机械传动机构设计

机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成新机械的各种机构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形——机构运动简图。

机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。

机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。

功用：

1. 现有机械分析

2. 新机械总体方案的设计 机构简图的绘制步骤：

1. 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；

2. 沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；

3. 适当地选择运动简图的视图平面；

4. 选择适当比例尺(=实际尺寸(m)/图示长度(mm))，用机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。

2.3机构自由度的计算及具有确定运动的条件

1. 机构自由度的概念： 机构的独立运动数称为机构的自由度。 2. 平面机构自由度的计算

机构的自由度取决于活动构件的数目、联接各构件的运动副的类型和数目。 （1〕平面机构自由度计算的一般公式 设一个平面机构中共有n个活动构件，在用运动副将所有构件联接起来前，这些活动构件具有3n个自由度。

当用ph个高副、pl个低副联接成运动链后，这些运动副共引入了2pl?ph个约束。由于每引入一个约束构件就失去了一个自由度，故整个机构相对于机架的自由度数为

F?3n?2pl?ph （1.1）

该式称为平面机构的结构公式。 3．计算平面机构自由度的注意事项 (1)复合铰链 定义：两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为复合铰链。 解决问题的方法：若有K个构件在同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（K-1）个

(2)局部自由度

定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。

局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。

解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。 (3)虚约束

在特定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他运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。 虚约束经常发生的场合：

a.两构件之间构成多个运动副时；

b.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时； c.联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时； d.机构中对运动不起作用的对称部分。

a) b) c) d)

机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。

采用虚约束是为了改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要。

4．机构具有确定运动的条件：机构的自由度数等于机构的原动件数。

【学习指导】

本节的难点是正确判别机构中的虚约束。在学习时应首先搞清楚虚约束的概念，掌握机构中存在虚约束的特定几何条件，以便计算机构自由度时，能正确判定出机构中的虚约束。同时应注意虚约束在特定的几何条件破坏后将成为实际约束。

复合铰链与局部自由度比较简单，学习时应在基本概念清楚的基础上，搞清复合铰链与局部自由度发生的场合，并采取相应的解决方法。

2.4 平面机构的组成原理分析 1.平面机构的组成原理

任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。

杆组：自由度为零的从动件系统。

基本杆组：不可再分的自由度为零的构件组合称为基本杆组，简称基本组。 杆组的结构式为：3n?2pl

机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等。

在进行新机械方案设计时，可以按设计要求根据机构的组成原理，创新设计新机构。 在设计中必须遵循的原则：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副的数目越少越好。

2．平面机构的结构分析

对已有机构或已设计完的机构进行运动分析和力分析时，首先需要对机构进行结构分析，即将机构分解为基本杆组、原动件和机架，结构分析的过程与由杆组依次组成机构的过程正好相反。通常称此过程为拆杆组。

拆杆组时应遵循的原则：从传动关系离原动件最远的部分开始试拆；每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的机构；试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组。

3．平面机构的高副低代法

目的：为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的平面机构。

概念：用低副代替高副

方法：用含两个低副的虚拟构件代替高副 高副低代必须满足的条件： 1.替代前后机构自由度不变 2.替代瞬时速度加速度不变

对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。经高副低代后的平面机构，可视为平面低副机构。

第三章 平面机构的运动分析和力分析

基本要求：

1．掌握速度瞬心的概念，平面机构速度瞬心的数目及确定方法，学会用速度瞬心法对现有机构进行速度分析；

2．掌握用相对运动图解法对机构进行速度分析的方法； 3．掌握机构运动分析的复数矢量法，了解矩陈法；

4．掌握平面机构力分析中的动态静力分析法，能够对给出机构用解析法建模并进行机构运动分析和力分析。

教学内容:

1．机构速度分析的瞬心法；

2．机构运动分析的相对运动图解法； 3．机构运动分析的解析法； 4．平面机构的力分析。

3.1 机构速度分析的瞬心法

1．速度瞬心的概念

定义：当两构件（即两刚体）1，2作平面相对运动时（如图示），在任一瞬时，都可以认为它们是绕某一重合点作相对转动，而该重合点则称为瞬时速度中心，简称瞬心，以P12（或P21表示)。瞬心是相对运动两构件上相对速度为零的重合点。

瞬心法是利用机构的瞬时速度中心来求解机构的运动问题的。瞬心分绝对瞬心和相对瞬心，前者是指等速重合点的绝对速度为零；后者是指等速重合点的绝对速度不为零。

任意两个构件无论它们是否直接形成运动副都存在一个瞬心。故若机构全部构件数为 n，则共有N =n(n-1)/2个瞬心。 2．求瞬心的方法

求瞬心的方法有两种：通过直接观察和利用三心定理。

三心定理：作平面运动的三个构件的三个瞬心位于同一条直线上。

利用瞬心法可以进行某一瞬时构件的角速度之比、构件的角速度和构件上某点的速度分析。进行运动分析时不受机构级别的限制，当所求构件与已知构件相隔若干构件时，也可直接求得。在用瞬心法进行速度分析时，需要用哪个瞬心找哪个瞬心，不必找出所有瞬心后求解。在机构构件数较少的情况下，利用瞬心法对机构进行速度分析不失为一种简洁的方法。

3．2机构运动分析的相对运动图解法

基本原理是理论力学中的运动学理论：刚体的平面运动可认为是随基点的平动和绕基点的相对转动的合成；重合点的绝对运动可认为是动系的牵连运动和动点相对动系相对运动的合成。

1．同一构件上各点的速度和加速度分析

以铰链四杆机构为例，介绍速度图、加速度图的绘制方法。p为速度图的极点，它代表机构上所有绝对速度为零的点。过点p向外的矢量代表绝对速度，不通过点p的矢量代表相对速度。当已知一构件上两点的速度时，该构件上其它任意点的速度均可用速度影像的原理求出。?为加速度图的极点，它代表机构上所有绝对加速度为零的点。由点?向外的矢量代表绝对加速度，不通过点?的矢量代表相对加速度。当已知一构件上两点的加速度时，该构件上任意其它点的加速度均可用加速度影像的原理求出。注意：速度影像和加速度影像的原理只能应用于同一构件上的各点。

2．组成移动副两构件重合点的速度和加速度分析

以导杆机构为例，介绍有移动副的机构的运动分析方法。其重点是列出矢量方程，必须正确判断各矢量的方向，难点是科氏加速度的确定，分别以导杆机构和正弦机构为例，使学生了解科氏加速度存在的场合，并注意方向的判断。

3．3机构运动分析的解析法

1． 以铰链四杆机构为例，介绍复数矢量法，重点掌握建模方法，矢量方程的建立方法。

2．以曲柄摇块机构为例，介绍有移动副的机构的复数矢量法。

3．4 平面机构的力分析

1．简单介绍机械上作用的力及惯性力的求解方法。

2．以六杆机构为例，简单介绍动态静力分析的图解法。重点是机构的拆组方法及绘力多边形的方法。

3．简介动态静力分析的解析法，为课程设计打下基础。