《机械基础》绪论及自由度计算.ppt

机机 械械 基基 础础机 械 基 础主讲：蒋桂芝电话：[phone] 绪绪 论论机器的组成及机器中常用的机构和零件课程研究的内容性质和任务机机 械械 基基 础础课程的特点与学习方法本课程研究的主要内容、性质和任务Copyright2007-Allrightsreserved.版权所有：郑州职业技术学院-机械设计基础精品课程请输入查询的字符串：标题查询内容查询发布时间：2009-10-15被阅览数：49次来源：郑州职业技术学院-机械设计基础精品课程打印本页|关闭窗口Copyright2007-Allrightsreserved.版权所有：郑州职业技术学院-机械设计基础精品课程请输入查询的字符串：标题查询内容查询发布时间：2009-10-15被阅览数：49次来源：郑州职业技术学院-机械设计基础精品课程打印本页|关闭窗口课程的性质本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、金属工艺学、机械制图、公差配合等先修课程知识，分析常用机构及通用零部件的构成和使用问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各类机械所具有的共性问题，在汽车类专业课程体系中占有重要位置。本课程研究的主要内容 1.1.平面连杆机构、凸轮机构等的组成、原理和运动分析平面连杆机构、凸轮机构等的组成、原理和运动分析;2.2.各种联接零件（如螺纹联接、键、销联接等）的类型及各种联接零件（如螺纹联接、键、销联接等）的类型及作用作用;3.3.各种传动（如齿轮传动、带传动和链传动等）的组各种传动（如齿轮传动、带传动和链传动等）的组 成、原理、运动分析和参数计算选择成、原理、运动分析和参数计算选择;4.4.轴系零件（如轴、轴承、联轴器等）的功用和使用要求轴系零件（如轴、轴承、联轴器等）的功用和使用要求;5.5.液压传动、液力传动、气压传动。液压传动、液力传动、气压传动。课程的任务 1.了解常用机构的工作原理，运动特性及机械设计的基本方法。2.掌握通用零件的工作原理、选用和维护等方面的知识。3.培养初步具有运用标准手册，查阅相关技术资料能力，具有通用零件的参数选择和计算能力。4.通过本课程的学习为后续专业课程打好基础。课程的特点与学习方法特点：各章内容联系不紧，显得零乱不系统各章内容联系不紧，显得零乱不系统学习方法：勤奋勤奋要学好本课，您不必很聪明，但必须足够勤奋。注意方法注意方法 注意课程中解决问题的途径和方法，联想它用，举反三。带着问题学、勤思多练多交流带着问题学、勤思多练多交流 能向他人“言传”而不仅仅是自己“意会”的知识才是真正掌握的知识。机械机械 是人类进行生是人类进行生产产劳动劳动的主要工具，的主要工具，也是社会也是社会生产生产力发展力发展水平的重要水平的重要标志标志。一、机器和机构一、机器和机构1.机器机器牛头刨牛头刨 床床 内燃机内燃机照相机齿轮机构凸轮机构棘轮机构两个机器实例：1.内燃机功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器组成：气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮9机器的组成及机器中常用的机构和零件机器的组成及机器中常用的机构和零件活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动 活塞上行，排气阀打开，排出废气工作过程：气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮92.颚式破碎机功用：压碎物料组成：见右图大带轮大带轮4电动机电动机1V带带3小带轮小带轮2轴板轴板7定颚板定颚板8动颚板动颚板6偏心轴偏心轴5机器的组成及机器中常用的机构和零件电动机带传动偏心轴转动动颚板摆动，与定颚板一起压碎物料工作过程：机器的组成及机器中常用的机构和零件原动机部分传动部分执行部分控制系统辅助系统：例如：润滑、照明、显示等机器的组成及机器中常用的机构和零件原动机转换其他形式能量为机械能的机器。工作机利用机械能去变换或传递能量、物料等的机器。机器的共同特征（1）都是人为的各种实体的组合；（2）组成机器的各种实体间具有确定的相对运动；（3）能完成有用的机械功或转换机械能，代替或减轻人的劳动。凡具备上述三个特征的实物组合就称为机器 机器：执行机械运动，用以变换或传递能量、物料或信息。如：牛头刨床实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机转换能量 机械手传递物料 照相机传递信息 机器的组成及机器中常用的机构和零件 机构：具有确定相对运动的各种实体的组合。作用：执行机械运动。如：齿轮机构传递运动 凸轮机构转换运动 机械：机器和机构的总称。机器的组成及机器中常用的机构和零件 构件：组成机器和机构的各个相对运动的实体。是运动的单元。如：单一零件曲轴多个零件的刚性组合连杆机器的组成及机器中常用的机构和零件主动件 从动件通用零件：在各类机械中常见的零件。专用零件：在专用机械中特有的零件。例如：齿轮、轴、螺栓、键、花键、销；等 例如：曲轴、活塞等。部件：若干个零件的装配体。例如：滚动轴承、减速器等。机器的组成及机器中常用的机构和零件零件：制造的单元。零件可分为两类：第二章平面机构的运动简图及自由度分析机构或设计机构时，工程上常用规定的简单符号和线条，绘制出机构运动简图，来表示机构的运动关系。如何绘制机构运动简图，也是本章要讨论的内容。机构是由若干构件组合而成的，但是若干构件不机构是由若干构件组合而成的，但是若干构件不一定能组成机构。一定能组成机构。一：运动副运动副运动副两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接。两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接。根据两构件的接触性质，平面机构中的运动副可分为：根据两构件的接触性质，平面机构中的运动副可分为：1）低副）低副两构件为面接触。可分为两构件为面接触。可分为转动副转动副和和移动副移动副。第一节机构的组成运动副及其分类二：运动副分类1：平面运动副机械中还经常用到两种空间运动副：机械中还经常用到两种空间运动副：球面副球面副和和螺旋副螺旋副。2）高副高副两构件为点或线接触。两构件为点或线接触。2：空间运动副1 1：机构中的构件的分类：机构中的构件的分类：机构中的构件可分为三类：机构中的构件可分为三类：（）固定件或机架（）固定件或机架用来支撑活动构件的构件。研究机构中活动构件的用来支撑活动构件的构件。研究机构中活动构件的 运动时，常以固定件作为参考坐标系。运动时，常以固定件作为参考坐标系。（）原动件（）原动件运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，故运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，故 又称为输入构件。又称为输入构件。（）从动件（）从动件机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。其中输机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。其中输 出机构为预期运动的从动件称为输出构件，其他从动件则起传递运动的作用。出机构为预期运动的从动件称为输出构件，其他从动件则起传递运动的作用。在一般的运动简图的绘制中，必有一个构件被相对地看作固定件，在活动构在一般的运动简图的绘制中，必有一个构件被相对地看作固定件，在活动构 件中，必须有一个或几个原动件，其余的是从动件。两构件组成高副时，在简图件中，必须有一个或几个原动件，其余的是从动件。两构件组成高副时，在简图 中应该画出两构件接触处的曲线轮廓。中应该画出两构件接触处的曲线轮廓。第二节平面机构运动简图 自由度和约束的概念自由度和约束的概念自由度和约束的概念自由度和约束的概念 自由度自由度自由度自由度 运动构件相对于参考系所具有的运动构件相对于参考系所具有的 独立运动的数目，称为独立运动的数目，称为构件的自由度构件的自由度构件的自由度构件的自由度。一个作平面运动的自由构件具有三个自一个作平面运动的自由构件具有三个自 由度。由度。约束约束约束约束 对于相对运动所加的限制称为对于相对运动所加的限制称为约束约束约束约束。运动副约束数目和约运动副约束数目和约束特点取决于运动副是低副还是高副束特点取决于运动副是低副还是高副.第三节第三节第三节第三节 平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算自由构件的自由度 运动副引入的约束不同，所以保留运动副引入的约束不同，所以保留的自由度也不同。的自由度也不同。低副低副（）移动副如图所示移动副，（）移动副如图所示移动副，约束了沿一个坐标轴方向的移动和约束了沿一个坐标轴方向的移动和一个在平面内的转动共两个自由度，一个在平面内的转动共两个自由度，只保留沿另一个坐标轴方向移动的只保留沿另一个坐标轴方向移动的自由度。自由度。（）回转副如图所示回转副，（）回转副如图所示回转副，约束了沿两个坐标轴移动的自由度，约束了沿两个坐标轴移动的自由度，只保留一个转动的自由度。只保留一个转动的自由度。高副高副 如图所示，只约束了沿接触处公法如图所示，只约束了沿接触处公法线方向移动的自由度，保留线方向移动的自由度，保留 绕接触处的转动和沿接触处公切线绕接触处的转动和沿接触处公切线方向移动的两个自由度。方向移动的两个自由度。一、平面机构自由度计算公式结论：在平面机构中，每个低副引入两个约束，使机构失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使机构失去一个自由度。如果一个平面机构中包含有个活动构件，其中有个低副和个高副。则这些活动构件在未用运动副连接之前，其自由度总数为。当用个低副和个高副连接成机构之后，全部运动副所引入的约束为。因此活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数，就是该机构的自由度数，用表示，有：2：机构运动简图 用规定的线条和符号(常用构件和运动副的简图符号见表:2-1教材P10页）表示构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间运动关系的简单图形，称为机构运动简图机构运动简图。不严格按比例绘制的机构运动简图称为机构示意图机构示意图。例例1 1：绘制如图所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。例例例例 2 2 2 2 绘制如图所示单缸内燃机的机构运动简图。绘制如图所示单缸内燃机的机构运动简图。二、机构具有确定运动的条件二、机构具有确定运动的条件 机构的自由度也即是机构所具有的独立运动的个数。由前所述可知，从动件是不能独机构的自由度也即是机构所具有的独立运动的个数。由前所述可知，从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动。通常每个原动件只具有一个独立运动，因此，立运动的，只有原动件才能独立运动。通常每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由度必定与原动件的数目相等，即为平面机构具有确定运动的条件。机构自由度必定与原动件的数目相等，即为平面机构具有确定运动的条件。如图所示的五杆机构中，原动件数等于，两构件自由度如图所示的五杆机构中，原动件数等于，两构件自由度 。由。由于原动件数小于，显然，当只给定原动件的位置角于原动件数小于，显然，当只给定原动件的位置角 时，从动件、的时，从动件、的位置既可为实线位置，也可为虚线所处的位置，因此其运动是位置既可为实线位置，也可为虚线所处的位置，因此其运动是:不确定的。只有给出两不确定的。只有给出两个原动件，使构件、都处于给定位置，才能使从动件获得确定运动。个原动件，使构件、都处于给定位置，才能使从动件获得确定运动。如图所示四杆机构中，由于原动件数为大于机构自由度数如图所示四杆机构中，由于原动件数为大于机构自由度数 ，因此原动件和原动件不可能同时按图中给定方式运动。因此原动件和原动件不可能同时按图中给定方式运动。综上所述，机构具有确定运动的条件是：机构自由度必须大于零、且原动件数与其自由度数必须相等。三、计算平面机构自由度的注意事项三、计算平面机构自由度的注意事项复合铰链复合铰链若两个以上的构件同时在一处用回转副相联，则该联若两个以上的构件同时在一处用回转副相联，则该联接即为复合铰链，如图所示（接即为复合铰链，如图所示（a a）为三个构件在处构）为三个构件在处构成复合铰链。由其侧视图（）成复合铰链。由其侧视图（）可知，此三构件共组可知，此三构件共组成两个共轴线转动副。当由个构件组成复合铰链时，成两个共轴线转动副。当由个构件组成复合铰链时，则应当组成（）个共轴线转动副。则应当组成（）个共轴线转动副。局部自由度局部自由度局部自由度局部自由度 机构中常出现一种与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度或多余机构中常出现一种与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度或多余自由度。在计算机构自由度时，可预先排除。如图（）自由度。在计算机构自由度时，可预先排除。如图（）所示的平面凸轮所示的平面凸轮机构中，为了减少高副接触处的磨损，在从动件上安装一个滚子，使其机构中，为了减少高副接触处的磨损，在从动件上安装一个滚子，使其与凸轮轮廓线滚动接触。显然，滚子绕其自身轴线转动与否并不影响凸轮与凸轮轮廓线滚动接触。显然，滚子绕其自身轴线转动与否并不影响凸轮与从动件间的相对运动，因此，滚子绕其自身轴线的转动为机构的局部自与从动件间的相对运动，因此，滚子绕其自身轴线的转动为机构的局部自由度，在计算机构的自由度时，应预先将转动副除去不计，或如图由度，在计算机构的自由度时，应预先将转动副除去不计，或如图（）（）所示，设想将滚子与从动件固联在一起作为一个构件来考所示，设想将滚子与从动件固联在一起作为一个构件来考虑。这样在机构中，虑。这样在机构中，其自由度为，其自由度为 。即，此凸轮机构中只有一个自。即，此凸轮机构中只有一个自由度。由度。虚约束虚约束 在运动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响是重复的。这些对机在运动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响是重复的。这些对机构运动不起限制作用的重复约束，称为消极约束或虚约束，在计算机构自由构运动不起限制作用的重复约束，称为消极约束或虚约束，在计算机构自由度时，应当除去不计。度时，应当除去不计。平面机构中的虚约束常出现在下列场合：（）两个构件之间组成多个导路平行的移动副时，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。如图所示，缝纫机引线机构中，装针杆在、处分别与机架组成导路重合的移动副。计算机构自由度时只能算一个移动副，另一个为虚约束。（）两个构件之间组成（）两个构件之间组成多个轴线重合的回转副时，多个轴线重合的回转副时，只有一个回转副起作用，只有一个回转副起作用，其余都是虚约束。如图所其余都是虚约束。如图所示，两个轴承支撑一根轴，示，两个轴承支撑一根轴，只能看作一个回转副。只能看作一个回转副。如图所示的机车车轮联动机构中，在计算机车车轮联如图所示的机车车轮联动机构中，在计算机车车轮联动机构的自由度时应将动机构的自由度时应将E E点连接约束除去不计，即点连接约束除去不计，即 F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=33-23-24-0=14-0=1 机车车轮联动机构中的虚约束机车车轮联动机构中的虚约束（）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分，（）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分，也为虚约束。如图所示的轮系中，中心轮经过两个对称布也为虚约束。如图所示的轮系中，中心轮经过两个对称布置的小齿轮和置的小齿轮和 驱动内齿轮，其中有一个小齿轮对驱动内齿轮，其中有一个小齿轮对传递运动不起独立作用。但由于第二个小齿轮的加入，使传递运动不起独立作用。但由于第二个小齿轮的加入，使机构增加了一个虚约束。应当注意，对于虚约束，从机构机构增加了一个虚约束。应当注意，对于虚约束，从机构的运动观点来看是多余的，但从增强构件刚度，改善机构的运动观点来看是多余的，但从增强构件刚度，改善机构受力状况等方面来看，都是必须的。受力状况等方面来看，都是必须的。综上所述，在计算平面机构自由度时，必须考虑是否存在复合铰链，并应将局部自由度和虚约束除去不计，才能得到正确的结果。例例3 3试计算图中，发动机配气机构的自由度。试计算图中，发动机配气机构的自由度。解：此机构中，为导路重合的两移动副，其中一个是虚约束；处的滚子为局部自由度。除去虚约束及局部自由度后，该机构则有；。其自由度为：例例2-42-4试计算图（）试计算图（）所示的大筛机构的自由度，并判断所示的大筛机构的自由度，并判断它是否有确定的运动。它是否有确定的运动。解：机构中的滚子有一个局部自由度。顶杆与机架在和组成两个导路平行的移动副，其中之一为虚约束。处是复合铰链。今将滚子与顶杆焊成一体，去掉移动副，并在点注明回转副的个数，如图（）所示，由此得，。其自由度为：因为机构有两个原动件，其自由度等于，所以具有确定的运动。