【正文】 1 第 2章 機械的結(jié)構(gòu)分析與綜合 Mechanism Structure Analysis and Synthesis 2 ? 一、機構(gòu)的組成要素 ? 機構(gòu)是具有確定相對運動的構(gòu)件組合體， ? 由兩個要素組成： ? 構(gòu)件： 構(gòu)件是指機器中獨立的運動單元。 ? 運動副： 兩構(gòu)件組成的直接接觸而又能產(chǎn)生相對運動的活動聯(lián)接稱為 運動副 。 167。 22 機構(gòu)的組成及其運動簡圖的繪制 3 約束與自由度 ? 兩構(gòu)件間的運動副所起的作用是限制構(gòu)件間的相對運動，使相對運動自由度的數(shù)目減少，這種限制作用稱為 約束 ， ? 而仍具有的相對運動叫做 自由度 。 4 二、運動副的分類 ? (1)根據(jù)運動副所引入的 約束數(shù) 分類。把引入一個約束數(shù)的運動副稱為 I級副 ，引入兩個約束數(shù)的運動副稱為 Ⅱ 級副 ，依此類推。 ? (2)根據(jù)構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件的 接觸情況 進行分類。凡是以 面接觸 的運動副稱為 低副 ，而以 點或線相接觸 的運動副稱為 高副 。 ? (3)根據(jù)構(gòu)成運動副的兩元素間 相對運動的空間形式進行分類。如果運動副元素間只能相互作平面平行運動，則稱之為 平面運動副 ，否則稱為 空間運動副 。 5 ? 一、平面機構(gòu)自由度的計算公式 ? 一個不受任何約束的構(gòu)件在平面中的運動只有三個自由度， ? 具有 n個 活動 構(gòu)件（機架除外，因其相對固定不動）的平面機構(gòu)，若各活動構(gòu)件完全不受約束時，則整個機構(gòu)相對于機架共有 3n個自由度。 167。 23 機構(gòu)自由度的計算 6 自由度與約束數(shù)目的關(guān)系 ? 但在運動鏈中，每個構(gòu)件至少必須與另一構(gòu)件聯(lián)接成運動副，當(dāng)兩構(gòu)件聯(lián)接成運動副后，其運動就受到約束，自由度將減少。 ? 自由度減少的數(shù)目，應(yīng)等于運動副引入的約束數(shù)目。 ? 由于平面機構(gòu)中的運動副只可能是轉(zhuǎn)動副、移動副或平面高副，其中每個低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）引入的約束數(shù)為 2，每個平面高到引入的約束數(shù)為 1。 7 自由度計算公式 ? 所以、具有 n個 活動構(gòu)件 的平面機構(gòu)，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成 PL個低副和 PH個高副，則它們共引入了 (2PL+PH)個約束，機構(gòu)的自由度 F顯然為 : ? F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH (21) ? 這就是平面機構(gòu)自由度的計算公式，也稱為平面機構(gòu)結(jié)構(gòu)公式。 8 二、機構(gòu)自由度的意義及具有確定 運動的條件 機構(gòu)的 自由度數(shù)目 和機構(gòu) 原動件的數(shù)目與機構(gòu)的 運動 有著密切的關(guān)系： ? (1)若機構(gòu)自由度 Ｆ ≤0，則機構(gòu)不能動； ? (2)若 Ｆ 0，且與原動件數(shù)相等，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是確定的；這就是機構(gòu)具有確定運動的條件 。 ? (3)若 Ｆ 0，且多于原動件數(shù)，則構(gòu)件間的運動是不確定的； ? (4)若 Ｆ 0，且少于原動件數(shù)，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。 10 三、計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項 ? 在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)注意以下一些情況，否則計算結(jié)果往往會發(fā)生錯誤。 ? (1)復(fù)合鉸鏈 由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈。 ? 由 m個構(gòu)件匯集而成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當(dāng)包含 (m1)個轉(zhuǎn)動副。 11 ? 解：在本機構(gòu)中 A、 B、 C、 D 四處都由三個構(gòu)件組成復(fù)合鉸鏈， n＝ 7， PL＝ 10， PH=0，由式 (21)可得： ? F=3 72 100=1 圖 29 鋸床進給機構(gòu) 例 23 計算圖 29所示鋸床進給機構(gòu)的自由度數(shù) ? (2)局部自由度 ：對整個機構(gòu)運動無關(guān)的自由度稱為局部自由度。在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)當(dāng)舍棄不計。 ? 如圖 210所示凸輪機構(gòu)中的滾子帶來一個局部自由度。 圖 210 凸輪機構(gòu) ? (3)虛約束 不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。如圖 211 a)所示的平行四邊形機構(gòu)中，加上一個構(gòu)件 5(紅色構(gòu)件 )，便形成具有一個虛約束的平行四邊形機構(gòu)，如圖211 b)所示。 圖 211 b) 帶虛約束的 平行四邊形機構(gòu) 圖 211a) 平行四邊形機構(gòu) 例 24 計算圖 215a 所示大篩機構(gòu)的自由度 ? 解：機構(gòu)各構(gòu)件均在同一平面運動，可按圖 215b分析 ? F=3 72 91=2 圖 215 a） b） 15 ? 一、平面機構(gòu)的組成原理 ? 任何機構(gòu)都包含機架、原動件和從動件系統(tǒng)三部分。 ? 由于 機構(gòu)具有確定運動的條件 是原動件的數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目， ? 因此，如將機構(gòu)的機架以及和機架相連的原動件與從動件系統(tǒng)分開，則 余下的從動件系統(tǒng)的自由度應(yīng)為零 。 167。 24 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析 16 阿蘇爾桿組 ? 有時這種從動件系統(tǒng)還可分解為若干個更簡單的 、 自由度為零的構(gòu)件組 。 ? 這種最簡單的 、 不可再分的 、 自由度為零的構(gòu)件組稱為 基本桿組 或稱為 阿蘇爾桿組 ? 任何機構(gòu)都可以看作是由若干個基本桿組依次聯(lián)接于原動件和機架上所組成的系統(tǒng) ， 這就是 機構(gòu)的組成原理 。 17 二、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 ? 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析就是將已知機構(gòu)分解為原動件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構(gòu)的組成，并確定機構(gòu)的級別。機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是： ? (1)計算機構(gòu)的自由度并確定原動件； ? (2)拆桿組； ? (3)確定機構(gòu)的級別。 18 例 25 計算圖示機構(gòu)的自由度， 并確定機構(gòu)的級別 ? 解：該機構(gòu)無虛約束和局部自由度， ? F=3 52 7=1 ? 按右圖拆分，該機構(gòu)為 II級機構(gòu)。 19 三、平面機構(gòu)的 高副低代 ? 高副低代的條件是 ： ? (1)代替前后機構(gòu)的自由度完全相同。 (2)代替前后機構(gòu)的運動狀況 (位移，速度，加速度 )相同。 20 高副低代的關(guān)鍵 ? 找出構(gòu)成高副的兩輪廓曲線在接觸點處的曲率中心， ? 然后用一個構(gòu)件和位于兩個曲率中心的兩個轉(zhuǎn)動副來代替該高副。 21 ? (1)如果兩接觸輪廓之一為直線，替代轉(zhuǎn)動副演化成移動副，如圖 219所示。 ? (2)若兩接觸輪廓之一為一點，其替代方法如圖 220所示。 圖 219 圖 220 高副低代有兩種特殊情況 22 習(xí)題 2—2 驗算下列機構(gòu)能否運動，如果能運動，看運動是否具有確定性，并給出具有確定運動的 修改辦法 。 23 習(xí)題 2—3 繪出下列機構(gòu)的運動簡圖，并計算其自由度（其中構(gòu)件 1均為機架）。 24 習(xí)題 2－ 4 計算下列機構(gòu)自由度， 并說明 注意事項 25 第 3章 連桿機構(gòu)分析與設(shè)計 Analysis and Synthese of Linkages 26 ? 一、平面四桿機構(gòu)的基本類型及應(yīng)用 ? 全部運動副為轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)稱為 鉸鏈四桿機構(gòu) ， ? 它是平面四桿機構(gòu)的最基本型式（如圖所示） 167。 3－ 2 平面四桿機構(gòu)的基本類型 及其演化 27 a— 曲柄： 與機架相聯(lián)并且作整周轉(zhuǎn)動的構(gòu)件； b— 連桿 ：不與機架相聯(lián)作平面運動的構(gòu)件； c— 搖桿 ：與機架相聯(lián)并且作往復(fù)擺動的構(gòu)件； d— 機架 ：作為參照物而相對固定不動的構(gòu)件； a、 c— 連架桿。 28 ? 前面介紹的三種鉸鏈四桿機構(gòu)，還遠遠滿足不了實際工作機械的需要， ? 在實際應(yīng)用中，常常采用多種不同外形、構(gòu)造和特性的四桿機構(gòu)， ? 這些類型的四桿機構(gòu)可以看作是由鉸鏈四桿機構(gòu)通過各種方法 演化 而來的。 ? 這些演化機構(gòu)擴大了平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用，豐富了其內(nèi)涵。 二、平面連桿機構(gòu)的演化 29 改變相對桿長、轉(zhuǎn)動副演化為移動副 在曲柄搖桿機構(gòu)中，若 搖桿 的桿長增大至無窮長，則其與連桿相聯(lián)的轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副。 —— 曲柄滑塊機構(gòu) 30 雙滑塊機構(gòu) ? 若繼續(xù)改變圖 3— 14b中對心曲柄滑塊機構(gòu)中桿2長度，轉(zhuǎn)動副 C轉(zhuǎn)化成移動副，又可演化成雙滑塊機構(gòu)（圖 3－ 15）。該種機構(gòu)常應(yīng)用在儀表和解算裝置中。 31 演變原理：各構(gòu)件間的相對運動保持不變 （ 1） 變化鉸鏈四桿機構(gòu)的機架 ? 如圖所示的三種鉸鏈四桿機構(gòu) ， 各桿件間的相對運動和長度都不變 ， 但選取不同構(gòu)件為機架 ， 演化成了具有不同結(jié)構(gòu)型式 、 不同運動性質(zhì)和不同用途的以下 三種機構(gòu) 。 選用不同構(gòu)件為機架 32 （ 2）變化單移動副機構(gòu)的機架 ? 若將圖 3－ 14b所示的對心曲柄滑塊機構(gòu)，重新選用不同構(gòu)件為機架，又可演化成以下具有不同運動特性和不同用途的機構(gòu)。 圖 3－ 14b 圖 3－ 16 33 ? 若選構(gòu)件 1為機架（圖 3－ 16a），雖然各構(gòu)件的形狀和相對運動關(guān)系都未改變，但沿塊 3將在可轉(zhuǎn)動（或擺動）的構(gòu)件 4（稱其為 導(dǎo)桿 ）上作相對移動，此時圖 3－ 14b所示的曲柄滑塊機構(gòu)就演化成 轉(zhuǎn)動（或擺動）導(dǎo)桿機構(gòu) （圖3－ 16a）； 差異？ 轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu) 擺動導(dǎo)桿機構(gòu)能否回復(fù)為曲柄滑塊機構(gòu)？？ 擺動 導(dǎo)桿機構(gòu) 34 （ 3）變化雙移動副機構(gòu)的機架 ? 在圖 315和圖 322a所示的具有兩個移動副的四桿機構(gòu)中，是選擇滑塊 4作為機架的，稱之為 正弦機構(gòu) ，這種機構(gòu)在印刷機械、紡織機械、機床中均得到廣泛地應(yīng)用，例如機床變速箱操縱機構(gòu)、縫紉機中針桿機構(gòu)（圖 3— 22d）； 圖 3— 22 圖 315 35 ? 若選取構(gòu)件 1為機架（圖 3－ 22b），則演化成 雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu) ，它常應(yīng)用作兩距離很小的平行軸的聯(lián)軸器，圖 322e所示的十字滑塊聯(lián)軸節(jié)為其應(yīng)用實例； 圖 3－ 22b 圖 322e 36 ? 當(dāng)選取構(gòu)件 3為機架（圖 3－ 22c）時，演化成 雙滑塊機構(gòu) ，常應(yīng)用它作橢圓儀（圖 3— 22f）。 圖 3－ 22 37 總結(jié)：平面連桿機構(gòu)的演化 38 39 ? 一、 鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件 圖 3－ 24 167。 33 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件 及幾個基本概念 ? 鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄 （ 有整轉(zhuǎn)副 ） 的條件： ? l） 最短桿和最長桿長度之和小于或等于其他兩桿長度之和； ? 2） 最短桿是連架桿或 機架 。 41 二、 基本概念 ：壓力角與傳動角 ? 壓力角 從動件的速度方向與力方向所夾的銳角稱為壓力角 ? 在圖 3— 26所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果不考慮構(gòu)件的慣性力和鉸鏈中的摩擦力， ? 則原動件 AB通過連桿 BC作用到從動件 CD上的力 F將沿 BC方向，該力的作用線與力作用點 C點絕對速度 vc所夾的銳角α 稱為 壓力角 。 圖 3— 26 42 傳動角 ? 壓力角的余角 γ定義為傳動角 。 由上面分析可知 ，傳動角 γ愈大 (α愈小 )對傳動愈有利 。 ? 所以為了保證所設(shè)計的機構(gòu)具有良好的傳動性能 ，通常應(yīng)使最小傳動角 γmin≥400， ? 在傳遞力矩較大的情況下 ， 應(yīng)使 γmin≥500。 ? 在具體設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)時 ， 一定要校驗最小傳動角 γmin是否滿足要求 。 43 三、急回運動和行程速比系數(shù) ? 1． 極位夾角 ? 在圖 3－ 27所示的曲柄搖桿機構(gòu)中 ， 當(dāng)曲柄 AB逆時針轉(zhuǎn)過一周時 ， 搖桿最大擺角 ψ 對應(yīng)其兩個極限位置 C1D和 C2D， ? 此時正是曲柄和連桿處于兩次共線位置 ， 通常把曲柄這兩個位置所夾的銳角θ 稱為極位夾角 。 圖 3－ 27 44 2．急回運動 ? 如圖所示 ， 當(dāng)曲柄以 ω 1等速 逆 時 針 轉(zhuǎn) 過 φ 1 角（ AB1→AB 2） 時 ， 搖桿則逆時針擺過 φ 角 （ C1D→C 2D） ，設(shè)所用時間為 t1。 ? 當(dāng) 曲 柄 繼 續(xù) 轉(zhuǎn) 過 φ 2 角（ AB2→AB 1） ， 搖桿順時針擺回同樣大小的 φ 角（ C2D→C 1D） ， 設(shè)所用時間為 t2。 ? 常稱 φ 1為推程運動角 ， φ 2為回程運動角 。 由圖中可見 ?? ??01 1 8 0?? ?? 02 1 8 045 ? 則 10111180???? ???t10122180???? ???t搖桿往復(fù)擺動的平均角速度分別為 和 。 21 tt ?39。3? 39。39。3?可見： 239。39。3139。3 tt???? ???在曲柄等速回轉(zhuǎn)情況下，通常把搖桿往復(fù)擺動速度快慢不同的運動稱為急回運動。 46 行程速比系數(shù) ? 四桿機構(gòu)從動件空回行程平均速度與工作行程平均速度的比值稱為行程速比系數(shù)，用 K表示