《机械基础机电专业》教案项目1颚式破碎机运动简图的绘制.docx

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《机械基础机电专业》教案项目1颚式破碎机运动简图的绘制

项目一颚式破碎机运动简图的绘制

一、教学目标

1.了解机器的概念。

2.熟悉零件、构件、机件、机器的分类。

3.掌握各种零件绘制方法。

二、课时分配

安排2课时。

三、教学重点

通过本项目的学习，让学生学习掌握机器的组成、分类以及平面机构运动简图相关知识；具备分析机器的结构和运动、绘制机构运动简图以及判断机构是否具有确定相对运动的能力。

四、教学难点

1．熟悉机器的组成、分类。

2．掌握机器的结构和运动、绘制机构运动简图。

五、教学内容

一、机器的组成

1．机器的基本概念

要了解机械，首先要熟悉与其相关的零件、构件、机构、机器和机械的概念。

（1）零件的概念

（2）构件的概念

（3）机构的概念

（4）机器的概念

单缸内燃机虽然是组成汽车这部机器的一个部件，但它本身也是一部机器，因为它符合机器应同时具备的以下三个特征：

1）任何机器都是由许多构件组合而成的；

2）各构件之间具有确定的相对运动；

3）能够代替或减轻人类的劳动，完成有用的机械功或实现能量的转换。

（5）机械的概念

从运动观点看，机器和机构并无区别，工程上统称为机械。

2．机器的组成

机器的结构形式和用途各不相同，机器的功能需要多部分配合才能完成。

图1-6所示的摇臂钻床适用于在大型工件上进行单孔或多孔加工。

主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮使其在水平导轨上沿摇臂移动。

摇臂安装在立柱上，可通过电动机和升降机构进行机动升降，可以围绕立柱回转360°。

工作台安装在底座上。

钻孔时，将工件固定到工作台上，移动主轴，调整刀具的位置以对准被加工孔的中心。

按动按钮，电动机带动钻头做旋转运动，同时钻头做进给运动，完成钻孔加工。

图1-6摇臂钻床

可以看出，电动机、主轴箱、主轴、工作台、按钮、手轮在摇臂钻床中起着不同的作用。

按照各部分实体的功能不同，一台完整的机器通常由以下四部分组成：

（1）动力部分

（2）执行部分

（3）传动部分

（4）操纵和控制部分

3．机械的分类

机械按照用途不同可分为以下四种类型：

（1）动力机械

如图1-7所示，动力机械用来实现机械能与其他形式能量之间的转换，如电动机、内燃机、液压泵等。

图1-7动力机械

（2）加工机械

（3）运输机械

（4）信息机械

二、运动副及其分类

构件组成机构后各构件的自由运动得到了限制，同时彼此连接的两构件间仍能产生一定的相对运动。

1．运动副的概念

两构件直接接触并能产生确定相对运动的活动连接称为运动副。

机构就是由构件和构件连接时所形成的运动副组成的。

如图1-2所示，单缸内燃机中，汽缸体与活塞、活塞与连杆、连杆与曲轴、曲轴与轴承之间分别形成了运动副。

2．运动副的分类

根据两构件形成运动副时的接触形式，运动副可分为低副和高副两大类。

（1）低副

两构件以面接触所形成的运动副称为低副。

形成低副的两构件接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修；承受载荷时单位面积压力较低，因而低副承载能力大。

但低副属于滑动摩擦，摩擦损失大，因而效率较低；且低副不能传递较复杂的运动。

根据组成低副的两构件的相对运动形式，低副可分为转动副、移动副和螺旋副三种。

1）转动副

组成运动副的两构件只能做相对转动，也称铰链，可分为两构件都可运动的活动转动副和只有一个构件可以运动的固定转动副两种，如图1-11所示。

（a）活动转动副

（b）固定转动副

图1-11转动副

2）移动副

组成运动副的两构件只能做相对直线移动，也称滑块，可分为两构件都可运动的活动移动副和只有一个构件可以运动的固定移动副两种，如图1-12所示。

（a）活动移动副

（b）固定移动副

图1-12移动副

3）螺旋副

组成运动副的两构件只能做相对螺旋运动，如图1-13所示。

图1-13螺旋副

（2）高副

两构件以点或线接触所形成的运动副称为高副。

形成高副的两构件接触面积小，在承受载荷时单位面积压力较大，构件易磨损，寿命短；制造维修困难；但高副能传递较复杂的运动。

如图1-14所示，车轮与钢轨、凸轮与从动件以及齿轮啮合等均为高副。

（a）滚动轮副

（b）凸轮副

（c）齿轮副

图1-14高副

三、平面机构运动简图的绘制

组成机构的各构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。

对平面机构进行分析，目的在于了解组成机构的各构件是如何工作的。

此时，只需考虑与运动有关的构件的数目、运动副的数目、类型及相对位置，而无需考虑机构的真实外形和具体结构。

1．平面机构运动简图的概念

用线条表示构件，用简单符号表示运动副的类型，按一定比例及规定的简化画法表示各构件间相对位置及运动关系的工程图形，称为平面机构运动简图。

利用平面机构运动简图可方便地分析机构的原理、运动特性及受力情况。

只为了表示机构的结构及运动情况，而不严格按照比例绘制的简图，称为机构的示意图。

2．构件及运动副的规定表示符号

在平面机构的运动简图中，构件和运动副的规定表示符号见表1-1。

3.平面机构运动简图的绘制

绘制平面机构运动简图的步骤如下：

（1）分析机构运动，确定构件数目

（2）确定运动副的类型和数目

（3）选择视图平面

（4）选择适当的比例尺μl，绘制机构运动简图

四、平面机构的自由度

为了保证机构按照预期的结果进行工作，要求各构件以不同的方式连接形成运动副后，各构件间具有确定的相对运动。

1.自由度

构件的独立运动称为自由度。

没有用运动副连接的，做平面运动的构件称为自由构件。

如图1-16（a）所示，自由构件2在xOy平面上具有三个独立的运动，即沿x轴方向和y轴方向的两个移动以及在xOy平面上绕任意点的转动，即具有三个自由度。

图1-16自由构件与约束

2.约束

当两构件连接形成运动副后，构件的独立运动受到限制。

如图1-16（b）所示，构件2与固定在x轴上的构件1在A点形成转动副，构件2沿x轴方向和y轴方向的两个移动受到了限制。

这种限制构件独立运动的作用称为约束。

不同类型的运动副引入的约束数目是不同的。

如图1-17（a）所示，转动副限制了构件2沿z轴方向和y轴方向的两个移动，只允许绕x轴转动，即转动副引入了两个约束，保留了一个自由度。

如图1-17（b）所示，移动副限制了构件2沿y轴方向的移动和绕z轴的转动，只允许沿x轴方向移动，即移动副引入了两个约束，保留了一个自由度。

如图1-17（c）、（d）所示，构件2相对于构件1既可沿接触点A处切线t-t方向移动，又可绕接触点A转动，只是沿公法线n-n方向的运动被限制，即平面高副引入一个约束，保留了两个自由度。

图1-17不同运动副引入的约束

3.平面机构自由度的计算

机构具有的独立运动数目称为机构的自由度。

在平面机构中，每个活动构件有3个自由度。

构件用运动副连接后引入了约束，并失去了自由度，一个低副失去两个自由度，一个高副失去一个自由度。

平面机构自由度的计算公式为：

F=3n-2PL-PH

式中：

n——活动构件数目；

PL——低副数目；

PH——高副数目。

单缸内燃机由活塞、连杆、曲轴3个活动构件、4个低副（其中1个移动副、3个转动副）、0个高副组成，其自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4=1

在计算平面机构自由度时，应注意复合铰链、局部自由度、虚约束三种特殊情况。

（1）复合铰链

三个或三个以上的构件共用同一转动轴线所构成的转动副，称为复合铰链。

图1-18所示三个构件实际上构成了轴线重合的两个转动副，故转动副的数目为2个。

以此类推，由m个构件在同一轴线上形成的复合铰链，转动副的数目应该是（m-1）个。

图1-18复合铰链

（2）局部自由度

与机构整体运动无关的构件的独立运动，称为局部自由度。

在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计。

图1-19（a）所示凸轮机构中，滚子绕其自身轴线的转动完全不影响从动件的运动，因而滚子转动的自由度属于局部自由度。

在计算该机构的自由度时，应将滚子与从动件看成一个构件，如图1-19（b）所示。

该机构的自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=1

图1-19局部自由度

局部自由度虽不影响机构的运动关系，但可以变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减轻了由于高副接触而引起的摩擦和磨损。

因此，在机械中常见具有局部自由度的结构，如滚动轴承、滚轮等。

（3）虚约束

机构中不产生独立限制作用的约束称为虚约束。

在计算自由度时，应先去除虚约束。

虚约束常在以下几种情况中发生：

1）两构件在连接点上的运动轨迹重合，则该运动副引入的约束为虚约束。

图1-20运动轨迹重合形成的虚约束

如图1-20（b）所示平行四边形机构中，连杆3作平动，由于杆EF平行并等于杆AB及CD，杆5上E点的轨迹与杆3上E点的轨迹完全重合，因此杆EF引入了虚约束，计算时，应将其简化为如图1-20（a）所示的机构形式。

该机构的自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1

如不满足上述几何条件，如图1-20（c）所示，则杆EF引入的约束为有效约束。

该机构的自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×4-2×6-0=0

2）机构运动时，如果两构件上两点间的距离始终保持不变，将此两点用构件和运动副连接，则会引入虚约束，如图1-21所示。

该机构的自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1

图1-21两点间距离不变形成的虚约束

图1-22多处重合运动副形成的虚约束

3）如图1-22（a）所示，两个构件组成多个轴线重合的转动副；或者如图1-22（b）、（c）所示，两个构件组成多个移动方向一致的移动副时，只需考虑其中一处的约束，其余各处引入的约束均为虚约束。

4）机构中对运动不起作用的对称部分引入的约束为虚约束。

图1-23所示的差动轮系，从传递运动而言，只需要一个齿轮2便可传递运动。

为了提高承载能力并使机构受力均匀，图中采用了3个完全相同的行星轮2、2′和2″对称布置。

这里每增加一个行星轮（包括两个高副和一个低副），便引入1个虚约束。

该机构的自由度为:

F=3n-2PL-PH=3×3-2×3-2=1

图1-23对称结构引入的虚约束

虚约束虽不影响机构的运动，但可以增加机构的刚性，改善机构的受力情况，因此在机构设计中被广泛采用。

但是虚约束对机构的几何条件要求较高，因此对机构的加工和装配都提出了较高的要求。

图1-24所示为筛料机构运动简图，机构中滚子的自转为局部自由度；杆DF与机架在两处组成导路重合的移动副E′和E，因此其中之一为虚约束；C处为由三个构件组成的复合铰链。

除去局部自由度和虚约束以后，该机构的自由度为:

F=3n-2PL-PH=3×7-2×9-1=2

图1-24筛料机构自由度的计算

4.机构具有确定运动的条件

机构是由构件和运动副组成的，机构要实现预期的运动，必须使其运动具有可能性和确定性。

图1-25所示的由3个构件通过3个转动副连接而成的衍架机构就没有运动的可能性。

图1-26所示的五杆机构，若取构件1为主动件，当给定其转角φ1时，从动件2、3、4既可处在实线位置，也可处在虚线或其他的位置，即从动件的运动是不确定的；若同时给定构件1和4的位置参数φ1和φ2，则其余构件的位置就可以确定下来。

图1-25衍架机构

图1-26五杆机构

机构的自由度是机构具有的独立运动数目，如果通过1个主动件对此独立运动加以限制，则机构的运动就完全确定了。

由此可见，机构具有确定运动的条件为：

机构的主动件数目W等于机构的自由度数目F，即

W=F＞0

在分析机构或设计新机构时，一般可以通过计算机构的自由度来检验所作的运动简图是否满足具有确定运动的条件，以避免所设计的机构出现原理性错误。

颚式破碎机运动简图的绘制

项目工单：

参照图1-1所示颚式破碎机工作原理图，进行结构和运动分析，绘制机构的运动简图，并判断机构的运动是否确定。

一、结构分析

如图1-27所示，颚式破碎机主机体机构由机架、偏心轴、动颚板和肘板四个构件组成。

图1-27颚式破碎机结构分析

二、运动分析

颚式破碎机的主动件是偏心轴，工作构件是动颚板，其运动传动路线是：

偏心轴→动颚板→肘板。

三、机构运动简图的绘制

颚式破碎机机构运动简图的绘制如图1-28所示。

1.确定运动副的数目和类型

该机构中，偏心轴与机架、偏心轴与动颚板、肘板与动颚板和肘板与机架分别组成运动副。

其中，主动件偏心轴与机架组成转动副A，偏心轴与动颚板组成转动副B，肘板与动颚板组成转动副C，肘板与机架组成转动副D。

2.选择视图平面

该机构中各运动副的轴线互相平行，即所有的活动构件在同一平面内运动，所以选定构件的运动平面为视图平面。

3.确定适当的比例

按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的符号将各运动副表示出来。

用直线将同一构件上的运动副连接起来，画出机构运动简图。

图中各运动副标以大写英文字母，各构件标以阿拉伯数字，并将主动件的运动方向用箭头标明。

图1-28颚式破碎机运动简图的绘制

四、颚式破碎机机构自由度的计算

六、课后作业

1.计算图示机构的自由度，并判定其是否具有确定的运动。

2.计算自由度