机械设计基础模块六 常用机构的设计.ppt

模块六常用机构的设计 任务6 1平面四杆机构的设计任务6 2凸轮机构的设计任务6 3其他常用机构的认识 任务6 1平面四杆机构的设计 本任务就是设计这样在生产生活实际中使用的平面四杆机构 6 1平面机构的基本知识一 平面机构的组成若机构中各构件均在同一平面或相互平行的平面内运动 则称该机构为平面机构 1 自由度和约束一个做平面运动的自由构件具有三个独立运动 这种构件相对于参考系所具有的独立运动的数目称为构件的白由度 构件在机构当中一定会有某些独立运动受到限制 使其不再产生 这种对构件独立运动所加的限制称为约束 下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 2 运动副这种连接既要对构件的运动加以限制 又允许彼此连接的两构件之间具有一定的相对运动 这种两构件直接接触而形成的可动连接称为运动副 两构件组成的运动副是通过点 线或面的接触来实现 按两构件间的接触情况 平面运动副通常可分为低副和高副两类 1 低副 转动副 若组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动 这种运动副称为转动副 或称铰链 如图6 4 a 所示 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 移动副 若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动 这种运动副称为移动副 如图6 4 b 所示 2 高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副 如图6 5 a 中的轮齿1与轮齿2在接触处a组成高副 高副引入一个约束 保留两个白由度 由于是点 线接触 其接触部分的压强较高 易磨损 3 构件 1 固定件 机架 机构中用来支承活动构件 运动构件 的构件 任何一个机构中必定有也只能有一个构件为机架 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 2 原动件 主动件 机构中作用有驱动力或已知运动规律的构件 它的运动是由外界输入的 一般与机架相连 3 从动件 机构中除原动件以外的所有活动构件 二 平面机构运动简图 1 机构运动简图中运动副及构件的表示方法 如图6 7所示 2 平面机构运动简图的绘制步骤 分析研究机构的组成及动作原理 确定固定件 原动件和从动件 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 由原动件开始 按照各构件之间运动的传递路线 依次分析构件间的相对运动形式 确定运动副的类型和数目 选择适当的视图平面和原动件位置 以便清楚地表达各构件间的运动关系 选择适当的比例尺三 平面机构的自由度1 平面机构的自由度计算组成机构的每一个构件都要与另一个构件组成运动副 受到相应的约束 机构中的构件每加上一个约束 便失去一个自由度 运动副对白由度所产生的约束数目和约束特点 取决于运动副的形式 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 平面机构的自由度f的计算公式为2 计算平面机构自由度的注意事项 1 复合铰链 由两个以上的构件在同一处构成的转动副称为复合铰链 若有n个构件形成复合铰链时 应具有 n 1 个转动副 2 局部自由度 机构中与输出构件运动无关的自由度称为局部自由度 在计算机构自由度时 局部自由度应略去不计 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 3 虚约束 机构中与其他约束重复而对机构运动不起限制作用的约束 称为虚约束 计算机构自由度时 应除去不计 两构件间形成多个具有相同作用的运动副 分为下列三种情况 a 两构件形成多个轴线重合的转动副b 两构件组成多个移动方向一致的移动副 c 两构件组成多处接触点公法线重合的高副 两构件连接点的运动轨迹互相重合 机构中传递运动的重复部分 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 虚约束虽不影响机构的运动 但能改善机构的刚性或受力情况 保证机构顺利运动 因而在结构设计中被广泛采用 四 机构具有确定运动的条件在机构运动分析中 都要求机构有确定运动 不能产生确定相对运动或做无规则运动的一些构件难以用来传递运动 所以 要使平面机构具有确定运动 必须符合一定的条件 机构具有确定运动的条件为 f 0 且机构的自由度数f等于机构的原动件数目 2平面连杆机构平面连杆机构是一些刚性构件用转动副或移动副相互连接 组成在同一平面内运动的机构 所以也称平面低副机构 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 一 铰链四杆机构的类型及应用当平面四杆机构中的运动副均为转动副时 称为铰链四杆机构机构中与机架4相连的构件1 3称为连架杆 不与机架相连的构件2称为连杆 连架杆中相对于机架能做整周转动的构件称为曲柄 不能作整周转动而只能在一定范围内摆动的构件称为摇杆 根据两连架杆运动形式的不同 铰链四杆机构分为 三种基本类型 1 曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中 两连架杆中一个为曲柄 另一个为摇杆 此四杆机构称为曲柄摇杆机构 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 曲柄摇杆机构中 当以曲柄为原动件时 可将匀速转动变成从动件的摆动 2 双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构 双曲柄机构中 若曲柄长度不等时 通常主动曲柄做匀速转动 从动曲柄做变速转动 如图6 20所示的惯性筛机构 abcd为双曲柄机构 在双曲柄机构中 如果两个曲柄的长度相等 连杆与机架的长度也相等 则称为平行双曲柄机构 如图6 21所示 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 3 双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构 它可实现相同运动规律或不同运动规律往复摆动间的变换 常用于操纵机构 仪表机构等 二 铰链四杆机构基本类型的判别铰链四杆机构中要想存在曲柄必须满足下列两个条件 1 四杆机构中最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和 简称杆长之和条件 2 连架杆或机架中必有一杆是最短杆 简称最短杆条件 上述两个条件必须同时满足 否则四杆机构不存在曲柄 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 如果满足杆长之和条件 铰链四杆机构的类型取决于最短杆的类型 以最短杆作连架杆 为曲柄摇杆机构 以最短杆作机架 为双曲柄机构 以最短杆作连杆 为双摇杆机构 三 含移动副的四杆机构1 曲柄滑块机构由图6 23 a 可知 在曲柄摇杆机构中 杆1为曲柄 杆3为摇杆 如图6 23 b 所示 把杆4作成环形槽 槽的中心在d点 而把杆3作成弧形滑块 与环形槽相配合 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 曲柄滑块机构用于连续转动与往复移动之间的运动转换 广泛应用于内燃机 空压机和自动送料机等机械中 如图6 25所示 2 偏心轮机构对于图6 24 a 所示的对心曲柄滑块机构 如果曲柄较短 则曲柄结构形式较难实现 故常采用图6 26 a 所示的偏心轮结构形式 称为偏心轮机构 其偏心圆盘的偏心距 即等于原曲柄长度 3 导杆机构若将图6 24 a 所示的曲柄滑块机构的构件1作为机架 则曲柄滑块机构就演化为导杆机构 如图6 27所示 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 4 摇块机构若将6 24 a 所示曲柄滑块机构的构件2作为机架 则曲柄滑块机构就演化为如图6 28 a 所示的摇块机构 5 定块机构若将图6 24 a 所示曲柄滑块机构的滑块3作为机架 则曲柄滑块机构就演化为如图6 29 a 所示的定块机构 6 3平面四杆机构的基本特性一 急回特性1 极位夹角如图6 30所示为一曲柄摇杆机构 其主动曲柄ab顺时针匀速转动时 从动摇杆cd在两个极限位置间做往复变速摆动 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 曲柄回转一周 摇杆cd往复摆动一次 曲柄ab在回转一周的过程中 有两次与连杆bc共线 使从动件cd相应地处于两个极限位置c1d和c2d 此时原动件曲柄ab相应的两个位置之间所夹的锐角 称为极位夹角 2 急回运动特性机构空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度 这种特性称为急回运动特性 急回运动特性可用行程速度变化系数 或行程速比系数 k表示 即 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 上式表明 当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角时 机构便具有急回运动特性 二 平面四杆机构的传力特性在生产实际中 不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律并满足机器的运动要求 而且希望运转轻便 效率较高 即具有良好的传力性能 如图6 33所示的铰链四杆机构中 以曲柄ab为原动件 摇杆cd为从动件 f与c点绝对速度vc之间所夹的锐角称为压力角 力f可分解成两个分力f1和f2 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 显然 压力角越小 有效分力越大 对机构传动越有利 因此 压力是衡量机构传力性能的重要参数 2 传动角传动角是压力角的余角 所以压力角越小 传动角越大 机构的传力性能越好 反之 机构的传力性能越差 传动效率越低 三 死点位置如图6 34所示的曲柄摇杆机构中 当摇杆cd为主动件且机构处于图中所示的两个位置时 连杆与曲柄共线 此时压力角90 传动角 0 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 所以构件ab将不能转动 机构的这种位置称为死点 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 机构的死点位置也常常被用于实现特定的工作要求 6 4平面四杆机构的设计一 按给定的行程速比系数k设计四杆机构设计条件 所设计的机构应是具有急回运动特性的四杆机构 如曲柄摇杆机构 偏置式曲柄滑块机构和摆动导杆机构等 其中以典型的曲柄摇杆机构设计为基础 二 按连杆的预定位置设计四杆机构在生产实践中 经常要求所设计的四杆机构在运动过程中其连杆能达到某些特殊位置 这类机构的设计属于实现构件预定位置的设计问题 这类设计问题按给定条件分为两种情况 1 按给定的连杆三个位置设计平面四杆机构 上 页下 页返回 任务6 1平面四杆机构的设计 2 按给定的连杆两个位置设计四杆机构 已知铰链四杆机构中连杆的长度及两个预定位置 要求确定四杆机构的其余构件尺寸 这时 两连架杆与机架所组成转动副的中心a d可分别在b1b2和c1c2的中垂线上任意选取 得到无穷多个解 结合附加限定条件 如机架位置 结构紧凑等 从无穷解中选取满足要求的唯一解 上 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 任务引入凸轮机构是机械中的一种常用机构 因其能够实现预定的运动规律而在自动化和半自动化机械中得到广泛应用 图6 51和图6 52就是凸轮机构的应用实例 本学习任务就是按照预定要求设计凸轮机构 相关知识6 5凸轮机构的认识及应用一 凸轮机构的组成及特点如图6 53所示 凸轮机构由凸轮1 从动件2 机架3组成 凸轮是一个具有控制从动件运动规律的曲线轮廓或凹槽的主动件 通常做连续等速转动 也有做往复移动的 从动件则在凸轮轮廓驱动下按预定运动规律做往复直线运动或摆动 下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 二 凸轮机构的基本类型1 按凸轮形状分类 1 盘形凸轮 如图6 53 a 是绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件 2 移动凸轮 如图6 53 c 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷大时 绕定轴转动的盘形凸轮便变成为相对于机架作往复运动的移动凸轮 这种凸轮外形通常呈平板状 3 圆柱凸轮 将移动凸轮卷成圆柱体 即成圆柱凸轮 如图6 53 b 2 按从动件形式分类 1 尖顶从动件 如图6 54 a 所示 它是最简单 最基本的形式 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 2 滚子从动件 如图6 54 b 所示 可视为在尖顶从动件尖顶处安装一个滚子 用滚动代替滑动 从而减少摩擦和磨损 增大承载能力 因而在机械中应用最广 3 平底从动件 如图6 54 c 所示 它可视为尖顶从动件尖顶处安装一个平底 使凸轮对从动件的作用力始终与平底垂直 传动效率高 且接触面间易形成油膜 利于润滑 因而常用于高速传动 但凸轮轮廓线内凹时会因为不能接触而失真 3 按从动件的运动形式分 1 直动从动件 从动件相对机架作往复直线运动 2 摆动从动件 从动件相对机架作往复摆动 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 4 按凸轮与从动件的锁合方式分类 1 力锁合 2 形锁合 三 凸轮机构的应用 1 图6 51所示为内燃机配气机构 2 图6 56所示为自动车床上控制进刀的凸轮机构 3 图6 57所示为缝纫机拉线机构 4 录音机卷带机构中的凸轮机构 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 6 6凸轮机构的运动规律分析一 凸轮机构的运动过程和位移线图1 凸轮机构的运动过程1 凸轮机构的运动过程如图6 59 a 所示为一凸轮机构 其中以凸轮轮廓的最小向径为半径所作的圆称基圆 r为基圆半径 当凸轮以等角速度顺时针方向回转时 从动件开始上升 当凸轮转过 角度时 从动件被推至离凸轮轴心d的最远位置 这一过程为推程 ab 即为从动件的最大位移 又称为升程 相应的凸轮转角称为推程运动角 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 2 位移线图二 凸轮机构从动件常用运动规律常用的从动件运动规律有等速运动规律 等加速等减速运动规律和简谐运动规律 1 等速运动规律从动件的运动规律为 凸轮角速度为常数时 从动件速度不变 称为等速运动规律 2 等加速等减速运动规律从动件在一个行程当中 前半行程做等加速运动 后半行程做等减速运动 这种运动规律称为等加速等减速运动规律 通常取加速度和减速度的绝对值相等 因此 从动件做等 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 加速和等减速运动所经历的时间相等 又因凸轮做等速转动 所以与各运动段对应的凸轮转角也相等 3 简谐运动规律当一质点在圆周上做匀速运动时 它在该圆直径上投影所形成的运动称为简谐运动 从动件做简谐运动时 其推程的运动线图如图6 62所示 其加速度按余弦曲线变化 故又称余弦加速度运动规律 其位移曲线为简谐运动曲线 作图方法如图6 62所示 6 7凸轮机构的设计一 反转法原理 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 凸轮机构工作时 凸轮与从动件都是运动的 而绘在图样上的凸轮是静止的 为此 绘制凸轮轮廓曲线时常采用反转法 如图6 63所示 二 凸轮轮廓的绘制1 对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构 1 选择适当的比例尺 取横坐标轴表示凸轮转角 纵坐标表示从动件的位移 2 按运动区间等分位移曲线横坐标轴 确定从动件的相应位移量 3 作基圆 作各运动区间的相应等分角线 4 绘制凸轮轮廓曲线 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 2 对心直动滚子从动件盘形凸轮机构 1 把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶 按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法作出一条轮廓曲线 称为凸轮的理论轮廓曲线 是滚子中心相对于凸轮的运动轨迹 2 以理论轮廓曲线上的各点为圆心 以滚子半径r为半径作一系列滚子圆 取与基圆相同的长度比例尺 再作这些圆的光滑内切曲线 即得该滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线 三 凸轮设计中应注意的几个问题1 滚子半径的选择当采用滚子从动件时 要注意滚子半径的选择 滚子半径选择不当 使从动件不能实现给定的运动规律 这种情况称为运动失真 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 如果出现运动失真情况时 可采用减小滚子半径的方法来解决 若由于滚子半径的结构等因素不能减小其半径时 可适当增大基圆半径 以增大理论轮廓的最小曲率半径 2 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角是凸轮对从动件的法向力与该力作用点速度 方向所夹锐角 凸轮轮廓上各点的压力角是不同的 凸轮机构压力角的测量 可按图6 67所示的方法 用量角器直接量取 凸轮机构的压力角是表示机构传力性能参数 在工作行程中 当压力角超过一定数值 摩擦阻力足以阻止从动件运动 产生白锁现象 上 页下 页返回 任务6 2凸轮机构的设计 3 凸轮的基圆半径基圆半径r是凸轮的主要尺寸参数 从避免运动失真 降低压力角的要求看 r大比较好 但是从结构紧凑看 r小比较好 因此设计时要权衡两者的关系使设计达到合理 上 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 任务引入在机器中 除使用平面连杆机构 凸轮机构外 还经常会使用到棘轮机构 槽轮机构 螺旋机构等 图6 71是牛头刨床中使用的棘轮机构 图6 72所示是普通车床中所用的螺旋机构 本学习任务中我们将对棘轮机构 槽轮机构 螺旋机构等进行区分认识 6 8棘轮机构与槽轮机构一 棘轮机构的组成及原理如图6 75所示 棘轮机构由摇杆1 棘轮3 驱动棘爪2 制动棘爪5和机架4组成 当原动件摇杆逆时针转动时 装在摇杆上的驱动棘爪2嵌入棘轮的齿槽内推动棘轮转过一定角度 此时制动棘爪在棘轮的齿背滑过 下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 二 棘轮机构的类型棘轮机构的类型很多 按工作原理可分为齿式和摩擦式 按结构特点可分为外接式和内接式 见表6 1 1 齿式棘轮机构 1 单动式棘轮机构 如图6 75所示 当主动摇杆往复摆动一次时 棘轮只能单向间歇地转过某一角度 2 双动式棘轮机构 在摇杆往复摆动时都能使棘轮作同一方向的间歇转动 齿式棘轮机构具有结构简单 制造方便以及运动可靠等优点 而且棘轮的转角可以根据需要进行有级调节 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 2 摩擦式棘轮机构表6 1中所示 摩擦式棘轮机构与齿式棘轮机构相比 摩擦式棘轮机构能无级调节棘轮转角的大小 而且降低了机构的冲击和噪声 三 槽轮机构的组成及工作原理槽轮机构结构简单 工作可靠 机械效率高 能较平稳地把主动轴的等速连续转动转换为从动轴周期性间歇运动 槽轮机构主要由带有圆销的拨盘1 带有径向槽的槽轮2和机架组成 四 槽轮机构的类型 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 槽轮机构的类型可按槽轮啮合方式分为外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构 当拨盘转一周时 槽辁只作一次与拨盘转动方向相反的转动的槽轮机构 称为单圆销外啮合槽轮机构 当拨盘转一周时 槽轮能作两次反向转动的槽轮机构 称为双圆销外啮合槽轮机构 五 槽轮机构的特点及应用槽轮机构的特点是结构简单 工作可靠 在进入和退出啮合时槽轮的运动要比棘轮的运动较为平稳 另外它转位迅速 即在较短时间内槽轮能转过较大的角度 但槽轮机构的转角大小不能调节 只能更换具有相应槽数的槽轮 所以槽轮机构多用来实现不需要经常调整转动角度的转位运动 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 6 9螺旋机构一 普通螺旋传动机构1 机构的组成及常见应用形式 1 螺母固定不动螺杆回转并作直线运动 如台虎钳 压力机 螺旋千分尺 2 螺杆固定不动螺母回转并作直线运动 如螺旋千斤顶 3 螺杆回转螺母作直线运动 如机床的进给机构 4 螺母回转螺杆作直线运动 如观测仪器的高度调整机构 2 直线运动方向的判定方法 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 1 伸出左 右手 右旋螺纹用右手 左旋螺纹用左手 半握拳 四指指向为主动件回转方向 2 大拇指指向为主动件的受力方向 直线运动方向即可确定 二 差动螺旋传动机构由两个螺旋副组成的 使活动的螺母与螺杆产生差动 即不一致 的螺旋传动称为差动螺旋传动 三 滚动螺旋传动机构为了改善螺旋传动的功能 经常用滚动螺旋传动 图6 83 用滚动摩擦来替代滑动摩擦 滚动螺旋传动主要由滚珠2 螺杆3 螺母4及滚珠循环装置1组成 其工作原理是 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 在螺杆和螺母的螺纹滚道中 装有一定数量的滚珠 钢球 当螺杆与螺母作相对螺旋运动时 滚珠在螺纹滚道内滚动 并通过滚珠循环装置的通道构成封闭循环 从而实现螺杆与螺母间的滚动摩擦 滚动螺旋传动具有滚动摩擦阻力很小 摩擦损失小 传动效率高 传动时运动稳定 动作灵敏等优点 但其结构复杂 外形尺寸较大 白锁能力较差 制造技术要求高 成本较高 四 普通螺旋传动机构的应用如图6 84所示螺旋传动机构应用广泛 上 页下 页返回 任务6 3其他常用机构的认识 任务实施说明图6 71中牛头刨床的横向进给机构的工作原理 任务步骤 牛头刨床工作台的横向的间歇进给是由棘轮机构带动的 如图6