机械设计基础1.pptx

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1、 机构是由构件组成，各构件之间应具有确定的相对运动，机构是由构件组成，各构件之间应具有确定的相对运动，不应乱动。不应乱动。 讨论机构满足什么条件构件间才具有确定的相对运动，对讨论机构满足什么条件构件间才具有确定的相对运动，对于分析现有机构或创新机于分析现有机构或创新机 构都是很重要的。构都是很重要的。 在研究机械工作特性和运动情况时，常常需要了解两个回在研究机械工作特性和运动情况时，常常需要了解两个回转件间的角速比、直移构件的运动速度或某些点的速度变化转件间的角速比、直移构件的运动速度或某些点的速度变化规律，因而有必要对机构进行速度分析。规律，因而有必要对机构进行速度分析。 实际机构的外形和结

2、构都很复杂，为了便于分析研究，用实际机构的外形和结构都很复杂，为了便于分析研究，用简单线条和符号绘制的机构运动简图。简单线条和符号绘制的机构运动简图。 所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。工程中常见的机构多属于平面机构，因否则称为空间机构。工程中常见的机构多属于平面机构，因此，本章只讨论平面机构此，本章只讨论平面机构。1 平面机构的自由度和速度分析平面机构的自由度和速度分析1 平面机构的自由度和速度分析平面机构的自由度和速度分析12P12转动副转动副12P12移动副移动副V121234ABCeSABCD123

3、4 一个作平面运动的无约束的自由构件具有三个独立运动一个作平面运动的无约束的自由构件具有三个独立运动 构件相对于参考系的独立运动称为自由度。所以一个作平面运动的自由构件相对于参考系的独立运动称为自由度。所以一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。构件具有三个自由度。 机构是由许多构件组成的。机构是由许多构件组成的。 机构的每个构件都以一定方式与某些构件相互连接。这种连接不是固定机构的每个构件都以一定方式与某些构件相互连接。这种连接不是固定连接，而是能产生一定相对运动的连接。连接，而是能产生一定相对运动的连接。两构件直接接触并能产生一定相两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。对运动

4、的连接称为运动副。 构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度随之减少。构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度随之减少。AxyOxA, yA1.1 1.1 运动副及其分类运动副及其分类 按照点、线、面接触，按照点、线、面接触，把运动副分为低副和高把运动副分为低副和高副两类。副两类。（1）低副）低副 两构件通过面接触组两构件通过面接触组成的运动副称为低副，成的运动副称为低副，平面机构中的低副有转平面机构中的低副有转动副和移动副两种。动副和移动副两种。 转动副转动副 (也称铰链也称铰链)若若组成运动副的两构件只组成运动副的两构件只能在平面内相对转动，能在平面内相对转动，有有2个约束。个约束

5、。 移动副若组成运动副移动副若组成运动副的两构件只能沿某一轴的两构件只能沿某一轴线相对移动，有线相对移动，有2个约个约束。束。 （2 ） 高副高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。组成平面高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。组成平面高副两构件间的相对运动是沿接触处切线两构件间的相对运动是沿接触处切线t-t方向的相对移动和在平面方向的相对移动和在平面内的相对转动，约束是内的相对转动，约束是1个个。 （3）空间运动副）空间运动副 机械中的球面副和螺旋副等，这些运动副两构件间的相对运动机械中的球面副和螺旋副等，这些运动副两构件间的相对运动是空间运动，属于空间运动副。空间运动副不在

6、本章讨论之内。是空间运动，属于空间运动副。空间运动副不在本章讨论之内。1.2 平面机构运动简图平面机构运动简图 撇开那些与运动无关的构件外形和运动副具体构造，指用规定撇开那些与运动无关的构件外形和运动副具体构造，指用规定的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这种表明机构各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简种表明机构各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图。图。 1.2.1 运动副的表示方法运动副的表示方法 121212图图1.2(b)转动副转动副121212(1) 转动副转动副12121221121212

7、21(2) 移动副移动副平面高副平面高副12tnnt平面高副应用于齿轮机构平面高副应用于齿轮机构(3) 高高副副外啮合圆柱齿轮传动外啮合圆柱齿轮传动(4) 外齿轮副外齿轮副平面高副平面高副ttnn12平面高副应用于齿轮机构平面高副应用于齿轮机构内啮合圆柱齿轮传动内啮合圆柱齿轮传动(5) 内齿轮副内齿轮副1212(6) 锥齿轮副锥齿轮副锥齿轮传动锥齿轮传动(7) 蜗杆副蜗杆副蜗杆传动蜗杆传动11(8) 轮系副轮系副轮系传动轮系传动1.2.2 构件的表示方法构件的表示方法 (a) (b) (c) (d) (e)固定构件固定构件(1) 固定构件固定构件(2) 三副构件三副构件 (a) (b) (c)

8、 (d) (e) 三副构件三副构件(a) (b) (c) (d) 同一构件同一构件 (a) (b) (c) (d)双副构件双副构件 (3) 同一构件同一构件(4) 双副构件双副构件偏心圆曲柄滑块动画偏心圆曲柄滑块动画ABxyO1xA, yA12212个约束个约束AxyO1xA, yA1S212B2个约束个约束AxyOxA, yA(a) (b)平面低副产生的约束数目平面低副产生的约束数目图图1.1构件作平面运动的自由度构件作平面运动的自由度 按照点、线、面接触，按照点、线、面接触，把运动副分为低副和高把运动副分为低副和高副两类。副两类。（1）低副）低副 两构件通过面接触组两构件通过面接触组成的运

9、动副称为低副，成的运动副称为低副，平面机构中的低副有转平面机构中的低副有转动副和移动副两种。动副和移动副两种。 转动副转动副 (也称铰链也称铰链)若若组成运动副的两构件只组成运动副的两构件只能在平面内相对转动，能在平面内相对转动，有有2个约束。个约束。 移动副若组成运动副移动副若组成运动副的两构件只能沿某一轴的两构件只能沿某一轴线相对移动，有线相对移动，有2个约个约束。束。 （2 ） 高副高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。组成平面高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。组成平面高副两构件间的相对运动是沿接触处切线两构件间的相对运动是沿接触处切线t-t方向的相对移动和在平面方

10、向的相对移动和在平面内的相对转动，约束是内的相对转动，约束是1个个。 平面高副产生的约束数目平面高副产生的约束数目AxyO1(xA, yA)1S12BS2nn1个约束个约束C3124ABDE试计算平面四杆组的自由度试计算平面四杆组的自由度 CBD23A14计算平面四杆机构的自由度计算平面四杆机构的自由度 123ABC计算平面三杆组的自由度计算平面三杆组的自由度 BCD23E4A15计算平面五杆组机构的自由度计算平面五杆组机构的自由度 1.3.2 计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项AFECBD312456同轴线双支承同轴线双支承34215325ABO114yxC图图1.3F

11、2二二 维维 动动 画画1.3F2AGEFDCB76H43211K5图图1.3F4两两1.3F4 E2E1321A141A2B1B25321A141A2B1B21.3F6 B224433二二 维维 动动 画画BO11O3CA645322B2P12A2 图图1.18 所示的两构件所示的两构件1、2均作平面运动，在任一瞬时的均作平面运动，在任一瞬时的相对运动都可以看作是绕平面相对运动都可以看作是绕平面上某一点的相对转动，而该点上某一点的相对转动，而该点则称为它们的速度瞬心，简称则称为它们的速度瞬心，简称为瞬心，以为瞬心，以P12 表示表示。(1) 速度瞬心与位置速度瞬心与位置图图1.18两个构件瞬

12、心的位置两个构件瞬心的位置1.4.1 速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法A2(A1)B2(B1)P12VA2A1211VB2B12B2P12A2瞬心是两构件上相对速瞬心是两构件上相对速度为零的点，或者说是两构度为零的点，或者说是两构件上绝对速度相等的点。若件上绝对速度相等的点。若在该瞬心的绝对速度为零，在该瞬心的绝对速度为零，则称为则称为绝对瞬心绝对瞬心。若不为零，则称为若不为零，则称为相对瞬心。相对瞬心。A2(A1)B2(B1)P12VA2A1211VB2B1(1) 速度瞬心与位置速度瞬心与位置1.4.1 速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法图图1.18两个构件瞬心的位置两个构件瞬心的位置 由于每

13、两个构件具有一个瞬心，由于每两个构件具有一个瞬心，所以对于由所以对于由N个构件组个构件组成的机构，其成的机构，其瞬心总数瞬心总数 K N(N1)/2。K N(N1)/2 6(61)/215对于例图，瞬心数目对于例图，瞬心数目K为为二维动画二维动画654321图图1.4F1一种平面六杆机构一种平面六杆机构1.4.2 速度瞬心的数目速度瞬心的数目(b) 以移动副相连的两构件，如以移动副相连的两构件，如图图1.19(b) 所示，由于在平面任一点处两构所示，由于在平面任一点处两构件相对运动的速度方向均平行于移动副导路件相对运动的速度方向均平行于移动副导路 ，所以，所以，P12 一定位于无穷远。一定位于

14、无穷远。(a) 以转动副相连的两构件，如以转动副相连的两构件，如图图1.19(a)所示，其瞬心在转动副的中心上。所示，其瞬心在转动副的中心上。图图1.19 运动副瞬心的位置运动副瞬心的位置12P12(a) 转动副转动副12P12(b) 移动副移动副V121.4.3 速度瞬心与运动副的关系速度瞬心与运动副的关系(c) 以平面高副相连的两以平面高副相连的两构件，如构件，如图图1.19(c )所示，若所示，若高副两元素之间为纯滚动，高副两元素之间为纯滚动，则两元素的接触点则两元素的接触点M即为瞬心即为瞬心P12。(c) 纯滚动高副纯滚动高副MP122112图图1.19 运动副瞬心的位置运动副瞬心的位

15、置 (d) 若高副两元素间既有若高副两元素间既有相对滚动相对滚动12，又有相对滑动，又有相对滑动V12，则瞬心则瞬心P12必定位于高副必定位于高副过接触点的公法线过接触点的公法线nn上，如上，如图图1.19(d )所示，具体位置需要所示，具体位置需要根据其他条件来确定。根据其他条件来确定。(d) 非纯滚动高副非纯滚动高副P12Mnn12VM1M212tt1.4.3 速度瞬心与运动副的关系速度瞬心与运动副的关系所谓所谓三心定理三心定理是指三个彼此作平面相对运动的构件的三个瞬是指三个彼此作平面相对运动的构件的三个瞬心必定位于同一直线上。心必定位于同一直线上。不直接通过运动副相连接的两构件的瞬心位置

16、由三心定理予不直接通过运动副相连接的两构件的瞬心位置由三心定理予以确定。以确定。VC3P13331VC2KP1222图图1.20 瞬心的位置与三心定理瞬心的位置与三心定理只有只有C在在P12、P13的连线的连线上，上，VC2与与VC3才能方向相同才能方向相同，当位置合适，当位置合适， VC2与与VC3 大小一样，为此。平面相对大小一样，为此。平面相对运动的构件的三个瞬心必定运动的构件的三个瞬心必定位于同一直线上。位于同一直线上。曲柄摇杆瞬心曲柄摇杆瞬心速度解解：P13 是相对速度瞬心，即是构是相对速度瞬心，即是构件件1、3上具有同一速度的重合点，所以有上具有同一速度的重合点，所以有图图 1.21为铰链四杆机构，已知原动件为铰链四杆机构，已知原动件1以角速度以角速度1 顺时针顺时针方向回转，求从动件方向回转，求从动件2、3的角速度的角速度2 、3 。根据瞬心根据瞬心 P13 、 P12的速度方向可知，构的速度方向可知，构件件3 的旋转方向为的旋转方向为顺时针、顺时针、构件构件2为为逆时针逆时针。图图1.21 铰链四杆机铰链四杆机构与速度瞬心构与速度瞬心P13P241 P13P14 L=3