2机构的自由度
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第2章平面机构运动简图及机构自由度的计算机构由构件组成,各构件之间具有确定的相对运动。
然而,把构件任意拼凑起来不一定能运动;即使能够运动,也不一定具有确定的相对运动。
那么构件应如何组合才能运动?在什么条件下才具有确定的相对运动?这对分析现有机构或创新机构很重要。
所有构件的运动平面都相互平行的机构称为平面机构,否则称为空间机构。
本章仅讨论平面机构的情况,因为在生活和生产中,平面机构应用最多。
2.1 运动副2.1.1运动副分类机构由若干个相互连接起来的构件组成。
机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接,称为运动副。
例如轴与轴承之间的连接,活塞与汽缸之间的连接,凸轮与推杆之间的连接,两齿轮的齿和齿之间的连接等。
2.1.2运动副的分类在平面运动副中,两构件之间的直接接触有三种情况:点接触、线接触和面接触。
按照接触特性,通常把运动副分为低副和高副两类。
1.低副两构件通过面接触..。
根据两构件间的相对运动形式,低副又分为...构成的运动副称为低副移动副和转动副。
当两构件间的相对运动为移动时,称为移动副,如图2.1所示;两构件间的相对运动为转动时,称为转动副或称为铰链副,如图2.2所示。
图2.1 移动副图2.2 转动副2.高副两构件通过点或线接触.....构成的运动副称为高副..。
如图2.3所示,凸轮1与尖顶推杆2之间为点接触,构成高副;图2.4所示的两齿轮的轮齿啮合处是线接触,也构成高副。
图2.3 凸轮高副图2.4 齿轮高副低副因通过面接触而构成运动副,故其接触处的压强小,承载能力大,耐磨损,寿命长,且因其形状简单,所以容易制造。
低副的两构件之间只能作相对滑动;而高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动,或两者并存。
2.2 机构运动简图实际构件的外形和结构往往很复杂,在研究机构运动时,为了突出与运动有关的因素,将那些无关的因素删减掉,保留与运动有关的外形,用规定的符号来代表构件和运动副,并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。
1.4 平面机构自由度计算
运动链:若干个构件和运动副所连接成的可动系统。
机构:在运动链中,如果将某一个构件加以固定,而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时,如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动,则此运动链称为机构。
机构是具有确定运动的运动链。
机架
原动件从动件
在运动链中,将某一个构件加以固定,而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时,如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动,则此运动链成为机构。
并非任何一个运动链都具有确定的运动
可能的情况
具有确定的相对运动
无相对运动
相对运动不确定
1.4.1 机构自由度的计算
自由度:构件所具有的独立运动的数目,或确定构件位置所需的独立变量的数目
自由构件(空间):F = 6
自由构件(平面):F = 3
约束:运动副对构件独立运动所加的限制
自由度数------构件所具有的独立运动的数目称自由度。
A B q 作平面运动的刚体有三个自由度x A
y A (三个坐标参数才能确定其位置)
低副的引入减
少两个自由度
x
q
高副的引入减少一个自由度
沿法线方向不能运动
)
(x
f
y
机构的自由度数F(需要F 个坐标参数才能确定机构中所有构件的位置)。
L h
32F n P P =--活动构件数目低副数目高副数目
机构的自由度数F
应等于机构的原动件数h
l 23P P n F --=活动构件数目低副数目高副数目
1.4.2 机构具有确定运动的条件:
运动链中取一个构件相对固定作为机架,运动链相对于机架的自由度必须大于零,且原动件数目等于运动链自由度数。
满足此条件的运动链即成为机构,机构自由度的计算可采用运动链自由度的计算公式。
“机构”的定义:在运动链中,将某一个构件加以固定,而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时,如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动,则此运动链成为机构。
q
q2 q
q3
q2 q
q
运动链成为机构的条件
运动链的自由度F= ?
运动链的运动情况如何?
F= 3×4 -2×5 = 2
1 个原动件
> 0,但原动件数目小于自由度数目,运动链运动不确定,不能成为机构。
F= 3×3 -2×4 = 1
2 个原动件
> 0,但原动件数目大
于自由度数目,运动链
被破坏,不能成为机构。
如何修改?
如何修改?
增加一个构件和一个低副使自由度加1,但应注意:不要形成固定机架
低副改为高副可增加一个自由度
双曲线画规机构
牛
头
刨
床
机
构1
7
2
5
3
2
3
h
l
=
-
⨯
-
⨯
=
-
-
=P
P
n
F
1
1
8
2
6
3
2
3
h
l
=
-
⨯
-
⨯
=
-
-
=P
P
n
F
例题
1.4.3
局部自由度
定义——在某些机构中,不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度。
处理办法——把滚子固化在支承滚子的构件上。
复合铰链
定义——两个以上的构件在同一处以转动副联接,则构成复合铰链。
处理办法——m个构件在同一处构成转动副,实际转动副
数目为(m-1)个。
N-1个转动副
计算机构自由度时应注意的问题
复合铰链
两个以上的构件在同一处以转动副
联接所构成的运动副。
解决方案
k个构件在同一处构成复合铰链,
实际上构成了( k-1 ) 个转动副。
F= 3×5 -2×7 = 1
3D m F E'
5
6C 4m
728
1A E 1
几种典型复合铰链
虚约束
定义——对机构运动实际上不起限制作用的重复约束。
处理办法——将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的
运动副去掉不计。
自由度为何不同??
虚约束
在特定的几何条件或结构条件下,某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。
这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。
平行移动副和同轴转动副
两个构件之间形成多个运动副
F= 3×1 -2×2 = -1
解决方案
计算机构自由度时,不考虑虚约束的作用,认为
两个构件之间只形成一个运动副
F= 3×1 -2×1 = 1
两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副
公法线平行的高副
等宽凸轮机构等径凸轮机构
两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变
AB CD AF DE
点E 、F距离在运动过程中始终不变
5
E F
F= 3×1 -2×2 = -1
A B
杆式联轴器。