《连杆机构及设计》PPT课件.ppt

2007-2008第1学期,1,机械设计基础,主讲：秦襄培 机械工程学院 机械设计研究室,2007-2008第1学期,2,第三章 平面连杆机构及设计 Planar Linkage Mechanisms and Dimensional Synthesis,31 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题 32 平面四杆机构的基本型式及其演化 33 平面四杆机构的主要工作特性 34 平面四杆机构的运动设计,连续性,2007-2008第1学期,3,定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。,共同特点： 原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件2传递到从动件3上。中间构件称为连杆。,构件多呈杆状简称为杆bar,根据杆数命名，例如：四杆机构, 31平面连杆机构的特点及其设计的基本问题,2007-2008第1学期,4,连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为：, 空间连杆机构 平面连杆机构,2007-2008第1学期,5,连杆机构的优点,承受载荷大，便于润滑 制造方便，易获得较高的精度 两构件之间的接触靠几何封闭实现 实现多种运动规律和轨迹要求,2007-2008第1学期,6,连杆机构的缺点, 运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低； 在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速；, 不能精确实现复杂的运动规设计计算较复杂,2007-2008第1学期,7,设计方法： 1.图解法，2.解析法，3.图谱法，4.实验法,平面连杆机构设计的基本问题,选型：,运动尺寸设计：,确定连杆机构的结构组成：构件数目，运动副 类型、数目。,确定机构运动简图的参数：转动副中心之间的距离；移动副位置尺寸,1、实现构件给定位置(亦称实现刚体导引）,2、实现已知运动规律,3、实现已知运动轨迹,2007-2008第1学期,8,六杆机构,四杆机构应用非常广泛，且是多杆机构的基础,着重讨论,2007-2008第1学期,9,32 平面四杆机构的基本型式及其演化,基本型式：,平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构 其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的,二杆,三杆, 不可能.,一.铰链四杆机构 Revolute Four-bar Mechanism,四杆机构,2007-2008第1学期,10,连杆,连架杆,连架杆,机架,曲柄,摇杆(摆杆),(整转),(摆转),机架frame、连杆coupler、连架杆side link,机架参考系（固定件） 连架杆与机架相联 连杆不与机架相联,曲柄crank：可回转360的连架杆 摇杆rocker：摆角小于360的连架杆 滑块slider：作往复移动的连架杆,全由转动副相联的平面四杆机构,一.铰链四杆机构,2007-2008第1学期,11,一. 铰链四杆机构基本型式 （按连架杆类型）,2007-2008第1学期,12,结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆。 运动变换：转动摇动,1. 曲柄摇杆机构 Crank-rocker Mechanism,雷达天线机构,特例：,缝纫机踏扳机构,2007-2008第1学期,13,其它应用,颚式破碎机,和面机,压力机,2007-2008第1学期,14, 结构特点：二连架杆均为曲柄 运动变换：转动转动 通常二转速不相等,2. 双曲柄机构Double-crank mechanism,应用实例：,振动筛机构,2007-2008第1学期,15,特例:,平行四边形机构,平行四边形机构 运动不确定问题,反平行四边形机构,车门开闭机构,特点：二曲柄等速,特点：二曲柄转向相反,应用1 应用2,动画,Solution:在从动曲柄上加飞轮。 错位排列,2007-2008第1学期,16,结构特点：二连架杆均为摇杆 运动变换：摆动摆动,3. 双摇杆机构 double rocker mechanism,应用实例：,铸造用大型造型机的翻箱机构,2007-2008第1学期,17,其它应用,起重机,2007-2008第1学期,18,特例,等腰梯形机构,应用实例：,基本型 铰链四杆机构： 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 平行四边形机构 反平行四边形机构 双摇杆机构 等腰梯形机构,2007-2008第1学期,19,二.平面四杆机构的演化Variation,铰链四杆机构,曲线导轨曲柄滑块机构,变3构件形状,e 0,对心式曲柄滑块机构 slider-crank mechanism,偏置式曲柄滑块机构 offset S-C,1. 改变构件形状和运动尺寸,应用,2007-2008第1学期,20,2007-2008第1学期,21,变2,3构件形状,正弦机构 sine generator / scotch yoke,s=lABsin,应用,2007-2008第1学期,22,2.改变运动副的尺寸Enlarging a revolute pair,对心式曲柄滑块机构,偏心轮机构 eccentric mechanism,1,B,B副扩大,2007-2008第1学期,23,3. 选不同构件作机架机构倒置inversion,曲柄滑块机构,2作机架,曲柄摇块机构,液压作动筒,车箱举升机构,2007-2008第1学期,24,A,曲柄滑块机构,4,C,3,直动滑杆机构 prismatic guide mech.,C,4,手动唧筒机构,应用,2007-2008第1学期,25,曲柄滑块机构,作机架,导杆机构,回转导杆机构 whitworth mech.,lBC lAB， 导杆AC整周转动,lBC lAB， 导杆AC摆动,摆动导杆机构 crank shaper mech.,应用,2007-2008第1学期,26,正弦机构,双转块机构 double slider mech.,十字滑块联轴器,2007-2008第1学期,27,正弦机构,3 作机架,双滑块机构,曲柄摇杆机构,2007-2008第1学期,28,. 运动副元素的逆换,3, 4包容 关系互换,摆动导杆机构,曲柄摇块机构,四杆机构的演化： 1 .改变构件形状和运动尺寸； 2 .改变运动副的尺寸； 3 . 选不同构件作机架； 4 .运动副元素逆换。,不同类型的四杆机构，其 传递和变换运动的特点不同， 传递和变换力的特性不同。正 确选择平面四杆机构的类型， 可以达到不同的运动和力的传 递和变换的要求。,2007-2008第1学期,29, 33 平面连杆机构的工作特性characteristic,取决于机构各杆的相对长度,一. 运动特性,1. 转动副为整转副的条件Grashof Criterion,以曲柄摇杆机构为例讨论, 分析： 构件AB要为曲柄，则转动副A应为整转副； 为此AB杆应能占据整周中的任何位置； 因此AB杆应能占据与AD共线的位置AB及AB。,动画,2007-2008第1学期,30,由DB C, 结论： 转动副A成为整转副的条件： 1)最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和 杆长条件 2)组成该整转副的两杆中必有一杆是最短杆。,2007-2008第1学期,31,推论 当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均为整转副fully rotating revolute；其余转动副为摆转副partially rotataing revolute。 平面四杆机构有曲柄的条件 机构尺寸满足杆长条件，且最短杆为机架或连架杆。,2007-2008第1学期,32,实例分析: AB70, BC90, CD110, AD40,(满足杆长条件) (1)最短杆在机架上 (2)最短杆在机架邻边 (3)最短杆在机架对边,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,ADCD40110150ABBC160,当：AD为机架 AB或DC为机架 BC为机架,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,平面四杆机构有曲柄的条件讨论:,90,70,40,110,2007-2008第1学期,33,注意：如果四杆机构不满足杆长条件，则不论取哪个构件为机架，均为双摇杆机构。 思考：曲柄滑块机构和导杆机构有曲柄的条件是什么？,风扇摇头机构,满足满足杆长条件的双摇杆机构的应用实例：,2007-2008第1学期,34,问题讨论: 曲柄滑块机构有曲柄的条件,构件a能通过m点的条件是：,构件a能通过n点的条件是：,曲柄滑块机构有曲柄的条件,2007-2008第1学期,35,导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,有曲柄，该机构是转导杆机构。,结论 导杆机构总是有曲柄的,2007-2008第1学期,36,偏置导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,2007-2008第1学期,37,没有曲柄。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,结论 偏置导杆机构有曲柄的条件是,2007-2008第1学期,38,极位夹角 crank angle between extreme positions,1 = C,1 = 1 t1 =1800 + ,2 = 1 t2 =1800 - ,t1 t2 , v2 v1,急回特性,行程速比系数K advance-to return-time ratio,急回特性的应用例。,K=1, 无急回特性,牛头刨工作要求,2. 急回特性 quick-return characteristics,动画,2007-2008第1学期,39,0,问题讨论：下列机构有无急回特性，若有，标出极位夹角。,2007-2008第1学期,40,3. 铰链四杆机构的运动连续性,(1) 连杆机构的运动连续性：指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置的运动。,可行域,可行域,指由 所确定的范围。,(2) 可行域：,指由 所确定的范围。,(3) 不可行域：,不可行域,不可行域,(4) 错位不连续 指不连通的两个可行域内的运动不连续。,2007-2008第1学期,41,(5) 错序不连续,当原动件按某一方向连续转动时，若其连杆不能按顺序通过给定的各个位置，称这种运动不连续为错序不连续。,2007-2008第1学期,42,1. 压力角和传动角,压力角pressure angle：力F的作用线与力作用点绝对速度V所夹的锐角称为压力角。,传动角transmission angle：压力角的余角称为传动角,二. 传力特性,在其它条件不变的情况下压力角越小，作功W越大,压力角是机构传力性能的一个重要指标，它是力的利用率大小的衡量指标。,2007-2008第1学期,43,2. 曲柄摇杆机构的压力角和传动角 pressure transmission angle,不计惯性力、重力、摩擦力，作用在从动件CD上受力点C的力为P。,P正交分解为Pt 和Pn，,Pt =Pcos = Psin Pn =Psin = Pcos ,压力角： 从动件受力点受力方向 与速度方向所夹之锐角。,传动角 900 - ,传力要求 min 400 500 。,出现位置： 曲柄与机架共线collinear。,重叠overlapping共线时：,拉直extended共线时：,或,2007-2008第1学期,44,问题讨论：标出下列机构在图示位置的压力角传动及最小传动角min., 00; 900., 00; 900.,2007-2008第1学期,45,死点：机构运动时出现传动角 =00 的位置。,3. 死点位置(止点位置) dead point,死点位置是不管在主动件上作用多大驱动力, 都不能在从动件上产生有效分力的机构位置,危害: 从动件卡死或运动不确定,2007-2008第1学期,46,避免死点位置的危害,加虚约束的平行四边形机构(相同机构错位排列),蒸汽机车车轮联动机构,2007-2008第1学期,47,避免死点位置的危害(续),对从动曲柄施加外力或利用飞轮或构件自身的惯性作用, 使机构通过死点,2007-2008第1学期,48,死点位置的应用,飞机起落架,夹具,2007-2008第1学期,49,小结,2007-2008第1学期,50, 34平面四杆机构设计的运动设计 Dimensional Synthesis of Planar Four-bar Linkages,一. 实现连杆给定位置,二. 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,三. 实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计,2007-2008第1学期,51, 31平面四杆机构设计的运动设计,设计一个连杆机构引导连杆上的某线段通过一些指定的位置，这样的综合问题称为刚体导引。,一. 实现连杆给定位置（刚体导引Body Guidance),2007-2008第1学期,52, 31平面四杆机构设计的运动设计,一. 实现连杆给定位置（刚体导引Body Guidance),1.图解法,（1）固定铰链位置没有给定,（2）固定铰链位置给定,2.解析法,2007-2008第1学期,53,1.图解法,（1）固定铰链位置没有给定,设计一个铰链四杆机构 ABCD 引导连杆上的线段 EF通过三个指定位置 E1F1, E2F2 及E3F3.,2007-2008第1学期,54,连杆上第一个位置活动铰链 B1 and C1 可 任意地 arbitrarily 地选定。,2007-2008第1学期,55,1) 刚体作连杆， 选定其上二 活动铰链， 即定连杆长 lBC，定比例 尺l作图；,2) 活动铰链相对于固定铰链的运动轨 迹为圆；,设计要点,3) 用三点定心法确定二固 定铰链D,C。,4) 计算待求杆长,lAB=AB l m; lCD=CD l m; lAD=AD l m;,2007-2008第1学期,56,问题讨论 实现BC三个位置有唯一解；,二位置设计，无穷解，可添加其它条件， 如机构尺寸传动角大小有无曲柄等。,四个位置设计，BC不能任意选定。但总可以 在连杆上找到一些点，其四个位置在同一圆 上，涉及布尔梅斯特理论。,五个位置设计，可能有解，可能无解。,2007-2008第1学期,57,（2）连杆BC上的一线段EF的三个位置已知，且固定铰链A和D已确定。要求设计铰链四杆机构ABCD,2007-2008第1学期,58,显然，B和C不能任取，否则，B的三个位置点的圆心不会刚好是A， C的三个位置点的圆心不会刚好是D。,2007-2008第1学期,59,像B、C这样位置待定的活动铰链称为待定活动铰链 undetermined moving revolute centre(UMRC).,含UMRC（B与C）的位置确定的（只要其上任一线段位置确定）构件FE被选为参考系reference link,2007-2008第1学期,60,构件AB位置不确定，由位置确定的点A及待定活动铰链UMRC（B）连接而成。构件AB上位置确定的点A被选为圆周点。,A点相对于参考系EF的轨迹为一圆，圆的中心是待定活动铰链UMRC（B）。,同样，D点相对于参考系EF的轨迹也为一圆，圆的中心是待定活动铰链UMRC（C）。,2007-2008第1学期,61,注意：不是所有运动已知的构件都可以作为参考系！ 只有UMRC所连接的运动已知构件才可以作为参考系!,2007-2008第1学期,62,为找到A点相对于参考系EF的轨迹，则构件EF应该是固定的。,由于构件 EF是一个活动的构件,因此应用转化机架法使EF成为固定构件或者说成为一个假想的机架。,2007-2008第1学期,63,E1,F1,E2,F2,E3,F3, C,B ,A,D,A,D,2007-2008第1学期,64,2. 解析法,在机架上建立固定坐标Oxy，连杆平面上两点M、N在该坐标系中的位置坐标为,Mi(xMi,yMi)、Ni(xNi,yNi)(i=1,2,n),以M为原点在连杆上建立动坐标系Mxy,设B、C两点在动坐标系中的位置坐标为（xB,yB)、(xC,yC),在固定坐标系中与Mi、Ni相对应的位置坐标为(xBi,yBi)、 (xCi,yCi)。,则B、C两点分别在Oxy和Mxy中坐标变换关系为：,2007-2008第1学期,65,2. 解析法,其中，i为x轴正向至x轴正向沿逆时针方向的夹角,(3-13),(3-14),2007-2008第1学期,66,2. 解析法,根据机构运动过程中两连架杆长度不变的条件：,若固定铰链中心A、D在固定坐标系中位置坐标记为（xA,yA)和（xD,yD),(i=2,3,n),(i=2,3,n),(3-17),(3-16),2007-2008第1学期,67,将（3-13）代入式（3-16）并整理得：,(i=2,3,n),(3-18),式中,2007-2008第1学期,68,问题讨论,A、D位置未给定，含四个未知量， 共(n-1)个方程，则n5时有解；,A、D位置未给定，四杆机构最多能精确实现连杆五个给定位置,A、D位置未给定，n5，可预先选定某些机构参数，以获得唯一解。,A、D位置给定，四杆机构最多能精确实现连杆三个给定位置,2007-2008第1学期,69,1. 按给定两连架杆对应位移设计四杆机构,二. 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,（1）图解法,（2）解析法,2. 按急回特性要求设计四杆机构,2007-2008第1学期,70,1. 按给定两连架杆对应位移设计四杆机构 函数生成机构设计Function Generation,车门开闭机构,如：车门开闭机构，要求两 连架杆转角相同，转向 相反。,汽车前轮转向机构，要 求两连架杆满足某种函 数关系，保证顺利转弯。,二. 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,2007-2008第1学期,71,工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置。,即，已知机架长lAD和两连架杆对应位置， 设计四杆机构（求其它三杆长）问题。,思路,先定一个连架 杆的长度。即任 取一点作为活动 铰链中心B的位置,倒置,转化机构，使 DF成为机架，成为 刚体导引。,（1）图解法： 函数生成机构设计,要点,C为UMRC，DF 为参考系，B为圆周点。,AB杆不是参考系,2007-2008第1学期,72,作图法,C1,2007-2008第1学期,73,末知杆长,lBC = lB1C1 m,lCD = lC1D m,问题讨论,给定B或C后三组对应位置有确定解；,两组对应位置问题无穷多解，可加其它条件;,四组对应位置问题BC不能任意给定。,注意问题 二连架杆的实际转向与反转方向；,2007-2008第1学期,74,（a）建立坐标系和杆矢量 （b）列杆矢量封闭方程解析式,令a/a=1, b/a=m, c/a=n, d/a=l。,（c）将两连架杆的已知对应角代入上式，列方程组求解,（2）解析法,2007-2008第1学期,75,方程共有5个待定参数，根据解析式可解条件： 当两连架杆的对应位置数N=5时 可以实现精确解。 当N 5 时 不能精确求解，只能近似设计。 当N 5 时 可预选尺度参数数目N0=5-N，故有无穷多解。,注意：N=4或5时，方程组为非线性,2007-2008第1学期,76,工程要求：设计满足给定的行程速比系数K的四杆机构,要点：掌握极位夹角及其与K的关系,思路：,A, C1, C2三点所在圆和 角之