平面连杆机构及设计.ppt

第三章 平面连杆机构及其设计,本章重点： 平面四杆机构的类型、 基本知识和设计。 本章难点： 平面四杆机构的设计。,3-1 平面连杆机构的特点及设计的基本问题,一、平面连杆机构： 由低副联接而成的机构。 二、平面连杆机构的特点：,1、优点：面接触承载能力强，便于润滑寿命长； 低副形状简单，易加工，易于操纵机构。,2、缺点：,（1）只能近似实现给定的运动规律; （2）设计复杂； （3）只适合速度较低的场合。,三、平面连杆机构设计的基本问题,四、设计方法：,选型设计,尺寸设计, 连杆机构的构件数目 运动副类型与数目, 转动副中心之间的距离 移动副位置尺寸,1、图解法 2、解析法 3、实验法,课外实践作品,仿生尺蠖机构,所有运动副均为转动副的平面四杆机构。 (含有0个移动副),3-2 平面四杆机构的基本型式与演化,一、铰链四杆机构,整转副：,二构件相对运动为整周转动 A,摆动副：,二构件相对运动不为整周转动 D,曲柄：,作整周转动的连架杆 1,摇杆：,非整周转动的连架杆 3,铰链四杆机构的基本形式:（根据连架杆不同运动形式分）,（1）曲柄摇杆机构,（2）双曲柄机构,（3）双摇杆机构,雷达天线俯仰机构,缝纫机机构,正平行四边形机构,鹤式起重机机构,曲柄 偏心轮 偏心轮机构 曲柄为偏心轮结构的连杆结构 偏心距曲柄长,1、扩大转动副,偏心轮机构应用： 多用于曲柄销承受较大冲击、曲柄较短、需安装在直轴中部的机器。,二、铰链四杆机构的演化,2、转动副转化成移动副,曲柄滑块机构（偏距e）,e0，偏置曲柄滑块机构,e=0， 对心曲柄滑块机构,冲床、内燃机、 空压机、曲柄压力机等。,(1),(2) 导杆机构,导杆整周转动 转动导杆机构 导杆只作摆动 摆动导杆机构,导杆 3 作用：对滑块起导路作用,牛头刨床、插床等,(3) 摇块机构,自卸卡车车厢的举升机构等,摇块 3 绕C点摇摆,(4) 定块机构（又名移动导杆机构）,手摇唧筒机构等,定块 3 固定不动,四杆机构含有一个移动副,曲柄滑块机构 导杆机构 摇块机构 定块机构,四杆机构含有二个移动副,正弦机构 正切机构 双转块机构 双滑块机构,转动副,移动副,(1) 正弦机构 (曲柄移动导杆机构 ),缝纫机的刺布机构等,移动构件 2、 3,(3) 双转块机构 (十字滑块联轴节),(2) 正切机构,移动构件 2、 3,(4) 双滑块机构 （椭圆仪）,连杆BC连线上的任一点轨迹为以A为中心的椭圆。 其中，中点D的轨迹是以A为圆心的圆。,3、更换机架,构件3为机架 定块机构 (d),构件4为机架 曲柄滑块机构 (a),构件1为机架 转动导杆机构 (b),构件2为机架 摇块机构 (c),教材中所示不同形式的四杆机构,四杆机构含有1个移动副,曲柄滑块、导杆 摇块、定块,四杆机构含有2个移动副,正弦、正切 双转块、双滑块,四杆机构含有0个移动副,曲柄摇杆、双曲柄 (曲柄主动) 曲柄摇杆、双摇杆 (摇杆主动),更换机架,更换机架,更换机架,转动副变移动副,3-3 平面四杆机构曲柄存在条件及特性,一、平面四杆机构曲柄存在条件,1、铰链四杆机构整转副存在条件,（1）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的 长度之和（称为杆长条件）； （2）组成该整转副的两构件之一为最短杆。,证明：,不失一般性，以图中的转动副A 为例，证明转动副A成为整转副的条件。,在机构运动的任一位置，若令f = lBD，则由三角形的边角关系： b+cf，b+cfmax=a+d， (B在B1处) |bc|f，|bc|fmin=|da| （B在B2处）,若ad，则|da|=da,a+bc+d,a+cb+d,a+dc+b,且 a = min,若ad，则|da|=ad,d+bc+a,d+cb+a,d+ac+b,且 d = min,铰链四杆机构曲柄存在条件(类型判定)：,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,N,双摇杆机构,Y,Y,Y,2、曲柄滑块机构曲柄存在条件,直角 AC1E：AC1AE b-ae ba+e,曲柄存在的条件: ba+e 偏置 ba 对心 ( e=0),直角 AC2E： AC2AE a+be ba-e,二、平面四杆机构工作特性,(1) 机构的急回运动特性,原动件作匀速转动，从动件相对机架作往复运动的机构，从动件正行程和反行程的平均速度不相等的特性。,曲柄摇杆机构,曲柄AB1AB2， 摇杆C1DC2D，,曲柄AB2AB1， 摇杆C2DC1D，,正行程 ：,反行程 ：,正行程慢，反行程快。,1、行程速度变化系数,(2) 行程速度变化系数,可见：越大，急回特性越显著 。,(a) 偏置曲柄滑块机构：,(3) 其它具有急回特性的机构,(b) 摆动导杆机构：,往复式运动机械中，为提高劳动生产率，要求工作行程慢，非工作行程快。,如：牛头刨床机构，刨时的速度回刀的速度,(4) 急回机构的应用,2、 压力角和传动角,(1) 压力角,从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。,(2) 传动角压力角余角,平面连杆机构经常用衡量机构的传动质量(易于测量), 有效分力, 无效分力, ，对机构传动越有利, Pt ,对机构传动越有利, 反映力的有效利用程度,(4) 传动角的计算,(3) 许用传动角,一般：,传动角是原动件位置的连续函数。因此在机构运动的一个周期中，一定存在最小传动角gmin。,高速机构：, 构件2、3的夹角,3、死点位置,(1) 死点位置:,对于曲柄摇杆机构，以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角0，,这时主动件CD 通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB 转动的“顶死” 现象，,机构的这种位置称为“死点”。,例2 曲柄滑块机构,例3 摆动导杆机构,例1 曲柄摇杆机构,避免在死点位置起动。 运转时，靠惯性冲过死点。,(2) 死点的不利影响：,运动不确定,卡死,(3) 克服死点的方法：,(4) 死点的利用：,飞机起落架机构和工件夹紧机构等。,3-4 平面四杆机构的设计, 图解法,固定铰链 A、D ：,活动铰链 B、C ：,圆心,圆或圆弧,i =1、2、N,图解设计问题作图求解各铰链中心的位置问题。,各铰链间的运动关系：,图解设计的基本原理,接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置。,这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。,这种方法又称为反转法。,为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作新机架，而将其相对的杆视为新连杆。,机构的倒置原理,1、已知连杆的三个或二个位置设计四杆机构, B点绕A点、C点绕D点定轴转动, 连接B1B2、B2B3； 作B1B2、B2B3垂直平分线交于A点； 连接C1C2、C2C3； 作C1C2、C2C3垂直平分线交于D点。,给出B、C三个位置，A、D位置唯一 给出B、C二个位置，A、D位置无穷 （需加其他条件方可获得唯一解）,目的：求解出铰链A和D。,2、按给定两连架杆的位置设计四杆机构,目的：求解出铰链C。 引入转换机架的思想，采用反转法求得。, 作DE1B2DE2B2，得B2； 作DE1B3DE3B3，得B3； 作B1B2、B2B3的垂直平分线， 交点就是所求C1。,连杆长度： b=ul B1C1 摇杆长度： c=ul D1C1,3、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,已知：摇杆CD长度、摆角y、行程速比系数K； 目的：确定铰链A,曲柄长a和连杆长b。, 由(1)式算出极位夹角； 任选D的位置，按已知条件作出 摇杆极限位置DC1和DC2; 作C2C1OC1C2O90 得C1O与C2O交点O; 以O为圆心，OC1为半径作辅助圆， A点在圆弧上任选。,（1）,实现给定点的运动轨迹实验法,设计时确定: 1、各杆的长度比例。2、描绘连杆曲线的点的位置,图谱法,本 章 知 识 点,平面四杆机构类型 曲柄存在条件 压力角和传动角 机构死点和急回特性 平面四杆机构的尺寸综合,Question ?,杆件数目？,运动副类型？,连杆机构类型？,雷达天线俯仰机构,返回机构,缝纫机机构,返回机构,正平行四边形机构,返回机构,双摇杆机构,返回机构,双摇杆机构,鹤式起重机,曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,返回机构,返回急回,曲柄压力机,导杆机构,返回机构,返回急回,摇块机构,返