原理连杆机构设计PPT学习教案

1、会计学1原理原理 连杆机构设计连杆机构设计应用实例：应用实例：特征：特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。有一作平面运动的构件，称为连杆。特点：特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富。可满足不同要求。连杆曲线丰富。可满足不同要求。定义：定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。70 概述概述内燃机内燃机、鹤式吊鹤式吊、火车轮

2、火车轮、手动冲床手动冲床、牛头刨床牛头刨床、椭圆椭圆仪仪、机械手爪机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。第1页/共38页缺点：缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。设计复杂，难以实现精确的轨迹。分类分类:本章重点内容是介绍本章重点内容是介绍四杆机构。四杆机构。平面连杆机构平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构常

3、以构件数命名：常以构件数命名：四杆机构四杆机构、多杆机构多杆机构。第2页/共38页曲柄曲柄作整周回转的构件；作整周回转的构件；（1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构连杆连杆作平面运动的构件；作平面运动的构件；连架杆连架杆( (与机架相联与机架相联的构件的构件) )摇杆摇杆作摆动的构件；作摆动的构件；曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆71 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用一、平面四杆机构的基本型式一、平面四杆机构的基本型式铰链四杆机构的基本型式铰链四杆机构的基本型式(类型类型)机架机架（2 2）双曲柄机构）双曲柄机构 （3 3）双摇杆机构）双摇杆机构1 1、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构作用：作用

4、：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线。如雷达天线。机架机架固定件固定件铰链四杆机构铰链四杆机构组成:第3页/共38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABC1243DABDC12432 2、双曲柄机构双曲柄机构特征特征：两个曲柄：两个曲柄作用：作用：将等速回转转变为将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。回转。雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构曲柄主动曲柄主动缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构应用实例：应用实例：如如叶片泵、惯性筛叶片泵、惯性筛等。等。2143摇杆主动摇杆主动3124第4页/共38页作者：潘存云教授A AD DC CB B1 12

5、23 34 4旋转式叶片泵旋转式叶片泵作者：潘存云教授A AD DC CB B1 12 23 3ABDC1234E6惯性筛机构惯性筛机构31第5页/共38页作者：潘存云教授ABCD耕耕地地料料斗斗DCAB作者：潘存云教授耕耕地地料料斗斗DCAB实例：实例：火车轮火车轮特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB = CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行， 连杆作平动连杆作平动BC = ADABDC摄影平台摄影平台作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授BC天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构第6页/共38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授反平行四边形机构反平行

6、四边形机构-车门开闭机构车门开闭机构反向反向FAEDGBCABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。动不确定。采用两组机构错开排列。采用两组机构错开排列。火车轮火车轮第7页/共38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABDCE3 3、双摇杆机构双摇杆机构特征：特征：两个摇杆两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构特例：特例：等腰梯形机构汽车转向机构等腰梯形机构汽车转向机构、风扇摇头机构、风扇摇头机构BCABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDCEABDCE电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风

7、扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆ABDC第8页/共38页作者：潘存云教授1 1、 改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构s=l sin l二、平面四杆机构的演化型式二、平面四杆机构的演化型式第9页/共38页作者：潘存云教授2 2、改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸3 3、选不同的构件为机架选不同的构件为机架偏心轮机构偏心轮机构导杆机构导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC第1

8、0页/共38页牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例:作者：潘存云教授ABDC1243C2C1小型刨床小型刨床作者：潘存云教授ABDCE123456第11页/共38页作者：潘存云教授应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构3 3、选不同的构件为机架选不同的构件为机架ACB1234应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC摇块机构摇块机构314A2BC第12页/共38页作者：潘存云教授3 3、选不同的构件为机架选不同的构件为机架314A

9、2BC直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：方法称为：机构的倒置机构的倒置BC3214A导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC摇块机构摇块机构314A2BCABC3214第13页/共38页作者：潘存云教授abdcCBADb(d a)+ c则由则由BCD可得：可得：则由则由B”C”D可得：可得：a+d b + cc(d a)+ b即即AB为为最短杆最短杆 a+b c + d72 平面四杆机构的工作特性平面四杆机构的工作特性一、一、整转副的条件整转副的条件C”abdcA

10、Dd- - a在曲柄摇杆机构中在曲柄摇杆机构中, ,连架杆若能整周回转，必有两次与连架杆若能整周回转，必有两次与机架共线机架共线 a+ c b + d将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得： a b, ac, ad 同时,由1,2,3式可以获得:最短杆最短杆+任意杆任意杆其余两杆之和其余两杆之和第14页/共38页与最段相邻的两个转动副为与最段相邻的两个转动副为整转副整转副整转副的条件整转副的条件：最长杆与最短杆的长度之和最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和其他两杆长度之和 也称为也称为杆长和条件杆长和条件。整转副的位置：整转副的位置：铰链四杆机构类型的判定：铰链四杆机构类型的判定：当满

11、足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：构件作为机架时，可得不同的机构。如： 曲柄摇杆曲柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。第15页/共38页作者：潘存云教授ABCD二、急回运动与行程速比系数二、急回运动与行程速比系数在在曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。位于两个极限位置，简称极位。当曲柄以当曲柄以逆时针转过逆时针转过180180+时，摇杆从时，摇杆从C1D位置位置摆到摆到C2D。 所花

12、时间为所花时间为t1 , , 平均速度为平均速度为V1, ,那么有那么有：/ )180(1t1211tCCV )180/(21CCB1C1AD曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 3D180180C2B2此两处曲柄之间的夹角此两处曲柄之间的夹角 称为称为极位夹角极位夹角。第16页/共38页作者：潘存云教授B1C1ADC2当曲柄以当曲柄以继续转过继续转过180180-时，摇杆从时，摇杆从C2D,置摆到置摆到C1D，所花时间为所花时间为t2 , ,平均速度为平均速度为V2 , ,那么有：那么有： 180180-/)180(2t因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。显然：显然：t t1 1

13、 tt2 2 V V2 2 V V1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。用以下比值表示急回程度称称K为为行程速比系数行程速比系数。12VVK 18018021tt且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 只要只要 0 ， 就有就有 KK1所以可通过分析机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。11180KK设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K值，于是值，于是: 2212tCCV)180/(21CC121221tCCtCC第17页/共38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授曲柄滑块机构的急回特性曲柄滑块机构的急回特性

14、应用：应用：节省返程时间，如节省返程时间，如牛头刨牛头刨、往复式输送机等。、往复式输送机等。180180180180-导杆机构导杆机构的急回特性的急回特性 180180180180-思考题：思考题： 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构的急回特性如何？的急回特性如何？对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K, 先求出 ，然后在设计各构件的尺寸。第18页/共38页作者：潘存云教授FF F”当当BCD90BCD90时，时， BCDBCD三、三、压力角和传动角压力角和传动角压力角压力角：从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。设计时要求设

15、计时要求: : minmin5050minmin出现的位置：出现的位置：当当BCD90BCD90时，时， 180180- BCD- BCD切向分力切向分力: : F F= Fcos= Fcos法向分力法向分力: : F F”= Fcos= Fcos F F对传动有利对传动有利。=Fsin=Fsin称称为为传动角传动角。此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。为了保证机构良好的传力性能ABCDCDBAFF”F可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能的好坏, ,当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现mi

16、nmin第19页/共38页作者：潘存云教授车门车门C1B1abcdDA由余弦定律有：由余弦定律有： B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc/2bc BB2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc若若B B1 1C C1 1D90D90, ,则则若若B B2 2C C2 2D90D90, , 则则1 1B B1 1C C1 1D D2 2180180-B-B2 2C C2 2D D机构的传动角一般在运动机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度

17、量链最终一个从动件上度量。v1 1minminBB1 1C C1 1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDminminC2B22 2F F第20页/共38页作者：潘存云教授F四、四、机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆且连杆与曲柄两次共线与曲柄两次共线时时，有，有：此时此时机构不能运动机构不能运动. .避免措施：避免措施： 两组机构错开排列，如两组机构错开排列，如火车轮机构火车轮机构; ;称此位置为称此位置为：“死死点点”0 0靠靠飞轮的惯性飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBCABEFDCG0 0F0 0第21页/共

18、38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授工件工件ABCD1234PABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具=0=0TABDC飞机起落架飞机起落架ABCD=0=0F也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具起落架、钻夹具等。等。第22页/共38页73 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 1.连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题2. 用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构3.用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构4.用实验法设计四杆机构用实验法设计四杆机构第23页/共38页73 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 一、一、 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的

19、基本问题 机构选型机构选型根据给定的运动要求选择机根据给定的运动要求选择机 构的类型；构的类型；尺度综合尺度综合确定各构件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长度长度 尺寸尺寸)。 同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）运动副结构合理等）;b)动力条件（如动力条件（如minmin）;c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。第24页/共38页给定的设计条件：给定的设计条件：1)几何条件几何条件（给定连架杆或连杆的位置）（给定连架杆或连杆的位置）2)运动条件运动条件（给定（给定K）3)动力条件动力

20、条件（给定（给定minmin）设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法图解法、解析法、实验法二、二、 用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构思路：思路：首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解所需的机构尺度参数。所需的机构尺度参数。1 )按预定的运动规律设计四杆机构按预定的运动规律设计四杆机构第25页/共38页作者：潘存云教授xyABCD12341)按给定的运动规律设计四杆机构按给定的运动规律设计四杆机构给定连架杆对应位置：给定连架杆对应位置：构件构件3和和构件构件1

21、满足以下位置关系：满足以下位置关系：abcd建立坐标系建立坐标系, ,设构件长度为：设构件长度为：a 、b、c、d在在x,yx,y轴上投影可得：轴上投影可得：a+b= c+d机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角. . a coc1i i + bcos2i i =c cos3i i + d a sin1i i + b sin2i i = c sin3i i 3i if (1i i ) i =1, 2, 3n设计此四杆机构设计此四杆机构( (求各构件长度求各构件长度) )。1i i3i i2i i 令：令： a/a=1 b/a= l c/a= m d/a

22、= n第26页/共38页P1P2令令: : P0消去消去2i2i整理得：整理得：coscos( (1i1i) )m cos(3i)-(m/n)cos(3i-1i ) +(m2+n2+1-l2)/(2n)代入移项得：代入移项得： lcos2 i= n+mcos(3i)cos(1i)lsin2 i= msin(3i )sin(1i)则上式简化为：则上式简化为：coccoc( (1i 1i ) )P0cos(3i ) P1 cos(3i-1i )+ P2式中包含有式中包含有p0，p1，p2三个待定参数三个待定参数, ,故四杆机构最多故四杆机构最多可按两连架杆的三组对应未知精确求解。可按两连架杆的三组

23、对应未知精确求解。当当i3i3时，一般不能求得精确解，只能用最小二乘法近似求解。时，一般不能求得精确解，只能用最小二乘法近似求解。当当i3i = a =( A A C1A A C2)/ 2 A A C1= = a+ +b第30页/共38页作者：潘存云教授E2 22ae(2) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H，偏距，偏距e e，设计此机，设计此机构构 。计算计算: 180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C1 C2 H H作射线作射线C1O O 使使C2C1O=90, , 以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。以以A

24、 A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作射线C2O O使使C1C2 O=90。 作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。C1C29090-o9090-Al1 =EC2/ 2l2 = A = A C2EC2/ 2第31页/共38页作者：潘存云教授作者：潘存云教授ADmn=D(3) 导杆机构导杆机构分析：分析： 由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计相等，设计此此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任选任选D D作作mDnmDn，取取A A点，使得点，使得AD=d, AD=d, 则则: : a=dsin(a=dsin(/2)/2)=Ad作角分线作角分线; ;已知：已知：机架长度机架长度d，K，设计此机