平面機(jī)構(gòu)的自由度和速度分析

1、第1章 平面機(jī)構(gòu)的自由度和速度分析,§1－1 運(yùn)動(dòng)副及其分類,§1－2 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖,§1－3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,§1－4 速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度 分析中的應(yīng)用,,名詞術(shù)語解釋:1.構(gòu)件 －獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元,,內(nèi)燃機(jī)中的連桿,§1－1 運(yùn)動(dòng)副及其分類,內(nèi)燃機(jī)連桿,零件 －獨(dú)立的制造單元,,2.運(yùn)動(dòng)副,a)兩個(gè)構(gòu)件、b) 直接接

2、觸、c) 有相對(duì)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)副元素－直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。,定義：運(yùn)動(dòng)副－－兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。,三個(gè)條件，缺一不可,,運(yùn)動(dòng)副的分類： 1)按引入的約束數(shù)分有：,,III級(jí)副,I級(jí)副、II級(jí)副、III級(jí)副、IV級(jí)副、V級(jí)副。,2)按相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍分有： 平面運(yùn)動(dòng)副－平面運(yùn)動(dòng),平面機(jī)構(gòu)－全部由平面運(yùn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)。,IV級(jí)副,例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺

3、旋、生物關(guān)節(jié)。,空間運(yùn)動(dòng)副－空間運(yùn)動(dòng),V級(jí)副1,,V級(jí)副2,V級(jí)副3,,空間機(jī)構(gòu)－至少含有一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)副的機(jī)構(gòu)。,3)按運(yùn)動(dòng)副元素分有： ①高副－點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。,,②低副－面接觸，應(yīng)力低,例如：滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副等。,例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副）、移動(dòng)副 。,常見運(yùn)動(dòng)副符號(hào)的表示: 國標(biāo)GB4460－84,常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào),,,,,,,,,運(yùn)動(dòng)副名稱,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,兩構(gòu)件之一為固

4、定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副,平面運(yùn)動(dòng)副,平面高副,螺旋副,,,,,空間運(yùn)動(dòng)副,,構(gòu)件的表示方法:,,一般構(gòu)件的表示方法,桿、軸構(gòu)件,固定構(gòu)件,同一構(gòu)件,,,,,,三副構(gòu)件,兩副構(gòu)件,,,,一般構(gòu)件的表示方法,,運(yùn)動(dòng)鏈－兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。,注意事項(xiàng):,畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)。,閉式鏈、開式鏈,3. 運(yùn)動(dòng)鏈,4. 機(jī)構(gòu),定義：具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu) 。,機(jī)架－作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛

5、底盤、飛機(jī)機(jī)身。,機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)＝機(jī)架＋原動(dòng)件＋從動(dòng)件,機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件經(jīng)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而成的，很顯然，機(jī)構(gòu)歸屬于運(yùn)動(dòng)鏈，那么，運(yùn)動(dòng)鏈在什么條件下就能稱為機(jī)構(gòu)呢？即各部分運(yùn)動(dòng)確定。分別用四桿機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)模型演示得出如下結(jié)論：在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果以某一個(gè)構(gòu)件作為參考坐標(biāo)系，當(dāng)其中另一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）構(gòu)件相對(duì)于該坐標(biāo)系按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，其余所有的構(gòu)件都能得到確定的運(yùn)動(dòng)，那么，該運(yùn)動(dòng)鏈便成為機(jī)構(gòu)。,原（主）動(dòng)件－按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件

6、。從動(dòng)件－其余可動(dòng)構(gòu)件。,§1－2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖－用以說明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對(duì) 運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡單圖形。,作用： 1.表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況。,機(jī)動(dòng)示意圖－不按比例繪制的簡圖現(xiàn)摘錄了部分GB4460－84機(jī)構(gòu)示意圖如下表。,2.作為運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析的依據(jù)。,常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖符號(hào),,,,,,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖應(yīng)滿足的條件： 1.構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際

7、相同,2.運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目與實(shí)際相符,3.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。,,,,繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,順口溜：先兩頭，后中間， 從頭至尾走一遍， 數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少， 再看它們?cè)跸嗦?lián)。,步驟：1.運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械，搞清楚運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目；,4.檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否滿足運(yùn)動(dòng)確定的條件。,2.測(cè)量各運(yùn)動(dòng)副之間的尺寸，選投影面（運(yùn)動(dòng)平面）， 繪制示意圖。,3.按比例繪制運(yùn)動(dòng)簡圖。 簡圖

8、比例尺： μl =實(shí)際尺寸 m / 圖上長度mm,思路：先定原動(dòng)部分和工作部分（一般位于傳動(dòng)線路末端），弄清運(yùn)動(dòng)傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運(yùn)動(dòng)副的類型，并用符號(hào)表示出來。,舉例：繪制破碎機(jī)和偏心泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。,,,繪制圖示鱷式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡圖。,,,,,,,,,,繪制圖示偏心泵的運(yùn)動(dòng)簡圖,,,偏心泵,§1－3 平面機(jī)構(gòu)的自由度,給定S3＝S3(t)，一個(gè)獨(dú)立參數(shù)θ1＝θ1（t）唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。,若僅

9、給定θ1＝θ1（t）,則θ2 θ3 θ4 均不能唯一確定。若同時(shí)給定θ1和θ4 ，則θ3 θ2 能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立參數(shù) 。,,定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的 獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。,原動(dòng)件－能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?！咭粋€(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù),∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為：,自由度＝原動(dòng)件數(shù),一、 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式,作平面運(yùn)動(dòng)的剛體在空間的位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y, θ）才能唯一

10、確定。,(x , y),運(yùn)動(dòng)副 自由度數(shù) 約束數(shù)回轉(zhuǎn)副 1（θ） + 2（x，y） = 3,,,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,結(jié)論：構(gòu)件自由度＝3－約束數(shù),移動(dòng)副 1（x） + 2（y，θ）= 3,高 副 2（x,θ） + 1（y） = 3,經(jīng)運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)后，構(gòu)件自由度會(huì)有變化：,＝

11、自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù),活動(dòng)構(gòu)件數(shù) n,計(jì)算公式： F=3n－(2PL +Ph ),要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。,構(gòu)件總自由度,低副約束數(shù),高副約束數(shù),3×n,2 × PL,1 × Ph,①計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,3,低副數(shù)PL=,4,F=3n － 2PL － PH =3×3 － 2×4 =1,高副數(shù)PH=,0,推廣到

12、一般：,②計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,4,低副數(shù)PL=,5,F=3n － 2PL － PH =3×4 － 2×5 =2,高副數(shù)PH=,0,③計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,2,低副數(shù)PL=,2,F=3n － 2PL － PH =3×2 －2×2－1 =1,高副數(shù)PH=,1,二、計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng),④計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的

13、自由度。,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,7,低副數(shù)PL=,6,F=3n － 2PL － PH,高副數(shù)PH=0,=3×7 －2×6 －0,=9,計(jì)算結(jié)果肯定不對(duì)！,1.復(fù)合鉸鏈 －－兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。,計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件,,有m－1轉(zhuǎn)動(dòng)副。,兩個(gè)低副,上例：在B、C、D、E四處應(yīng)各有 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)副。,④計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7,低副數(shù)PL=,10,F=3n － 2PL － PH

14、 =3×7 －2×10－0 =1,可以證明：F點(diǎn)的軌跡為一直線。,,圓盤鋸機(jī)構(gòu),⑥計(jì)算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n － 2PL － PH =3×3 －2×3 －1 =2,PH=1,對(duì)于右邊的機(jī)構(gòu)，有： F=3×2 －2×2 －1=1,事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相同，且F=1,2.局部自由度,F=3n － 2PL

15、 － PH －FP =3×3 －2×3 －1 －1 =1,本例中局部自由度 FP=1,或計(jì)算時(shí)去掉滾子和鉸鏈： F=3×2 －2×2 －1 =1,定義：構(gòu)件局部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自由度。,出現(xiàn)在加裝滾子的場(chǎng)合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉Fp。,滾子的作用：滑動(dòng)摩擦?滾動(dòng)摩擦。,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n － 2PL － PH =3×4 －2×6

16、 =0,PH=0,3.虛約束 －－對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際不起作用的約束。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束。,,∵ FE＝AB ＝CD ，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧，。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。,重新計(jì)算：n=3, PL=4, PH=0,F=3n － 2PL － PH =3×3 －2×4 =1,特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：,,,,,1,2,3,4,A,B,C,D,E,

17、F,,虛約束,出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合： 1.兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，,2.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，且導(dǎo)路平行。,,,,如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪,,橢圓儀等。(需要證明),4.運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩構(gòu)件上的兩點(diǎn)距離始終不變。,3.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且同軸。,5.對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用的對(duì)稱部分。如多個(gè)行星輪。,,,,,,,,6.兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。,如等寬凸輪,,,注意：法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！,,,虛約束的作用：①改善構(gòu)

18、件的受力情況，如多個(gè)行星輪。,②增加機(jī)構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。,③使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順利，避免運(yùn)動(dòng)不確定，如車輪。,注意：各種出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合都是有條件的 !,⑧計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。,位置C ，2個(gè)低副,復(fù)合鉸鏈:,局部自由度,1個(gè),虛約束,E’,n=,7,PL =,9,PH =,1,F=3n － 2PL － PH =3×7 －2×9 －1 =2,⑧計(jì)算圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。,分析：,活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

19、n：,,9,2個(gè)低副,復(fù)合鉸鏈:,局部自由度,2個(gè),虛約束:,1處,去掉局部自由度和虛約束后：,n =,6,PL =,7,F=3n － 2PL － PH =3×6 －2×7 －3 =1,PH =,3,§1－4 速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用,機(jī)構(gòu)速度分析的圖解法有：速度瞬心法、相對(duì)運(yùn)動(dòng)法、線圖法。瞬心法尤其適合于簡單機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。,一、速度瞬心及其求法,絕對(duì)瞬心－重合點(diǎn)絕對(duì)速度為零

20、。,,,相對(duì)瞬心－重合點(diǎn)絕對(duì)速度不為零。,兩個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上速度相同的一對(duì)重合點(diǎn)，在某一瞬時(shí)兩構(gòu)件相對(duì)于該點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) ，該點(diǎn)稱瞬時(shí)速度中心。求法？,1)速度瞬心的定義,特點(diǎn)： ①該點(diǎn)涉及兩個(gè)構(gòu)件。 ②絕對(duì)速度相同，相對(duì)速度為零。 ③相對(duì)回轉(zhuǎn)中心。,2）瞬心數(shù)目,∵每兩個(gè)構(gòu)件就有一個(gè)瞬心 ∴根據(jù)排列組合有,1 2 3,若機(jī)構(gòu)中有n個(gè)構(gòu)件，則,N＝n(n-1)/2,3）機(jī)構(gòu)瞬心位置的確定,1.直接觀察

21、法 適用于求通過運(yùn)動(dòng)副直接相聯(lián)的兩構(gòu)件瞬心位置。,2.三心定律,,定義：三個(gè)彼此作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件共有三個(gè)瞬心，且它們位于同一條直線上。此法特別適用于兩構(gòu)件不直接相聯(lián)的場(chǎng)合。,,,,,,,,,,結(jié)論： P21 、 P 31 、 P 32 位于同一條直線上。,舉例：求曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度瞬心。,,,,,,,解：瞬心數(shù)為：,1.作瞬心多邊形圓,2.直接觀察求瞬心,3.三心定律求瞬心,N＝n(n-1)/2＝6 n=4,二、速度瞬心在機(jī)構(gòu)速度

22、分析中的應(yīng)用,1.求線速度,已知凸輪轉(zhuǎn)速ω1，求推桿的速度。,解：①直接觀察求瞬心P13、 P23 。,③求瞬心P12的速度 。,V2＝V P12＝μl(P13P12)·ω1,長度P13P12直接從圖上量取。,,②根據(jù)三心定律和公法線 n－n求瞬心的位置P12 。,2.求角速度,解：①瞬心數(shù)為,6個(gè),②直接觀察能求出,4個(gè),余下的2個(gè)用三心定律求出。,③求瞬心P24的速度 。,VP24＝μl(P24P14)·

23、;ω4,ω4 ＝ω2· (P24P12)/ P24P14,a)鉸鏈機(jī)構(gòu)已知構(gòu)件2的轉(zhuǎn)速ω2，求構(gòu)件4的角速度ω4 。,VP24＝μl(P24P12)·ω2,方向: CW, 與ω2相同。,相對(duì)瞬心位于兩絕對(duì)瞬心的同一側(cè)，兩構(gòu)件轉(zhuǎn)向相同,b)高副機(jī)構(gòu)已知構(gòu)件2的轉(zhuǎn)速ω2，求構(gòu)件3的角速度ω3 。,,解: 用三心定律求出P23 。,求瞬心P23的速度 :,VP23＝μl(P23P13)·ω3,∴ω3＝

24、ω2·(P13P23/P12P23),方向: CCW, 與ω2相反。,VP23＝μl(P23P12)·ω2,相對(duì)瞬心位于兩絕對(duì)瞬心之間，兩構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反。,3.求傳動(dòng)比,定義：兩構(gòu)件角速度之比傳動(dòng)比。,ω3 /ω2 ＝ P12P23 / P13P23,推廣到一般： ωi /ωj ＝P1jPij / P1iPij,結(jié)論:①兩構(gòu)件的角速度之比等于絕對(duì)瞬心至相對(duì)瞬心的距離之反比。,②角速度的方向?yàn)椋合鄬?duì)

25、瞬心位于兩絕對(duì)瞬心的同一側(cè)時(shí)，兩構(gòu)件轉(zhuǎn)向相同。,相對(duì)瞬心位于兩絕對(duì)瞬心之間時(shí)，兩構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反。,4.用瞬心法解題步驟,①繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；,②求瞬心的位置；,③求出相對(duì)瞬心的速度;,瞬心法的優(yōu)缺點(diǎn)：,①適合于求簡單機(jī)構(gòu)的速度，機(jī)構(gòu)復(fù)雜時(shí)因 瞬心數(shù)急劇增加而求解過程復(fù)雜。,②有時(shí)瞬心點(diǎn)落在紙面外。,③僅適于求速度V,使應(yīng)用有一定局限性。,④求構(gòu)件絕對(duì)速度V或角速度ω。,本章重點(diǎn)： ? 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的測(cè)繪方法。