1) 机构运动简图的概念
在对现有机械进行运动和动力分析或设计新机械时,都需要绘制机构运动简图。为使问题简化,可不考虑那些与机构运动无关的外部形态,如构件的截面尺寸、组成构件的零件数目和运动副的具体结构等,而把决定机构运动性质的本质上的因素,如运动副的数目、类型、相对位置及某些尺寸等抽象出来,用规定的线条和符号代表构件和运动副,并按一定比例表示各运动副的相对位置。用以说明机构的组成和各构件间相对运动关系的简单图形,称为机构运动简图。若只为表明机构的运动状态或各构件间相对运动关系,也可不按比例来绘制运动简图,该简图称为机构示意图。
2) 平面机构运动简图的绘制
绘制平面机构运动简图时,首先观察和分析机构的构造和运动情况,要明确3类构件:固定构件(即机架),机构中支承活动构件的构件,任何一个机构中必定有一个构件作为机架;原动件,机构中被施加驱动力(力矩)或已知运动规律的构件,一般与机架相连;从动件,机构中除了原动件以外的所有活动构件。其次需弄清楚该机构由多少个构件组成,各构件间组成运动副的类型及相对位置关系,并按规定的符号和一定的比例尺绘图。具体可按以下步骤进行:
①分析机构的组成,确定机架、原动件和从动件。
②由原动件开始,依次分析构件间的相对运动形式,确定运动副的类型和数目。
③选择适当的视图平面和原动件位置,以便清楚地表达各构件间的运动关系。通常选择与构件运动平面平行的平面作为投影面。
④选择适当的比例尺 μ l (单位:m/mm或mm/mm),按照各运动副间的距离和相对位置,以规定的线条和符号绘制,即
如构件实际尺寸0.5 m,简图中用50mm表示,则其比例尺=0.01 m /mm。
注意: μ l 与机构制图中的比例尺不同, μ l 是有单位的,计算式中分子、分母与机械制图比例尺中的相反。 μ l 的单位用(m/mm)是为了与对机构作运动分析时的速度单位(m/ s)、加速度单位(m/ s 2 )相对应,计算方便。
3) 机构运动简图绘制要求
①机构运动简图和机械制图中的装配示意图是有本质区别的。两者在表达内容上虽有共同点,都表达机构的工作原理和传动关系,但机构运动简图比装配示意图要简洁、更清楚。
此外,装配示意图主要表达零件之间的装配关系,其表达的基本对象是零件;而机构运动简图主要表达机构的运动情况,表达的基本对象是构件。同时,表达的方法不同,装配示意图对一般零件需要用简单的线条画出零件的大致轮廓,对轴承等需要用示意画法表达实际结构,而机构运动简图一概不考虑构件的形状,以及构件和运动副的实际结构。
②机构运动简图一定要画得简单、明了,必须抛开一切与机构运动无关的因素,如构件的外形、断面尺寸、构件和运动副的具体结构等,而仅仅用规定的符号表示运动副的类型,用简单的线条表示构件。因此,绘制机构运动简图必须熟悉常用的运动副符号及构件的表示方法。
③机构运动简图与它所表达的实际机构具有完全相同的运动特性。它不仅可简明地表达出机构的运动情况,而且可根据它用图解法对机构进行运动分析和动力分析。当绘图的目的是后者时,凡与运动有关的尺寸,如构件上两个转动副之间的距离,移动副导路的位置,以及凸轮的轮廓曲线、齿轮的节圆直径等,都必须按比例准确画出。在简图上,应注明绘图的尺寸比例尺,并将运动特征尺寸直接标注在简图上或列表说明。
4) 平面机构自由度计算公式
平面机构自由度计算公式为
F= 3 n- 2 P L -P H
式中 n ——活动构件数;
P L ——低副数;
P H ——高副数。
计算机构自由度时,应注意:
①当 m ( m >2)个构件在同一处以同轴线的转动副相联接,构成复合铰链时,共有( m -1)个转动副。
②某构件所产生的局部运动不影响其他构件的运动,则这种局部运动的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时,应将局部自由度去除,产生局部运动的构件也不计。
③有些构件的运动副带入的约束对机构运动不起新的限制作用,这种约束称为虚约束。在计算机构自由度时,应去除虚约束数,即将形成虚约束的构件和运动副去除。
5) 基本杆组分析
任何机构都可看成由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成的。
基本杆组是不能再拆的最简单的自由度为零的构件组。两个构件带3个低副组成的基本杆组,称为Ⅱ级杆组;4个构件带6个低副或6个构件带9个低副组成的基本杆组,称为Ⅲ级杆组;组成四边形的4个构件带6个低副或6个构件带9个低副组成的基本杆组,称为Ⅳ级杆组。
拆分杆组应从远离原动件处着手,先试拆 n =2的Ⅱ级杆组;如若不可能,再试拆 n =4或 n =6的Ⅲ级杆组,最后试拆组成四边形的 n =4或 n =6的Ⅳ级杆组。剩下的是原动件和机架。拆分杆组时应注意:每拆下一个基本杆组后,剩下的仍应是一个自由度不变的完整机构。
同一机构中可包含不同级别的基本杆组。把最高级别为Ⅱ级组的基本杆组构成的机构,称为Ⅱ级机构;把最高级别为Ⅲ级组的基本杆组构成的机构,称为Ⅲ级机构。
对含有高副的平面机构进行结构分析时,可根据一定的条件,将高副虚拟地以低副来代替(称为“高副低代”),然后对虚拟的低副机构进行分析。高副低代必须满足的条件是:
①替代前后机构的自由度完全相同。
②替代前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。