1、第二章第二章 機構的結構分析機構的結構分析2-1 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的2-2 機構的組成機構的組成2-3 機構運動簡圖機構運動簡圖2-4 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件2-5 機構自由度的計算機構自由度的計算2-6 計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項2-7 虛約束對機構工作性能的影響及虛約束對機構工作性能的影響及機機構結構的構結構的 合理設計合理設計2-8 平面機構的組成原理、結構分類及結構分析平面機構的組成原理、結構分類及結構分析2-9 平面機構中的高副低代平面機構中的高副低代2-1 機構結構分析的內容及目的機構結構分析

2、的內容及目的主要內容及目的是：主要內容及目的是：l 研究機構的組成及機構運動簡圖的畫法；l 了解機構具有確定運動的條件；l 研究機構的組成原理及結構分類。 是兩構件參與接觸而構成運動副的表面。 是兩構件直接接觸而構成的可動連接；2-2 機構的組成機構的組成1.構件零件是機器中的一個獨立制造單元體；構件是機器中的一個獨立運動單元體。 從運動來看，任何機器都是由若干個構件組合而成的。 任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運動副運動副運動副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導軌、兩輪齒嚙合。3）按其相對運動形式分轉動副（回轉副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副運動副還可分為平面運動

3、副與空間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副： 點、線接觸的運動副低副： 面接觸的運動副（1）運動副的分類1）按其引入的約束數目分： 級副、 級副、 級副。機構的組成機構的組成(2/4)3.運動鏈構件通過運動副的連接而構成的相對可動的系統。閉式運動鏈 （簡稱閉鏈）開式運動鏈 （簡稱開鏈）1234平面閉式運動鏈1234空間閉式運動鏈1234平面開式運動鏈12345空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規定的簡單符號來表達（GB446084）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表機構的組成機構的組成(3/4)1234 但當機構安裝在運動的機械上時則是運動的。 按給定已知運動規律獨立運動的構件；4.

4、機構具有固定構件的運動鏈稱為機構。機 架原動件從動件機構中的固定構件。機構中其余活動構件。1234平面鉸鏈四桿機構 機構常分為平面機構和空間機構兩類，其中平面機構應用最為廣泛。空間鉸鏈四桿機構 一般機架相對地面固定不動，常以轉向箭頭表示。其運動規律決定于原動件的運動規律和機構的結構及構件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件機構的組成機構的組成(4/4) 不嚴格按比例繪出的，只表示機械結構狀況的簡圖。 根據機構的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，2-3 機構運動簡圖機構運動簡圖 在對現有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構運動簡圖。1.機構運動簡圖 例2-2 內燃機機構運動

5、簡圖。機構運動簡圖 采用運動副及常用機構運動簡圖符號和構件的表示方法，將機構運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構示意圖舉例：（2）選定視圖平面； （3）選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構的符號，最后用簡單線條連接，即得機構運動簡圖。機構運動簡圖機構運動簡圖(2/2)2. 機構運動簡圖的繪制繪制方法及步驟： （1）搞清機械的構造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構的構件數目、運動副的類別及其位置；內燃機顎式破碎機機構運動簡圖繪制機構運動簡圖繪制2-4 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件一個機構在什么條件下才能實現確定的運動呢？兩個例子例2-3 鉸鏈四桿機構

6、例2-4 鉸鏈五桿機構若給定機構一個獨立運動， 則機構的運動完全確定；若給定機構兩個獨立運動， 則機構的最薄弱環節損壞。若給定機構一個獨立運動， 則機構的運動不確定；若給定機構兩個獨立運動， 則機構的運動完全確定。 機構的自由度 機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，其數目用F表示。 結論 機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數目應等于機構的自由度數目F。如果原動件數F,則機構的運動將不確定；則會導致機構最薄弱環節的損壞。機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件(2/2) 結論： 機構具有確定運動的條件是：機構原動件數目應等于機構的自由度的數目F。yx作平面運動的剛體在空間的

7、位置需要三個作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數（獨立的參數（x，y, ）才能唯一確定。）才能唯一確定。yx(x , y)單個自由平面構件的自由度為單個自由平面構件的自由度為 3 3yx12S12xy12S=2, F=1S=2, F=1S=1, F=2經運動副相聯后，由于有約束，構件自由經運動副相聯后，由于有約束，構件自由度會有變化：度會有變化：2-5 機構自由度的計算機構自由度的計算2-5 機構自由度的計算機構自由度的計算1.平面機構自由度的計算（1）計算公式F3n(2plph)式中：n為機構的活動構件數目；pl 為機構的低副數目；ph為機構的高副數目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構F

8、3n(2plph)3324012）鉸鏈五桿機構F3n(2plph)342502123451234翻斗車機構例例1 試審查圖示簡易沖床的設計方案簡圖是否合理？為什么？如試審查圖示簡易沖床的設計方案簡圖是否合理？為什么？如不合理，請繪出正確的機構簡圖。不合理，請繪出正確的機構簡圖。可將機構簡圖修改為F=3n 2Pl Ph=33 - 24-1=0F=3n 2Pl Ph=34 - 25-1=1其約束數為i(i=1,2,.5)，則2.空間機構自由度的計算（1）一般空間機構自由度的計算設一空間機構共有n個活動構件，pi個i級運動副，F6n(5p54p43p32p2p1)6nipii=15例2-5 空間四桿

9、機構解F6n5p54p43p3635241113478 9101118ABCD,3）內燃機機構F3n(2plph)362731機構自由度的計算機構自由度的計算(2/4)1B2C3DA431例2-6 楔形滑塊機構解 因此機構為全移動副平面機構，故m4，則F(6m)n(5m)p5(64)2(54)31 （2）含公共約束的空間機構自由度的計算公共約束F(6m)n (im)pii=m+15 由上式可知，公共約束m=0,1,2,3,4。故相應的機構分別稱為0族、1族、2族、3族、4族機構（五類）。是指機構中所有構件均受到的共同的約束， 以m表示。機構自由度的計算機構自由度的計算(3/4)（3）空間開鏈機

10、構的自由度計算 因空間開鏈機構運動副總數p(= pi)等于其活動構件數n，i=156n (6fi)pii=15 fipii=15式中，fi為i級運動副的自由度，fi6i。例2-7 機械手開鏈機構解 F(65)p5(64)p417219 因機械手具有9個自由度，故它運動的靈活性較大，可繞過障礙進入作業區。F6n ipii=15故FEDCBGHA機構自由度的計算機構自由度的計算(4/4) 如果兩構件在多處接觸而構成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副。2-6 計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項1.要正確計算運動副的數目 由m個構件組成的復合鉸鏈

11、，共有(m-1)個轉動副。（1）復合鉸鏈 （2）同一運動副 1）移動副，且移動方向彼此平行或重合；2）轉動副，且轉動軸線重合； 3）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。A 氣窗開啟機構 是指機構中某些構件所產生的不影響其他構件運動的局部運動的自由度， 如果兩構件在多處接觸而構成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉動副）。（3）復合平面高副2.要除去局部自由度 局部自由度以F表示。計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(2/6) 滾子繞其軸線的轉動為一個局部自由度， 在計算機構自由度時，應將 F從計算公式中減去，即

12、例2-8 滾子推桿凸輪機構解F3n(2plph) F故凸輪機構的自由度為F33(231)11計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(3/6)去除局部自由度應采取的去除局部自由度應采取的措施：措施： 設想將滾子與安裝滾子的構設想將滾子與安裝滾子的構件焊成一體，預先排除局部自件焊成一體，預先排除局部自由度，再計算機構自由度由度，再計算機構自由度剛化法剛化法。 n = 3、Pl = 2、Ph = 1F=3n-2Pl-Ph =3 3-2 21 =1F=3n-2PL-Ph=37 -29 -1=2。 滾子繞其軸線的轉動為一個局部自由度， 在計算機構自由度時，應將 F從計算公式中減

13、去，即例2-8 滾子推桿凸輪機構解F3n(2plph) F故凸輪機構的自由度為F33(231)113.要除去虛約束 虛約束是指機構中某些運動副帶入的對機構運動起重復約束作用的約束，以 p表示。例2-9 平行四邊形四桿機構F3n(2plph) F33(240)01計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(3/6)當增加一個構件5和兩個轉動副E、F，且BE AF，則F3n(2plph) F34(260)00原因：構件5 和兩個轉動副E、F 引入的一個約束為虛約束。 在計算機構的自由度時，應從機構的約束數中減去虛約束數目p，故F3n(2plph p) F如平行四邊形五桿機構的

14、自由度為F34(2600)0 1計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(4/6)（1）軌跡重合的情況 在機構中，如果用轉動副連接的是兩個構件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。 例如橢圓儀機構就是這種情況（圖中：CAD90，BCBD）。 顯然，轉動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿連接兩構件上距離恒定不變的兩點的情況 在機構運動過程中，如果兩構件上兩點之間的距離始終保持不變， 若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(5/6)4機構中的虛約束常發生的幾種

15、情況例如圖示平行四邊形機構就屬于此種情況。 顯然，構件 5和轉動副E、F所聯接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結構重復的情況 在機構中，不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。 顯然，從機構運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p2。計算平面機構自由度時應注意的事項計算平面機構自由度時應注意的事項(6/6)1234567ABCDEFABCDEFGHKA4312BCEDAB=BC=BDBA4123CE5DF7 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 4

16、5 56 6 2-7 虛約束對機構工作性能的影響虛約束對機構工作性能的影響 及機構結構的合理設計及機構結構的合理設計1.虛約束對機構工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構運動的影響 虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構的性能。例如平行四邊形機構， 若誤差較小，則機構裝配困難，應力將增大，運動不靈活； 若誤差較大，則機構無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構件的受力情況；增加機構的剛度；保證機械通過某些特殊位置。 機構中的虛約束數越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。 結論 從保證機構運動靈活性和便于加工

17、裝配方面來說，應盡量減少機構的虛約束。因此，虛約束的多少是機構性能的一個重要指標。2.機構結構的合理設計 機構結構的合理設計是指在不影響機構其他性能的前提下，通過運動副類型的合理選擇和裝配來盡可能減少虛約束的問題。 （1) 族別虛約束 將某些機構視為0族機構時機構所存在的虛約束的數目，以p表示， 則 pFF0式中：F 為機構的實際自由度；F0為機構被視為0族機構時的自由度數目。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(2/4)例2-10 平面鉸鏈四桿機構F(6m)n(5m)p5(63)3(53)41F06n5p563542故 pFF01(2)

18、3 顯然，這三個族別虛約束存在的條件是：所有鉸鏈的軸線要彼此平行。若不滿足上述條件，則機構將變成為F02的結構了。（2）消除或減少族別虛約束的方法 通過合理選擇和配置運動副的類型來消除或減少機構中族別虛約束。虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(3/4)例2-11 鉸鏈四桿機構 將轉動副B、C改為球面副和球銷副，則機構變為0族機構，即無族別虛約束。F6n5p54p43p3635241311ABCD例2-12 曲柄滑塊機構 將轉動副C變為球面副，則此機構可減少2個族別虛約束。例2-13 正切機構 將其低副用高副替代，即變為含點接觸的高副機構

19、，則此機構中無虛約束。 虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計(4/4) 任何機構都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構成的。 不能再拆的最簡單的自由度為零的構件組，稱阿蘇爾桿組。2-8 平面機構的組成原理、結構平面機構的組成原理、結構 分類及結構分析分類及結構分析1.平面機構的組成原理例2-14 顎式碎礦機1）基本桿組： 2）機構組成原理：例2-15 顎式碎礦機 注意 在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構件上，否則將起不到增加桿組的作用。（1）基本桿組的條件3n2plph0式中n、pl及ph分別為基本桿組中

20、的構件數、低副數和高副數。全為低副桿組的條件3n2pl0或 n/2pl/3 （2）桿組的基本類型1）級桿組 由2個構件和3個低副構成的桿組。2）級桿組 由4個構件和6個低副構成的桿組。ABC12c)ABC12d)ABC12e)ABC12a)ABC12b)ABCDEF1234a)ABCDEF1234b)ABCDEF1234c)平面機構的組成原理、結構分類及結構分析平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(2/4)3.平面機構的結構分析（1）分析的目的 了解機構的組成，確定機構的級別。（2）分析的方法1）先計算機構的自由度，并確定原動件； 2）從遠離原動件的構件先試拆級組，若不成；再拆級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構的級別。（3）舉例破碎機機構的結構分析：1）若取機構1為原動件時， 此機構為級機構。平面機構的組成原理、結構分類及結構分析平面機構的組成原理、結構分類及結構分析(3/4)2）若取構件5為