 15所示 則只能算一個轉動副 轉動軸線重合 圖2 15 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 如果兩構件在多處相接觸而構成平面高副 且各接觸點處的公法線彼此重合 如圖2 16所示 則只能算一個平面高副 機構對稱 圖2 16 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 3 在機構運動的過程中 若兩構件上某兩點之間的距離始終保持不變 則如用雙轉動副桿將此兩點相聯 也將帶入1個虛約束 圖2 17所示 F 3 n 2Pl Ph 3 4 2 6 0錯F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 4 1對 圖2 17 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 4 在機構中 某些不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束亦為虛約束 軌跡重合 F 3 n 2Pl Ph 3 5 2 5 6 1錯F 3 n 2Pl Ph 3 3 2 3 2 2對 圖2 18 五 計算平面機構自由度時應注意的事項 第二節平面連桿機構 一 平面連桿機構 用低副連接而成的平面機構 平面連桿機構的特點 1 能實現多種運動形式 如 轉動 擺動 移動 平面運動 2 運動副為低副 面接觸 承載能力大 便于潤滑 壽命長 幾何形狀簡單 便于加工 成本低 運動規律豐富 可以滿足不同軌跡的要求 平面連桿機構的特點 3 缺點 1 有較長的運動鏈 使連桿機構產生較大的積累誤差 降低機械效率 2 連桿及滑塊的質心都在作變速運動 它們所產生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除 增加機構的動載荷 所以連桿機構一般不宜用于高速傳動 3 只能近似實現給定的運動規律 4 設計復雜 一 平面連桿機構 連桿機構在實際中用處較多 如圖a中的機械手驅動機構 圖b中的溜冰鞋剎車機構和圖c中的夾子驅動機構 a b c 所有運動副均為轉動副的平面四桿機構 二 平面四桿機構的基本型式 一 鉸鏈四桿機構 4 機架 1 3 連架桿 定軸轉動 2 連桿 平面運動 整轉副 二構件相對運動為整周轉動 擺動副 二構件相對運動不為整周轉動 一 鉸鏈四桿機構 鉸鏈四桿機構的基本形式 1 曲柄搖桿機構2 雙曲柄機構3 雙搖桿機構 曲柄 作整周轉動的連架桿 搖桿 非整周轉動的連架桿 一 鉸鏈四桿機構 1 曲柄搖桿機構 在鉸鏈四桿機構中 若兩個這架稈中一個為曲柄 另一個為搖桿 則此四桿機構稱為曲柄搖桿機構 當曲柄為原動件 搖桿為從動件時 可將曲柄的連續轉動轉變成搖桿的往復擺動 2 雙曲柄機構 在鉸鏈四桿機構中 若兩個這架桿都是曲柄 則稱為雙曲柄機構 在雙曲柄機構中 若其相對兩桿平行且相等 則成為平行四邊形機構 鉸鏈四桿機構中兩連架桿都是搖桿 則稱為雙搖桿機構 double rockermechanism 3 雙搖桿機構 二 鉸鏈四桿機構的演化 1 曲柄滑塊機構 偏距ee 0 偏置曲柄滑塊機構e 0 對心曲柄滑塊機構 構件3為機架 移動導桿 曲柄滑塊機構 構件4為機架 曲柄滑塊 構件1為機架 轉動導桿 構件2為機架 曲柄搖塊 1 曲柄滑塊機構 四 鉸鏈四桿機構的基本性質 1 平面四桿機構有曲柄的條件 若1和4能繞A整周相對轉動 則存在兩個特殊位置a d b c 1 b c d a即a b c d 2 c b d a即a c b d 3 a d b c 1 b c d a即a b c d 2 c b d a即a c b d 3 1 2 得2a b d 2c b d即a c 1 3 得a b 2 3 得a d 由此可見 兩構件作整周相對轉動的條件 整轉副存在的條件 1 此兩構件中必有一構件為運動鏈中的最短構件 2 最短構件與最長構件的長度之和小于等于其它兩構件長度之和 桿長之和的條件 1 平面四桿機構有曲柄的條件 鉸鏈四桿機構分為兩大類 1 最短構件與最長構件的長度之和大于其他兩構件長度之和 所有運動副均為擺動副 均為雙搖桿機構 2 最短構件與最長構件的長度之和小于等于其他兩構件長度之和 最短構件上兩個轉動副均為整轉副 取最短構件為機架 雙曲柄機構 取最短構件任一相鄰構件為機架 曲柄搖桿機構 取最短構件對面的構件為機架 雙搖桿機構 曲柄滑塊機構有曲柄的條件 AC1E b a e AC2E a b e 即有曲柄的條件 b a ee 0 b a 原動件作勻速轉動 從動件作往復運動的機構 從動件正行程和反行程的平均速度不相等 二 行程速度變化系數 1 機構的急回運動特性 2 行程