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机械设计基础之平面机构的结构分析

目

录

CATALOGUE

平面机构概述

平面机构的组成与分类

平面机构的结构分析

平面机构的运动分析

平面机构的力分析

平面机构的设计优化

平面机构概述

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01

机械制造

平面机构广泛应用于各种机械制造领域，如机床、包装机械、印刷机械等。

交通运输

交通运输工具中大量应用了平面机构，如汽车、火车、飞机等。

轻工与化工

轻工和化工领域也广泛应用了平面机构，如纺织机械、塑料成型机等。

古代的简单机械如滑轮、杠杆等可以看作是最早的平面机构。

古代

随着工业革命的发展，各种复杂的平面机构开始出现，如蒸汽机、纺织机械等。

工业革命时期

随着科技的发展，平面机构的应用领域越来越广泛，如机器人、自动化生产线等。同时，对于平面机构的研究也更加深入，出现了许多新的理论和方法。

现代

平面机构的组成与分类

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02

构成机构的基本单元，通过轴、孔、键等连接方式组合在一起。

构件

构件之间的相对运动是通过运动副来实现的，常见的运动副有转动副、移动副等。

运动副

转动副

允许两个构件绕同一轴线作相对转动，如定轴轮系中的齿轮副。

移动副

允许一个构件相对于另一个构件作直线移动，如导轨副。

由若干个刚性构件通过运动副连接而成的，可以实现多种复杂的运动轨迹。

平面连杆机构

平面凸轮机构

平面齿轮机构

通过凸轮与从动件之间的接触来实现运动转换，常用于需要实现精确控制的场合。

利用齿轮之间的啮合关系实现运动和力的传递，具有传动效率高、精度高等优点。

03

02

01

平面机构的结构分析

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03

由一系列按一定顺序首尾相接的构件组成，各构件间通过转动副或移动副连接。

运动链

是机构中两构件间的接触连接，允许两构件间有相对运动。

运动副

构成机构的独立运动单元。

构件

03

结构分析法

通过分析机构中各构件的连接方式、运动副的类型和数量来研究机构的结构特性。

01

机构简图法

用简单的线条和符号表示机构，以清晰地反映机构的运动特性。

02

运动分析法

通过分析机构中各构件的运动轨迹、速度和加速度来研究机构的运动特性。

1

2

3

机构在静止或匀速运动状态下，各作用力对某固定点或某固定轴的力矩之和为零的性质。

平衡性

机构在受到扰动后能恢复到原平衡状态的能力。

稳定性

构件的质量、运动副的摩擦阻力、外部作用力等。

平衡与稳定性的影响因素

平面机构的运动分析

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04

03

平面机构的运动方程是进行机构分析和优化的基础，有助于理解机构的工作原理和性能。

01

平面机构的运动方程是描述机构中各构件之间相对运动的数学表达式。

02

通常采用牛顿第二定律或动量定理推导得到，表示机构中各构件的运动速度和加速度之间的关系。

1

2

3

平面机构的运动特性分析是研究机构在运动过程中表现出的各种特性，如速度、加速度、角速度、角加速度等。

通过分析这些特性，可以了解机构在不同工作状态下的性能表现，为优化设计提供依据。

运动特性分析还可以用于检测机构中的振动和冲击，提高机构的工作稳定性和可靠性。

01

02

03

平面机构的运动干涉是指机构在运动过程中，各构件之间发生相互接触或碰撞的情况。

碰撞检测是预防机构损坏和保证机构安全运行的重要手段，通过碰撞检测可以及时发现并避免机构之间的干涉。

常用的碰撞检测算法包括基于几何形状的碰撞检测和基于物理模拟的碰撞检测，可根据具体情况选择适合的方法。

平面机构的力分析

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05

力矩平衡方程是描述机构在静止或匀速运动状态下，各力矩的合力矩为零的方程。

定义

通过分析机构中各构件所受的力矩，列出各力矩的代数和为零的方程。

建立方法

用于判断机构的平衡状态以及分析机构的转动情况。

应用

定义

动态受力分析是研究机构在动态载荷作用下的响应和稳定性。

应用

用于优化机构设计，提高机构的稳定性和可靠性。

分析方法

利用动力学原理，建立机构的运动微分方程，通过求解得到机构的动态响应。

平面机构的设计优化

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06

VS

确保机构能够完成预定的运动和任务。

高效性

优化机构的运动性能，减少能量损失。

功能性

01

设计目标

02

实现预定的运动轨迹和运动规律。

03

优化机构的运动和动力性能。

提高机构的刚度和强度。

减小机构的尺寸和重量。

数学建模

利用计算机软件进行机构运动模拟，评估性能。

模拟仿真

实验测试

遗传算法

01

02

04

03

利用进化算法寻找最优解，对机构参数进行优化。

建立机构的数学模型，描述其运动规律和性能指标。

通过实际测试获取机构的性能数据，与理论分析对比。

平面连杆机构

分析四杆机构的运动特性和优化方法。

凸轮机构

探讨凸轮轮廓的设计原则和优化策略。

齿轮机构

研究齿轮的设计参数和齿形优化。

间歇