[精品]机械设计基础46学时第2章平面连杆机构.ppt

第2章 平面连杆机构,2-1 平面机构的运动简图和自由度 2-2 平面四杆机构的基本类型 2-3 平面四杆机构的特点及设计,基本要求: 掌握基本概念 熟练掌握机构运动简图的绘制 熟练掌握机构自由度的计算方法 掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法 掌握平面四杆机构的工作特性,机械设计基础 平面连杆机构,2-1 平面机构的运动简图和自由度,一、构件 二、运动副 三、机构 四、平面机构的运动简图 五、平面机构的自由度,机械设计基础 平面连杆机构,一、构件,构件：独立影响机构功能并能独立运动的单元体 （实物、刚体、运动的整体） 机架、原动构件、从动构件 零件：单独加工的制造单元体 通用零件、专用零件,构件可以由一个零件组成 也可以由几个零件组成,原动件,机架,机械设计基础 平面连杆机构,与动力 源组合,机器的组成,(从运动观点看)由构件组成 (从制造观点看)由零件组成,机械,构件,零件,零件,构件,机构,机器,静联接,动联接,(运动副),机械设计基础 平面连杆机构,二、运动副,运动副: 两构件直接接触而形成的可动联接 运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分 接触形式: 点、线、面,机械设计基础 平面连杆机构,运动副分类,按接触形式分类 按相对运动分类,机械设计基础 平面连杆机构,按接触形式分类：,接触形式: 点、线、面 低副：面接触 高副：点、线接触,平面低副 空间低副,高副,高副,空间低副,平面低副,平面低副,机械设计基础 平面连杆机构,按相对运动分类：,运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相对运动 按相对运动分类： 转动副：相对转动 回转副、铰链 移动副：相对移动 螺旋副：螺旋运动 球面副：球面运动,机械设计基础 平面连杆机构,运动副类型小结,平面低副: 转动副、移动副 （面接触） 平面高副: 齿轮副、凸轮副 （点、线接触） 空间低副: 螺旋副、球面副、圆柱副 （面接触） 空间高副: 球和圆柱与平面、球与圆柱副 (点、线接触) 运动副特性:运动副一经形成, 组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动, 只与运动副类型有关, 而与运动副的具体结构无关。 工程上常用一些规定的符号代表运动副,机械设计基础 平面连杆机构,平面副,低副：转动副、移动副(面接触),高副：齿轮副、凸轮副(点、线接触),机械设计基础 平面连杆机构,空间副,高副：点、线接触,球面副,螺旋副,了解,机械设计基础 平面连杆机构,机构是由构件通过运动副连接而成的 原动件：按给定运动规律独立运动的构件 从动件：其余的活动构件 机 架：固定不动的构件,闭链,开链,机构,三、机构,机械设计基础 平面连杆机构,1 概述 2 构件的表示方法 3 运动副的表示方法 4 运动简图的绘制方法 5 例题,四、平面机构的运动简图,机械设计基础 平面连杆机构,1 概述,机构各部分的运动，取决于： 原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸) 机构运动简图: （表示机构运动特征的一种工程用图） 用简单线条表示构件 规定符号代表运动副 按比例定出运动副的相对位置 与原机械具有完全相同的运动特性 比较： 机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图 用途：分析现有机械，构思设计新机械,机械设计基础 平面连杆机构,2 构件的表示方法,杆、轴类构件 机架 同一构件 两副构件 三副构件,机械设计基础 平面连杆机构,3 运动副的表示方法,转动副 移动副 高副（齿轮副、凸轮副）,机械设计基础 平面连杆机构,4 运动简图的绘制方法,步骤： 确定构件数目及原动件、输出构件 各构件间构成何种运动副？（注意微动部分） 选定比例尺、投影面，确定原动件某一位置，按规定符号绘制运动简图 标明机架、原动件和作图比例尺 绘制路线：原动件中间传动件 输出构件 观察重点：各构件间构成的运动副类型 良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达 误 区：构件外形,机械设计基础 平面连杆机构,5 例题：内燃机,机械设计基础 平面连杆机构,A,B,C,E,F,D,G,例题：破碎机,机械设计基础 平面连杆机构,1,2,3,4,A,B,C,14,12,23,A14,B12,C234,3,2,4,1,4,例题：,机械设计基础 平面连杆机构,1 平面机构自由度的计算 2 机构具有确定运动的条件 3 几种特殊结构的处理 复合铰链 局部自由度 虚约束 4 小结,五、平面机构的自由度,机械设计基础 平面连杆机构,1 平面机构自由度的计算,(1) 平面运动构件的自由度 (构件可能出现的独立运动),(2) 平面运动副引入的约束R (对独立的运动所加的限制),与其它构件未连之前：3,用运动副与其它构件连接后, 运动副引入约束, 原自由度减少,R=2,R=2,R=1,结论： 平面低副引入2个约束 平面高副引入1个约束,机械设计基础 平面连杆机构,(3) 平面机构自由度计算公式,如果：活动构件数：n 低副数： pl 高副数： ph,未连接前总自由度：,3n,连接后引入的总约束数：,2pl+ph,F=3n - ( 2pl + ph ),机构自由度F：,F=3n - 2pl - ph,机械设计基础 平面连杆机构,机构自由度举例：,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,0,= 2,F =3n2plph = 3 2 ,2,2,1,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,3,4,0,= 1,F =3n2plph = 3 2 ,4,5,1,= 1,机械设计基础 平面连杆机构,F =3n2plph = 3 42 50= 2,F =3n2plph = 3 32 50= -1,F =3n2plph = 3 22 30=0,2 机构具有确定运动的条件,F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动 原动件数小于F,各构件无确定的相对运动 原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏,结论：机构具有确定运动的条件： 1 机构自由度 0 2 原动件数 机构自由度数,机械设计基础 平面连杆机构,m个构件(m2)在同一处构成转动副 m-1个低副,(1) 复合铰链,F 3n2plph 3 2 ,5,6,0, 3,F 3n 2plph 3 2 ,5,7,0, 1,错,对,计算在内,2,3,5,1,3 几种特殊结构的处理,机械设计基础 平面连杆机构,F3n2plph 3 2 ,3,3,1, 2,F3n 2plph 3 2 ,2,2,1, 1,错,对,排除,(2) 局部自由度,定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动, 不影响机构输出运动的自由度 局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠 解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件,动画,机械设计基础 平面连杆机构,不影响机构运动传递的重复约束 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束 虚约束经常发生的场合 处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉 结论,F3n2PLPH 3 2 ,F3n2PLPH 3 2 ,2,3,1,-1,错,2,2,1,1,对,排除,(3) 虚约束,机械设计基础 平面连杆机构,虚约束经常发生的场合,A 两构件之间构成多个运动副时 B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时 C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时 D 机构中对运动不起作用的对称部分,机械设计基础 平面连杆机构,A 两构件之间构成多个运动副时,两构件组合成多个转动副，且其轴线重合 两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合 两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数,目的：为了改善构件的受力情况,F3n2PLPH 3 2 ,2,2,1,1,动画,机械设计基础 平面连杆机构,B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时,在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束 计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,F3n2PLPH 3 2 ,4,6,0, 0,错,对, 1,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,机械设计基础 平面连杆机构,C 两构件上联接点的轨迹重合,在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束 计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算 同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样,F3n2PLPH 3 2 ,3,4,0,1,动画,机械设计基础 平面连杆机构,D 机构中对运动不起作用的对称部分,在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束 计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算 同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样 目的：为了改善构件的受力情况,F3n2PLPH 3 2 ,3,3,2,1,动画,机械设计基础 平面连杆机构,虚约束结论,机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动,采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要 在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件,机械设计基础 平面连杆机构,4 自由度计算小结,自由度计算公式: F3n2plph 机构自由度3活动构件数(2低副数+1高副数) 计算步骤: 确定活动构件数目 确定运动副种类和数目 确定特殊结构: 局部自由度、虚约束、复合铰链 计算、验证自由度 几种特殊结构的处理: 1、复合铰链计算在内 2、局部自由度排除 3、虚约束-重复约束排除,机械设计基础 平面连杆机构,2-2 平面四杆机构的基本类型,一、铰链四杆机构 1 基本型式 2 铰链四杆机构划分 3 平面四杆机构的工作特性 4 机构演化方式 二、偏心轮机构 三、曲柄滑块机构 四、导杆机构,机械设计基础 平面连杆机构,一、铰链四杆机构,1 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.,铰链四杆机构,机械设计基础 平面连杆机构,基本型式（续）,结构特点：四个运动副均为转动副 组成： 机架、连杆、连架杆,机架：固定不动的构件AD 连架杆：直接与机架相连的构件AB、CD 连杆：不与机架相连的构件BC 曲柄：能作整周转动的连架杆 摇杆：不能作整周转动的连架杆,连杆,连架杆,连架杆,机架,曲柄,摇杆(摆杆),(周转副),(摆转副),机械设计基础 平面连杆机构,2 铰链四杆机构划分,按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,曲柄摇杆机构,机械设计基础 平面连杆机构,(1) 曲柄摇杆机构,结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆 运动变换：转动摇动 举例：搅拌器机构、雷达天线机构,特性： 急回特征 死点,机械设计基础 平面连杆机构,(2) 双曲柄机构,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 举例：振动筛机构,机械设计基础 平面连杆机构,特殊双曲柄机构,平行四边形机构 结构特点：二曲柄等速 运动不确定问题 车门开闭机构,反平行四边形机构 结构特点：二曲柄转向相反,机械设计基础 平面连杆机构,(3) 双摇杆机构,结构特点：二连架杆均为摇杆 运动变换：摆动摆动 举例: 鹤式起重机,机械设计基础 平面连杆机构,特殊机构,等腰梯形机构 实例: 汽车前轮转向机构,机械设计基础 平面连杆机构,3 平面四杆机构的工作特性,(1)曲柄存在条件 (2)急回特征 (3)死点,机械设计基础 平面连杆机构,(1) 曲柄存在条件,曲柄存在条件： 1. 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和 2. 最短杆是连架杆或机架 最短杆参与构成的转动副都是整周副 其余均为摆转副,推论1： 当Lmax+Lmin L(其余两杆长度之和)时 最短杆是连架杆之一 曲柄摇杆机构 最短杆是机架 双曲柄机构 最短杆是连杆 双摇杆机构 推论2： 当Lmax+Lmin L(其余两杆长度之和)时 双摇杆机构,了解,机械设计基础 平面连杆机构,当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有急回特征 极位夹角： 急回特性分析： 1 = C 1 = 1 t1 =1800 + 2 = 1 t2 =1800 - t1 t2 , v2 v1 行程速比系数K,(2) 急回特征,K=1, 无急回特性 qK急回特征越显著,急回特性的应用例：牛头刨工作要求,机械设计基础 平面连杆机构,死点:传动角为零g=0(连杆与从动件共线),机构顶死,(3) 死点,M=F*L,机械设计基础 平面连杆机构,利用构件惯性力 实例:家用缝纫机 采用多套机构错位排列 实例:蒸汽机车车轮联动机构 蒸汽机车两侧利用错位排列的两套曲柄滑块机构使车轮联动机构通过死点,克服死点的措施,机械设计基础 平面连杆机构,实例:夹具 飞机起落架机构,死点的利用,折叠家具机构,机械设计基础 平面连杆机构,4 机构演化方式,1 转动副转化为移动副 2 变换构件形态 3 变更机架 4 扩大转动副尺寸,机械设计基础 平面连杆机构,二、偏心轮机构,曲柄摇杆机构,(扩大回转副),偏心轮机构,机械设计基础 平面连杆机构,偏心轮机构（续）,对心式曲柄滑块机构,偏心轮机构,1,B,B副扩大,机械设计基础 平面连杆机构,三、曲柄滑块机构,铰链四杆机构,曲线导轨曲柄滑块机构,e 0,偏置式曲柄滑块机构,对心式曲柄滑块机构,对CD杆等效转化,转动副变成移动副,机械设计基础 平面连杆机构,四、导杆机构,选不同构件作机架机构倒置,曲柄滑块机构,导杆机构,变更机架,曲柄滑块机构,导杆机构,动画,曲柄摇块机构,移动导杆机构,曲柄摇杆机构,移动导杆机构,机械设计基础 平面连杆机构,应用实例一,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,机械设计基础 平面连杆机构,应用实例二,曲柄滑块机构,C,移动导杆机构,手动唧筒机构,机械设计基础 平面连杆机构,应用实例三,曲柄滑块机构,作机架,导杆机构,回转导杆机构,lBC lAB， 导杆AC整周转动,lBC lAB， 导杆AC摆动,摆动导杆机构,机械设计基础 平面连杆机构,其它,双移动副机构,正弦机构,双转块机构 (十字滑块机构) 动画,正弦机构,双滑块机构,正切机构,了解,机械设计基础 平面连杆机构,2-3 平面四杆机构的特点及其设计简介,一、平面四杆机构的特点 二、平面连杆机构的应用 三、平面四杆机构的设计,了解,机械设计基础 平面连杆机构,一、平面四杆机构的特点,全低副（面接触），承受冲击力，易润滑，不易磨损 运动副结构简单，易加工 运动规律多样化、点的运动轨迹多样化 运动副累积误差大，效率低 惯性力难以平衡，不宜用于高速 不能精确实现复杂的运动规律，设计计算较复杂,机架,连杆,机械设计基础 平面连杆机构,1 实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动 2 实现从动件运动形式及运动特性的改变 3 实现较运距离的传动或操纵 4 调节、扩大从动件行程 5 获得较大的机械增益：输出力(矩)与输入力(矩)之比,二、平面连杆机构的应用,机械设计基础 平面连杆机构,1 实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动,圆轨迹复制机构,AMF保龄球置瓶机扫瓶机构,机械设计基础 平面连杆机构,2 实现从动件运动形式及运动特性的改变,步进式工件传送机构 运动形式改变实例,机械设计基础 平面连杆机构,3 实现较运距离的传动或操纵,应用实例：自行车手闸,机械设计基础 平面连杆机构,4 调节、扩大从动件行程,可变行程滑块机构 特点：调节 可改变滑块D的行程,汽车用空气泵机构 特点：曲辆CD短，滑块行程大,机械设计基础 平面连杆机构,5 获得较大的机械增益:输出力(矩)与输入力(矩)之比,肘节机构 特点：机械增益大,剪切机构 特点：机械增益大,机械设计基础 平面连杆机构,其它,机械设计基础 平面连杆机构,1 实现刚体给定位置的设计 机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置 2 实现已知运动规律的设计 1）给定连架杆对应位置 2）给定行程速比变化系数 3 实现预定轨迹的设计 连杆上某点通过某一预定给定轨迹的功能 图解法、解析法、实验法,三、平面四杆机构的设计,机械设计基础 平面连杆机构,1 刚体导引机构的设计,(1)应用概述 (2)刚体导引机构设计分析 (3)刚体导引机构的设计,机械设计基础 平面连杆机构,(1) 应用概述,实现刚体给定位置的设计如实现预定的连杆位置要求 机构能引导刚体（一般为连杆）通过一系列给定位置,例：飞机起落架机构: 要求实现机轮放下和收起两个位置 铸造翻砂机构: 要求实现两个翻转位置,机械设计基础 平面连杆机构,条件：给定连杆对应位置 铰链四杆机构的设计,在于确定四个铰点的位置,且关键在确定连杆两铰点的位置 连杆上的铰点一定落在以固定铰为中心的圆上 即:刚体导引机构转变成已知圆弧上的点求圆心,(2) 刚体导引机构设计分析,机械设计基础 平面连杆机构,选定连杆上两活动铰链，即确定连杆长lBC，定比例尺l作图 活动铰链相对于固定铰链的运动轨迹为圆 用三点定心法确定两固定铰链D,C 计算待求杆长 lAB=AB l m lCD=CD l m lAD=AD l m,(3) 刚体导引机构的设计,讨论： 三点唯一确定一个圆,故确定B、C点后，固定铰链A、D也唯一确定 连杆上B、C位置应根据实际情况而