第一二章绪论结构分析.docx

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第一二章绪论结构分析

课程名称：

《机械原理》第1讲次

授课题目

第一章绪论

1-1本课程研究的对象及内容

1-2本课程的性质、学习目的、任务及要求

1-3机械原理学科的发展趋势

第二章机构的结构分析

2-1机构的结构分析的内容和目的

2-2机构的组成

本课授课学时为52学时，另外作2个或3个实验，最后有一周的课程设计。

参考书目很多

本讲目的要求及重点难点：

[目的要求]通过本讲课的学习，要弄清楚“学什么”、“为什么学”、“如何学”等问题，掌握组成机构的构件和运动副等概念

[重点]机构、机器、机械、构件、零件等概念，运动副的定义、分类和约束特点

[难点]构件、运动副

内容

[本讲课程的内容]

第一章绪论

1-1本课程研究的对象及内容

顾名思义，本课程的研究对象就是“机械”，主要内容是关于机械的一些基本理论和设计方法。

那么，什么是“机械”呢？

一、机构、机器和机械

机械：

是机构和机器的总称。

机器：

根据某种使用要求而设计的一种用于执行机械运动的装置。

主要用于变换或传递能量、物料、信息等。

组成：

活塞连杆曲轴

气缸体凸轮进气阀排气阀

小齿轮大齿轮

这里，曲柄滑块机构将活塞的移动⇒曲柄的转动，齿轮机构改变转速和转向，凸轮机构将凸轮的转动⇒推杆的往复移动。

图1-1

内燃机是由若干个机构组成的。

内容

机构：

是由若干构件组成的具有确定相对运动的系统，起着运动的传递和运动形式转换的作用。

常见的机构有齿轮机构，凸轮机构，平面连杆机构等。

讲：

连杆的结构、曲轴的结构，说明构件和零件

构件：

运动的单元体（由一个或多个零件刚性的连接在一起，运动时不分开）

零件：

制造的单元体，各种机械中普遍使用的零件称为通用零件。

小至螺钉、螺母，大至机床床身、齿轮等。

机器按动作的先后及所起作用分为：

原动机如：

电动机，内燃机，液压缸等

工作机如：

运输机，纺织机等

传动装置如：

减速器皮带传动等

有的机器还含有控制部分

机构中的构件按动作的先后及所起作用分为：

原动件：

输入件，主动件，常在其上标有反映其运动形式的箭头

机架：

相对不动的构件，任何机构都含有一个机架

从动件：

随从原动件而运动的构件。

二、本课程的主要内容

主要包括：

（一）常用机构的分析

1．结构分析

2．运动分析

3．动力分析：

机械效率、自锁，速度波动及其调节方法，机构的平衡

（二）常用机构的综合

1．平面连杆机构

2．凸轮机构

3．齿轮机构

4．齿轮系

5．间歇运动机构

构件和零件的关系

机器和机构的关系

内容

1-2本课程的性质、学习目的、任务及要求

课程的性质和重要性：

机械原理是机械类各专业必修的一门主干技术基础课，与现场联系较紧密，是考研的主要考试科目之一。

主要的先修课：

工程制图、金属工艺学、理论力学和材料力学、互换性与技术测量、工程数学和算法语言。

后续课程：

机械设计、机械制造工艺学、机床、夹具、机械创新设计等。

学习任务：

1．具有初步拟定简单机械系统传动方案的能力

2．掌握机构的结构、运动特性和机械动力学的基本知识，具有分析和设计简单机构的能力。

要求：

独立完成作业，及时复习，多动脑，多思考

1-3　机械原理学科的发展趋势

本学科的发展动态：

1．新型机构

自动化水平的不断提高，需要不断创造一些新型机构，从而使机构学得到迅速的发展。

如：

多杆多自由度的平面机构，各种组合机构，包括含有挠性构件的组合机构和空间机构，以及机、电、液一体化的机构等。

2．机械手、机器人等仿生机械

如：

在高温、高压、有毒、有放射性物质的严峻场合下代替人工作的机器人；

北京某军事院校的一些研究生研制的“蛇形机器人”，具有非常高的仿生性，很形象。

蛇体是一段一段的，每一段都由一台小电机带动，产生摆动，蛇体完全靠摆动产生的动力前行。

3．微型机械

如：

无创伤的腹内手术等（切除胆结石）；

沿人体血管壁爬行的机器人，可清楚血管壁上的杂质。

4．概念设计、计算机辅助设计

对新型机构进行分析和设计的需要，机械原理学科近年来发展了许多新的理论和方法，引入了一些数学工具和力学工具，特别是计算机的普及使得计算机辅助设计、分析、优化设计（CAD/CAM/CAI）等日趋成熟。

5．柔性机械系统、弹性机械系统

为适应机械向高速、重载、高精度、高效率、低噪音、机电液一体化和多品种、变化快等方向发展，出现了柔性机械系统、弹性机构、新型齿轮传动机构（抛

内容

物线齿廓，圆形齿廓）等新的研究领域。

同时，各种加工机械更加趋于综合化和自动化。

第二章机构的结构分析

平面机构：

是指各运动构件均在同一平面内或相互平行的平面内运动的机构。

2-1概述

本章研究的主要内容：

1、研究机构运动的可能性和确定性——机构的自由度

2、机构运动简图的画法

3、研究机构的组成原理及结构分类

2-2机构的组成

机构是由若干构件用运动副联接而成的具有相对运动的系统。

这里，要研究运动副、构件、运动链

一、运动副

1．定义

两构件直接接触形成的可动联接。

2、分类及表示方法

图2-1中，轴和轴承，圆柱面接触，相对运动为绕轴线的转动

按二者的相对运动，运动副分为：

1）转动副——两构件之间的相对运动为转动的运动副。

也称铰链或回转副。

图2-2中，滑块和导路，平面接触，相对运动为沿着导路的移动

2）移动副——相对运动为移动的运动副。

图2-3a）中，齿轮轮齿和轮齿，线接触

b）中，球与平面，点接触

c）中，圆柱与平面，线接触

3）螺旋副——螺栓与螺母间的联接

4）球面副——球形铰链

按二者的接触情况，运动副分为：

低副——两构件通过面接触构成的运动副

高副——两构件通过线接触或点接触构成的运动副

按二者的相对运动平面，运动副分为：

平面运动副——两构件间的相对运动为平面运动的运动副，如：

图2-1，2-2

空间运动副——两构件的相对运动为空间运动的运动副。

如：

图2-4螺旋副，图2-5球面副。

3．平面运动副的约束特点

构件的自由度：

构件具有的独立运动的数目。

内容

一个作平面运动的自由构件有三个自由度。

　　当一个构件与其他构件相连时，其相对运动将受到限制，这种限制称为约束。

约束的个数等于自由度减少的数目。

组成转动副的两构件１和２，只剩下一个相对转动，所以，一个转动副引入两个约束。

组成移动副的两构件，１相对２沿Ｙ方向的移动和１相对２的转动被限制，则一个移动副引入两个约束。

图2-6

对高副而言，沿公法线方向的移动被限制，剩下沿切向的移动和绕接触点的相对转动，则一个高副引入一个约束。

结论：

一个平面低副引入两个约束，一个平面高副引入一个约束。

四、运动链

构件通过运动副连接而成的相对可动的系统称为运动链。

。

如图2-6所示，有闭链和开链，一般机构中常用闭链，开链多用于一些多自由度机构，如挖掘机，机械手中。

五、机构

如果将运动链中的一个构件固定为机架，当给定一个或几个原动件时，机构中的其余构件有相对运动，则运动链成为机构。

[本讲小结]今天我们主要讲了

（1）《机械原理》的研究对象及内容；

（2）机器、机构、机械、构件、零件等概念；（3）发展前沿和动态（4）运动副的定义、分类，运动副元素，运动副的约束。

[本讲作业]复习运动副等概念

课程名称：

《机械原理》第2讲次

授课题目

第二章机构的结构分析

2-3平面机构运动简图

2-4、2-5、2-6平面机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件

本讲目的要求及重点难点：

[目的要求]通过本讲课的学习和实践教学，学会机构运动简图的绘制方法，熟练掌握平面机构的自由度计算，掌握机构有确定运动的条件

[重点]机构运动简图的绘制，机构的自由度计算

[难点]机构运动简图的绘制虚约束的判定

内容

[本讲课程的引入]

在设计新机器时，经常用机构运动简图来表达传动方案的设计原理，在现场，经常搞复杂机器的测绘，这些都需要会绘制机构运动简图。

它是工程工具，必须学会。

任意设计的构件组合不一定能动，能动时也不一定具有确定的相对运动，为了研究机构运动的可能性和确定性，必须计算机构的自由度。

[本讲课程的内容]

2-3平面机构运动简图

一、机构运动简图的定义

用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副，按比例定出各运动副的相对位置，这种表明机构中各构件间相对运动关系的简单图形，就是机构运动简图。

一般为平面图形。

二、简图的作用

对现有机械，方便测绘，可清晰地表达出它的传动原理。

设计机械时，可方便地进行方案设计。

它相当于机械工程上的一种工具或语言。

三、简图的画法

机构＝构件＋运动副，因此要绘制机构运动简图，先要掌握构件和运动副的画法。

内容

简图表示法

1、运动副的画法

1）转动副：

当回转轴线垂直纸面时，在回转中心处画一个小圆圈即可。

回转轴线不平行纸面时，见左属第4个图。

2）移动副：

注意移动方向

3）高副：

画出高副接触点处的曲线轮廓，注意曲率中心与构件的实际曲率中心要一致。

2、构件的画法

原则：

忽略构件的外形和截面尺寸，突出特征尺寸。

1）含两个运动副的构件

2）含三副构件

3）特殊构件：

如：

齿轮要用点划线或细实线画出相互啮合齿轮的一对节圆

凸轮、滚子要画出全部轮廓

3、简图的画法

（1）分清机构中的原动件，从动件，机架，点清构件个数；

（2）分清运动副的种类和数目，确定运动副的位置。

（3）选择恰当的比例尺，选择合理的投影平面（多数构件所在的平面）

（4）用规定的线条和符号表示构件和运动副，画图。

例：

绘制图2-8鄂式破碎机的机构运动简图

如左图所示。

机构运动简图一定要画到最简，构件尽量用直线表示，运动副用规定的符号表示。

内容

2-4、2-5、2-6平面机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件

一、平面机构的自由度

机构具有的独立运动的数目，就是机构的自由度。

设机构由N个构件组成（活动件数目n=N-1），其中含有

个低副，

个高副，则机构的自由度

二、机构具有确定运动的条件

通过计算，三角架、铰链四杆机构、铰链五杆机构的自由度分别为0，1，2，我们知道，

Ｆ≤０，说明机构不可动；

Ｆ>０，机构可动

机构具有确定运动的条件是：

Ｆ>０且Ｆ＝原动件个数；

若Ｆ>原动件个数，运动不确定

三、计算机构自由度时应注意的事项

问题的引出：

给出几个机构：

平行四边形机构、静定的五杆机构、尖顶滚子从动件盘形凸轮机构，求它们的自由度。

（一）．正确计算运动副的个数

1、复合铰链

３个以上的构件在一点组成两个以上的转动副，该点为复合铰链。

如图2-14所示。

若

个构件在一点汇交，一定形成（

）个运动副。

2、两构件在多处接触形成多个运动副

（1）两个构件形成多个移动方向彼此平行或重合的移动副，只算一个移动副；

（2）两构件形成多个转动轴线重合的转动副，只算一个转动副。

（3）两构件构成多个接触点处的公法线彼此重合的高副，只算一个高副

（4）两构件构成多个接触点处的公法线不重合的高副，如图2-19，不能算一个，有几个接触点就有几个高副。

（二）局部自由度

局部自由度是对其他构件的运动没有影响的独立运动的自由度。

如：

滚子从动件盘形凸轮机构，滚子焊接在构件２上与否，不影响构件３的输出运动。

即滚子的转动形成了局部自由度。

第4、5、6节的内容都是围绕机构的自由度，包括自由度的意义，自由度的计算及注意事项，因此合起来讲更系统，更易掌握

内容

则：

——局部自由度的个数，常见的就是滚子引起的局部自由度。

（三）虚约束

有时为了提高机构的强度，或者改善受力情况等，可能会出现虚约束。

虚约束常出现在下列几种情况下：

（１）两构件上点的轨迹重合，如平行四边形机构

（２）若两构件上某两点之间的距离始终保持不变，又用双转动副杆将此两点相连，则引入虚约束。

如：

椭圆仪

（３）对运动不起独立作用的对称部分，引入虚约束。

如行星轮系。

，

为虚约束。

（四）虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计

1、虚约束对机构工作性能的影响

虚约束只发生在某些特定的条件下，但是当由于某种原因（制造装配误差等），这些条件不能满足时，则原有的约束就成为实际有效的约束，从而使机构的自由度减少，影响到机构的运动。

如：

平行四边形机构中，各边的长度不互相平行或不互相相等时，机构的装配困难，构件和运动副中的内应力增大，机构运转不灵活。

实际机械中，为改善构件的受力情况，增加机构的刚度等目的，设计时又必须有虚约束。

所以，有虚约束的机构其相关尺寸的制造精度要求很高，而且虚约束的个数越多，制造难度也越大。

故虚约束的多少也是机构性能的一个重要指标。

2、机构结构的合理设计

所谓结构的合理设计是指在不影响机构其他性能的前提下，通过运动副类型的合理选择和配置来尽可能减少虚约束的问题。

在进行机构的结构设计时应合理选择和配置运动副的类型，尽量消除或减少机构中各种虚约束的数目。

[本讲小结]今天我们主要讲了

（1）机构运动简图的绘制；

（2）机构具有确定运动的条件；（3）自由度的计算；（4）计算自由度时的注意事项（5）虚约束对机构工作性能的影响

[本讲作业]2—9，2—8，2—10，2-13，认真复习，熟练掌握平面机构自由度的计算

课程名称：

《机械原理》第3讲次

授课题目

第二章机构的结构分析

2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析

习题讲解

本讲目的要求及重点难点：

[目的要求]通过本讲课的学习，掌握机构的组成原理，会对简单机构进行结构分析

[重点]杆组的概念和种类，机构的结构分析

[难点]复杂机构的结构分析，自由度计算

内容

[本讲课程的引入]

尽管机构千差万别，但是组成机构的杆组是有限的，对杆组的分析已经相当成熟，有现成的运动分析、力分析的子程序，我们研究机构的组成，用这些共性问题来解决个性问题，便于对任意平面机构进行运动分析，力分析等。

[本讲课程的内容]

2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析

一、平面机构的组成原理

机构=机架+原动件+从动件系统

机构有确定运动的条件是：

F=原动件数

而每个原动件只能提供一个独立运动。

所以如果把原动件、机架拆下来后，余下的从动件系统的自由度应为零。

基本杆组——自由度等于零的、不可再拆的从动件系统。

平面机构的组成原理：

任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上而构成的。

（P32）

二、平面机构的结构分析

机构的结构分析只针对低副机构进行，对含有高副的机构，应先将其按一定原则进行高副低代后进行结构分析。

1．机构结构分析的任务：

①把机构拆成原动件、机架和若干杆组

②确定机构的级别—机构中所含有的杆组的最高级别。

2．结构分析的目的：

了解机构的组成，便于进行运动分析，力分析等。

3．杆组的形式和级别

设杆组中含有

个构件；

个低副，其自由度为：

；则推出：

（式中

，

都为正整数）。

即

只能是2的倍数，

只能为3的倍数。

有：

=2，4，6，8等；

=3，6，9，12等。

内容

常见的杆组为：

=2；

=3——2杆3副的Ⅱ级杆组，

其基本形式为：

图2-32

=4，

=6——4杆6副的Ⅲ级杆组或Ⅳ杆组，若其中含有一个三副构件时，为Ⅲ级杆组；当其中含有一个可动的平行四边形时，为Ⅳ级杆组，如图2-33所示：

图2-33

[注意]虽然Ⅲ级杆组和Ⅳ杆组的构件数和低副数都为Ⅱ级杆组的2倍，但Ⅲ级杆组和Ⅳ杆组却不能拆分成两个Ⅱ级杆组。

4、结构分析的方法：

1）除去局部自由度和虚约束，分清原动件（有高副先低代）

2）从离原动件最远的部分开始试拆杆组，一般先拆Ⅱ级杆组，如不能拆，再拆Ⅲ级杆组，直到剩下原动件和机架为止。

拆除的原则是：

杆组的增减不应改变机构的自由度，即拆除杆组后，剩余部分仍能组成完整的机构。

内容

习题课

一、填充题及简答题

1）平面运动副的最大约束数为，最小约束数为。

2）平面机构中若引入一高副将带入个约束，而引入一个低副将带入个约束。

3）机构具有确定运动的条件是什么？

4）何谓复合铰链、局部自由度和虚约束？

5）杆组具有什么特点?

如何确定机构的级别？

选择不同的原动件对机构级别有无影响？

二、计算下图所示机构的自由度，若含有复合铰链、局部自由度、虚约束等特殊情况时必须一一指出。

[本讲小结]本讲课主要讲了：

（1）机构的组成原理

（2）杆组的定义和常见形式

（3）机构结构分析的任务和方法（4）进一步巩固了自由度计算

[本讲课程的作业]2-14，2-20，2-21