简图自由度PPT课件.ppt

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1、1,机械是机器和机构的总称。 机器强调作功或转换能量；机构强调实现确定的运动。 研究机械（机构）的目的 1）对已有机械进行分析，包括结构分析、运动分析和动力分析。 2）对新机械进行设计，包括结构设计、运动设计和动力设计。,机械设计基础机械原理机械零件,2,机械原理： 研究常用机构的组成结构、原理、运动分析和动力分析，以及相应的设计方法。,机械零件： 针对各种常用零部件的工作原理、组成结构及失效形式进行分析；着重针对各失效形式进行材料选择、建立强度计算方法及设计准则、完成优化结构设计。,3,本讲的主要内容 2.5 机构运动简图及平面机构的自由度,先介绍运动副； 然后介绍机构运动简图 最后介绍机构

2、自由度的计算及机构具有确定运动的条件；,4,2.5 机构运动简图及平面机构的自由度,2.5.1 运动副及其分类 运动副：使两构件直接接触并能产生一定的相对运动的联接称为运动副。 从运动学的观点来看,机构是由运动副相联接并具有确定相对运动的若干构件的组合体. 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。,5,6,对运动副的理解要把握以下三点：,例如：,运动副是机械原理中重要的概念之一,7,常见平面运动副的几种类型,1 低副： 两构件通过面接触组成的运动副,（1）转动副 组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动,（2）移动副 组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动,9

3、,平面高副,两构件通过点或线接触组成的运动副,10,空间高副：,球面高副,柱面高副,空间运动副,球面副,螺旋副,圆柱套筒副,12,13,常用运动副、构件和机构的符号,14,运动链：由若干个构件通过运动副联接组成的相对可动系统称为运动链，分为闭式链和开式链。 闭是运动链：组成运动链的每个构件至少包含两个运动副组成首尾相接封闭的系统。,15,机构中构件分三类： 固定构件（机架）用以支撑活动构件的构 件， 必须有一个。 原动件：运动规律已知的构件。（一个几个） 从动件：除机架、原动件以外的其它活动构件。 （其中实现预期运动的从动件为输出构件。） 从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的构成形式

4、（构件数目、运动副的类型和数目、各构件上与运动有关的尺寸，即运动副的相对距离尺寸），而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数及固连方式、运动副的具体结构无关。,16,2.5.2 平面机构运动简图 1.意义和作用 对机构进行运动和动力分析时，常撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，表示机构的组成和传动情况。这种能准确表达出机构运动特性的简明图形，称为机构运动简图.有别于机构示意图！ 作用：1）设计者交流设计思想（讨论分析 评价）的一种共同语言。 2）对机构进行运动和动力分析。,17,2.绘制机构运动简图的原则 1）运动一致性

5、原则： 绘制的机构运动简图应与原机构具有相同 的运动特征； 2）“两个凡是”原则（简洁、清晰）： 凡是与运动有关的内容不可或缺； 凡是与运动无关的内容不应添加；,3 绘制机构运动简图的方法及步骤,1）. 确定机构的原动件和输出构件，搞清原动件和从动件之间的传动路线（两者之间为传动部份），由此确定出组成机构的构件数目、连接各构件的运动副的类型和数目，并测量出各构件上与运动有关的尺寸。,2）. 为将机构运动形式特点表示清楚，恰当地选择投影面。一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面。,3）. 选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将

6、同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。,19,绘制时的注意事项,1）绘制转动副时，转动副的位置是关键关键在于找出相对转动中心。如，偏心轮。 2）绘制移动副时，导路方向和位置是关键。,3）依规定的常用符号绘制运动副及构件。 4）同一轴上安装若干个有关零件时，用“焊接号”表明 同一构件。 5）尽量减少构件前后重叠时虚线可能引起的误会。,20,小节,21,球面副：,螺旋副：,凸轮副：,活动构件：,22,齿轮机构：,固定构件：,23,三、机构运动简图的绘制方法和步骤,例2.1 绘制如图所示鄂式破碎机的机构运动简图,25,绘制图所示牛头刨床机构的运动简图。,26,内燃机

7、运动简图？,一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动。 相对于参考系，构件所具有的独立运动称为 运动副使构件受到约束自由度减少；运动副引入约束的数目等于构件自由度减少数。,2.5.3平面机构的自由度 1 构件的自由度,构件的自由度,28,平面机构的 运动副约束自由度,约束：两构件间运动副所起的作用是确定性地制约构件间的相对运动，这种限制作用称为约束。,29,2 机构自由度的意义,机构的自由度的意义就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数数目。因为在机构中引入独立运动参数的方式是使其原动件按某一运动规律运动，所以机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。,30,3 平面机构自由度的计算

8、公式,1）每个低副引入2个约束；每个高副引入1个约束。 2）对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了PL个低副和PH个高副，则它们共引入(2PL+PH)个约束。 3）机构的自由度F显然应为: F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH,31,4 机构具有确定运动的条件,1） 机构的自由度且 2）机构的原动件数等于机构的自由度数；,32,例2.2,例2.3,例2.4,33,机构的自由度、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系： 1)若机构自由度，则机构不能动； 2)若且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定； 3)若0，而原动件数，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。

9、,3 计算机构自由度时应注意的事项,（1） 复合铰链,例,由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。,35,n=5, PL=7 or 6 ? PH=0F=3n - 2PL - PH=?,E,D,F,C,B,A,5,4,3,2,1,（2） 局部自由度,不影响机构输入与输出运动关系的个别构件的独立运动称为局部自由度。,在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。,局部自由度,38,例2.7,在运动副的约束中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。,（3） 虚约束,在计算机构的自由度时，应将产生虚约

10、束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。,常见的虚约束有以下几种情况:,）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。,除去凸轮机构的虚约束 导路平行的移动副,）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。,带虚约束的 曲轴与直轴,3）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。,带虚约束的行星轮系,43,4）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。,图 2.33,带虚约束的杆机构,44,本节要求掌握的主要内容,1

11、）机构组成要素中的一些基本概念； 2）掌握机械运动简图的绘制； 3）掌握机构自由度、复合铰链、局部自由度、 虚约束等概念以及机构自由度的计算； 4）机构具有确定运动的条件。,45,习 题,一、计算下列机构的自由度,46,47,c),d),机构自由度计算举例,例 1 图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆 3 作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动 ，以达到刨削加工目的。 试问图示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何修改？,图 1,解：首先计算设计方案草图的自由度,改进措施： 1、增加一个低副和一个活动构件； 2、用一个高副代替低副。,即表示如果按此方

12、案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。,图 1-1,图 1-2,图 1-3,图 1-4,图 1-5,图 1-6,图 1-7,图 1-8,例 2 如图2所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,图 2,局部自由度,复合铰链,虚约束,图 2-1,例 3 计算图3所示机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,图 3,局部自由度,虚约束,例 4 如图4所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度

13、、复合铰链、虚约束请标出）。,图 4,局部自由度,复合铰链,虚约束,60,机械零件的设计方法,机械零件的设计方法,理论设计,经验设计,模型实验设计,机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法 两大类。,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：,机械现代设计方法简介1,机械现代设计方法简介,机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。,现代设计

14、方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：,以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。 以定量的取代定性的如有限元计算。 以随机量取代确定量如可靠性设计。 以优化设计取代可行性设计如优化设计。 并行设计取代串行设计如并行设计。 微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。 系统工程法取代分部处理法如系统工程。 自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。,62,计算机辅助设计(CAD),利用计算机完成计算、选型、绘图及其它作业的现代设计方法。 CAD系统由能支持分析、计算、综合、模拟及绘图等基本作业的系统软、硬件组成。 CAD的基础工作是建

15、立产品设计数据库、图形库、应用程序库。,63,优化设计（Optimal Design),应用最优化数学原理，寻求最佳设计方案。 步骤：建立优化数学模型；应用优化算法对模型寻优求解。 设计变量、目标函数和约束条件组成了优化设计问题的数学模型。 优化算法有：.,64,可靠性设计(Reliability Design),是以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品可靠性为目标的设计方法。 基本内容：选定产品的可靠性指标及量值；分配可靠性指标；将规定的可靠性指标设计到产品中。,65,有限元法（Finite Element Method, FEM),应用广泛，是

16、复杂零件刚、强分析的有力工具： 可求解工程中的复杂的非线性问题、非稳态问题；可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动态分析；能对复杂形状的零件计算其应力分布和变形； 基本思想：划分单元；建立单元节点力与位移的关系式，求出各单元的刚度矩阵；单元组合，建立以节点位移为基本未知量的动力学方程；利用初始条件和边界条件，求出节点位移和单元内应力值。 通用有限元程序：ANSYSMACSAP及其前、后处理程序。,66,相似设计,相似设计是相似理论在工程中的应用： 1 模型试验（模化）：如长江三峡电站700MW水轮发电机，推力轴承负荷60MN只能采用模型试验方法。其可比性和应用于实物的可靠性取决于采用的相似性准则及由此确定的模型中的尺寸和各物理参量。 2 系列产品设计：应用相似性原理，由基型求出其它系列产品的参数与尺寸。 3 仿真：仿真数学模型建立，求解、分析、综合，以及检验设计。,67,其它现代设计方法及设计方法学,工业艺术造型设计 反求工程设计 模块化设计 设计方法学自学,