機(jī)構(gòu)分析

其目的是計(jì)算機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、掌握其運(yùn)動(dòng)性能，以鑒別它是否達(dá)到工作要求。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，不考慮引起機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的外力、機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的質(zhì)量、彈性和運(yùn)動(dòng)副中的間隙對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響,而僅從幾何上分析機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)情況。運(yùn)動(dòng)分析的方法有圖解法和解析法。

機(jī)構(gòu)分析圖解法

常用的有相對運(yùn)動(dòng)向量圖解法、瞬心法和圖解微分法等。圖解法簡單直觀,在工程上應(yīng)用甚廣。①相對運(yùn)動(dòng)向量圖解法:按照相對運(yùn)動(dòng)向量方程式,用一定的比例尺繪制向量多邊形來求解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。建立相對運(yùn)動(dòng)向量方程式的根據(jù)是：點(diǎn)的絕對運(yùn)動(dòng)是牽連運(yùn)動(dòng)與相對運(yùn)動(dòng)的合成；剛體的平面運(yùn)動(dòng)是隨基點(diǎn)的牽連移動(dòng)與繞基點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)動(dòng)的合成。②瞬心法：利用相對瞬心是兩構(gòu)件的速度相同的瞬時(shí)重合點(diǎn)這一概念，來求解機(jī)構(gòu)中構(gòu)件速度的一種圖解方法。對于構(gòu)件數(shù)目較多的機(jī)構(gòu)，因瞬心數(shù)目太多，用瞬心法求解困難。③圖解微分法：已知機(jī)構(gòu)的位移曲線后，直接對曲線圖進(jìn)行微分，作出速度曲線或繼之作出加速度曲線。圖解積分法則與此相反。當(dāng)研究機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律時(shí)，用這兩種方法求解運(yùn)動(dòng)尤為方便。

機(jī)構(gòu)分析解析法

用這種方法求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可得到精確的結(jié)果。由于電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，解析法獲得了迅速的發(fā)展。這種方法的關(guān)鍵是建立位移方程式，至于速度分析和加速度分析則是利用位移方程式對時(shí)間求導(dǎo)一次、二次而解線性方程的問題。常用的有向量法、復(fù)數(shù)法、坐標(biāo)變換矩陣法和位移矩陣法等。①向量法：基本原理是把連桿機(jī)構(gòu)視為一個(gè)封閉的向量多邊形，由此建立位移方程式，并通過它在各直角坐標(biāo)軸上的投影式求解運(yùn)動(dòng)參量。②復(fù)數(shù)法：建立位移方程式的方法與向量法相同，但每一向量均以復(fù)數(shù)形式表示，并通過復(fù)數(shù)運(yùn)算來求解運(yùn)動(dòng)參量。這種方法運(yùn)算方便,物理概念清楚,應(yīng)用較廣。③坐標(biāo)變換矩陣法：通過空間直角坐標(biāo)系之間的變換進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和綜合。如對閉鏈機(jī)構(gòu)中每兩相鄰構(gòu)件上的坐標(biāo)系進(jìn)行變換，就可從構(gòu)件1開始經(jīng)2、3…n回到1,列出一個(gè)閉環(huán)矩陣方程式，由此可解出各相鄰構(gòu)件間的相對位置。④位移矩陣法：用位移矩陣作為運(yùn)算工具，表示出剛體任一點(diǎn)的第1位置與第n位置間的坐標(biāo)關(guān)系，由此建立位移方程式。此外，還有運(yùn)用張量、對偶數(shù)和四元數(shù)等數(shù)學(xué)工具的方法。用對偶數(shù)進(jìn)行空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)算很方便。

用于確定各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力和主動(dòng)構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)力或從動(dòng)構(gòu)件的阻力，以便對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。動(dòng)力分析的另一目的是求解機(jī)構(gòu)在已知力作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力分析可分為古典的剛體動(dòng)力學(xué)分析和近代的運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)分析兩種。剛體動(dòng)力學(xué)分析把構(gòu)件視作不變形的剛體，這在低速輕載情況下基本上是符合實(shí)際情況的。但隨著近代機(jī)構(gòu)速度的提高，構(gòu)件因慣性力而引起較大的彈性變形，其位置產(chǎn)生不容忽略的誤差。為了提高動(dòng)力分析的精度，必須采用運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)分析。

剛體動(dòng)力學(xué)分析

常用的有動(dòng)態(tài)靜力分析法和功能法。①動(dòng)態(tài)靜力分析法:用來求解作用于機(jī)構(gòu)中的力,這是根據(jù)達(dá)朗伯原理將慣性力看作外力加在相應(yīng)的構(gòu)件上，于是動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)就可認(rèn)為是處于靜力平衡狀態(tài)，可以用靜力學(xué)方法進(jìn)行分析計(jì)算。這種方法又分為圖解法或解析法。②功能法：主要用來求解機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，是根據(jù)能量守恒定律建立的一種動(dòng)力分析方法?；驹硎菣C(jī)器動(dòng)能的增量應(yīng)等于諸外力所作的功。因機(jī)器各構(gòu)件間均有確定的相對運(yùn)動(dòng)，對于單自由度的機(jī)器可以將整個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)問題化為它的某一構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)問題，即引入等效力和等效質(zhì)量等概念，使求解大為簡化。除上述兩種方法外，尚有能量分配法、線性相關(guān)法和能量變化率法等。

運(yùn)動(dòng)彈性體力學(xué)分析

基本思想是把機(jī)構(gòu)處于不同瞬時(shí)的位置作為一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)來分析。結(jié)構(gòu)在外力和慣性力作用下可以建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程。這時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的慣性力，必須是考慮構(gòu)件變形后的機(jī)構(gòu)加速度所引起的慣性力。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)分析的步驟是:首先假設(shè)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件是剛體,求出構(gòu)件未變形時(shí)的位置、速度和加速度；其次,求出各構(gòu)件的慣性力和慣性力矩;然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)分析方法，求出構(gòu)件偏離剛性構(gòu)件位置的彈性變形量。根據(jù)建立結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的不同型式,運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)分析可分為剛度法和柔度法。此外，尚有建立在歐拉- 伯努利梁變形理論基礎(chǔ)上的分塊參數(shù)法和建立在歐拉-拉格朗日方程基礎(chǔ)上的假定模型法。 2100433B

研究機(jī)構(gòu)組成以及具有確定的相對運(yùn)動(dòng)的必要條件; 了解機(jī)構(gòu)的組成原理，并按照結(jié)構(gòu)中基本桿組的組成形態(tài)特征進(jìn)行機(jī)構(gòu)分類，在此基礎(chǔ)上建立運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析的一般方法。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的必要條件是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目必須等于機(jī)構(gòu)的自由度 (又稱為機(jī)構(gòu)活動(dòng)度) 的數(shù)目。滿足以上條件的任何機(jī)構(gòu)，當(dāng)其原動(dòng)件按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，構(gòu)成機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件，在任意瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)都是確定的。反之，如果原動(dòng)件數(shù)目小于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，則機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是不確定的; 如果原動(dòng)件數(shù)目多于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中難以滿足所有原動(dòng)件給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，甚至造成薄弱構(gòu)件的破壞。機(jī)構(gòu)組成原理是由俄國著名科學(xué)家阿蘇爾確定的： 任何機(jī)構(gòu)都可以利用若干個(gè)自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動(dòng)件和機(jī)架的方法而構(gòu)成。依據(jù)這一原理，任意機(jī)構(gòu)均可分解成機(jī)架、原動(dòng)件和若干基本桿組，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析或動(dòng)力分析

分析的目的是了解各種機(jī)構(gòu)的組成及其對運(yùn)動(dòng)的影響。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)公式（即機(jī)構(gòu)自由度公式），是判定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可能性和確定性的依據(jù)。最早的結(jié)構(gòu)公式是1869年俄國人П.Л.切比雪夫提出的平面運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)公式。公共約束反映機(jī)構(gòu)中構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的特定幾何配置所產(chǎn)生的作用。它的引入為精確地建立各種結(jié)構(gòu)公式提供了必要的條件。此外，虛約束、局部自由度、非幾何條件引起的約束等都會(huì)影響機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。1916年，俄國人Л.Β.阿蘇爾根據(jù)機(jī)構(gòu)構(gòu)成特征提出按族、級(jí)、類和階進(jìn)行機(jī)構(gòu)分類。他還提出：機(jī)構(gòu)是由不可分拆的、自由度為零的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副組成的桿組依次接到原動(dòng)件和機(jī)架上而成的。阿蘇爾桿組的概念至今仍廣為應(yīng)用。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析包括機(jī)構(gòu)選型、平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

機(jī)構(gòu)選型包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、單移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)、雙移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)、空間凸輪機(jī)構(gòu)；

平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、液氣缸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；

平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分析、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分析、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)分析；

凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、直動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。2100433B

自鎖機(jī)構(gòu)在機(jī)械工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

在這不介紹利用機(jī)械效率小于零的條件來判斷機(jī)構(gòu)自鎖，而采用利用運(yùn)動(dòng)副的自鎖條件來判別機(jī)構(gòu)的自鎖。其理論依據(jù)是：一個(gè)具體的單自由度機(jī)構(gòu)中，只要有一個(gè)運(yùn)動(dòng)副發(fā)生自鎖，該機(jī)構(gòu)則發(fā)生自鎖。這樣，不僅概念清楚，而且簡化了自鎖機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)過程。

在十字滑塊壓縮機(jī)中，將曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)正弦機(jī)構(gòu)組合而成的司谷區(qū)扼。這是一種無連桿的兩列四缸壓縮機(jī)，今以水平列為例說明其工作原理:當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲柄銷使滑塊在框架內(nèi)上下滑動(dòng)，與此同時(shí)，框架則推動(dòng)活塞桿左右移動(dòng)，使活塞-氣缸組件完成壓縮機(jī)的工作過程。

偏心輪機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)是等效的，因此分析偏心輪壓縮機(jī)和十字滑塊壓縮機(jī)的動(dòng)力特性，實(shí)質(zhì)上就是分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)時(shí)的動(dòng)力特性?？紤]到十字滑塊壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上的對稱性，僅以水平列為例，分析其動(dòng)力特性 。