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绪论 一 研究对象 1 机械 机器 三个特征 人为的实物组合 不是天然形成的 各运动单元具有确定的相对运动 必须能作有用功 完成物流 信息的传递及能量的转换 机构 机器和机构的总称 机械应用实例 有 两特征 1 机器和机构最明显的区别是 机器能作有用功 而机构不能 机构仅能实现预期的机械运动 两者之间也有联系 机器是由几个机构组成的系统 最简单的机器只有一个机构 举例 2 二 研究内容 1 机构的组成原理与结构分析 3 机器动力学 要求 解决二类问题 分析 结构分析 运动分析 动力分析 综合 设计 运动要求 功能要求 设计新的机器 2 机构的运动分析 4 常用机构及其设计 3 学习的目的 为学习后续课程和掌握专业知识打好基础为毕业设计提供机械设计知识为今后工作提供有关机械设备管理 设计的知识为机械产品的改造和创新提供指导 4 掌握本课程的特点 本课程是一门主干技术基础课 其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合 要用到物理 数学 力学 机械制图和工程材料及机械制造基础等先修课程的知识 尤其是理论力学的知识 但并不是这些课程的简单重复 而是要引导学生如何应用所学的知识解决工程实际中所遇到的问题 所以本课程的学习不同于理论课程的学习 也不同于专业课 而具有一定的理论系统性及逻辑性和较强的工程实践性的特点 因此 在学习本课程时应注意掌握基本的概念 原理及机构的分析与综合的方法 5 注重理论联系实际 本课程并不是研究某种具体的机械 而是着重研究一般机械的共性问题 即机构的结构分析和综合的基本理论和基本的方法 这些基本理论和方法是紧密为工程服务的 因此 在本课程的学习过程中 一方面要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性和逻辑性 另一方面更要注意这些理论和方法如何在工程实际中的应用 此外还应随时留意日常生活和生产中遇到的各种机械 以丰富自己的感性认识 并用所学到的理论和方法认识分析这些机械 以加深理解 使理论和实践相互促进 6 初步建立工程观点 本课程要用到很多与工程有关的名词 符号 公式 标准及参数和对机械研究的一些常用的简化方法 如倒置 反转 转化 当量 等效 代换等等 在机构分析与综合中 除解析法外 还介绍实验法以及试凑法等一些工程中实用的方法 因此在学习时 对名词应正确理解其含义 对公式应着重于应用 而对方法则着重掌握其基本原理和作法 另外 实际工程工程问题都是涉及多方面的因素的问题 其求解可采用多种方法 其解一般也不是唯一的 这就要求设计者具有分析 判断 决策的能力 要养成综合分析 全面考虑问题的习惯和科学严谨 一丝不苟的工作作风 7 认真对待教学的每一个环节 本课程全部教学工作的完成 需要自学 听课 习题课 实验课 课后作业 答疑和考试等教学环节 要学好这门课 希望大家对每个教学环节予以充分重视 希望大家要自觉地 认真地按要求完成各项学习任务 下一章 8 内燃机 9 工件自动装卸装置 10 六自由度关节式工业机器人 11 蒸汽机车 内燃机车 电力机车 机车 12 汽车是指能自带能源的机动轮式无轨车辆 它是使用最广泛的交通运输工具 按运输对象汽车可分为客运汽车和货运汽车 简称货车 两大类 汽车 13 船舶是指能航行或停泊于水域进行运输或作业工具 按不同的使用要求而具有不同的技术性能 装备和结构型式 船舶在国防 国民经济和海洋开发等方面都占有十分重要的地位 船舶从史前刳木为舟起 经历了独木舟和木板船时代 1879年世界上第一艘钢船问世后 又开始了以钢船为主的时代 船舶的推进也由19世纪的依靠人力 畜力和风力 即撑篙 划桨 摇橹 拉纤和风帆 发展到使用机器驱动 船舶 14 飞机 15 焊接机器人 主要研究 焊接机器人 把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人 可兼作弧焊 点焊 搬运 装配 切割作业 产品的标准化 通用化 模块化 系列化设计 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发 激光发射器的选用 CCD成象系统 视觉图象处理技术 视觉跟踪与机器人协调控制 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真 16 仿生智能机械 17 机器的组成 1 动力系统 机械动力的来源 2 执行系统 能完成机械预期的动作和功能 3 传动系统 把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节 4 自动控制部分 18 进气 压缩 爆炸 排气 内燃机的工作过程 内燃机的机构组成曲柄滑块机构 凸轮机构 齿轮机构 实现移动与转动之间的运动转换 启闭进气阀 排气阀 保证进气阀 排气阀和活塞之间的协调动作 19 2 工件自动装卸装置 凸轮机构 带传动机构 蜗杆传动机构 连杆机构 机构组成 工作原理1 滑杆左移 夹持器将工件夹住 2 滑杆带着工件右移 夹持器动爪受挡块的压迫将工件松开 工件落入载送器被传送到下一道工序 20 本章教学目的 了解机构的组成 搞清运动副 运动链 自由度等概念 能绘制常用机构的机构运动简图 能计算平面机构的自由度 了解平面机构组成的基本原理 掌握平面机构结构分析的方法 第一章平面机构的结构分析 21 第一章平面机构的结构分析 本章教学内容 1 1平面机构的组成1 2平面机构的运动简图1 3平面机构自由度1 4机构的组成原理及结构分析1 5平面机构中的高副低代 22 1 构件 Link 机械的独立运动单元 传递运动和力的载体 实例 内燃机中的缸体 活塞 连杆 曲轴等 第一节平面机构的组成 内燃机连杆 23 构件可以是一个零件 也可以由几个零件刚性连接组成 实例 连杆由连杆体 轴瓦 连杆盖 螺栓 垫圈 螺母 连杆衬套等相互刚性连接组成 零件 Part 是机械的制造单元 24 2 运动副两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互直接接触所形成的可动连接 运动副元素 两个构件上相互接触的表面 25 运动副元素不外乎为点 线 面 26 1 构件的自由度 指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动 一个自由构件在空间具有6个自由度 2 约束 指通过运动副连接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目 运动副引入的约束数 最多为5个 构件自由度与约束 27 一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度为sx sy sz x y z 即自由度数F 6 平面运动刚体的自由度为sx sy z 即自由度数F 3 刚体的自由度 28 观察图示两构件组成的圆柱副 两构件保留的相对运动sz和 z 即自由度数F 2 两构件之间受限制的相对运动sx sy x和 y 即约束数s 4 29 运动副的分类 按运动副引入的约束数分类I级副 II级副 III级副 IV级副 V级副 按运动副的接触形式分类点 线接触的运动副 高副面与面接触的运动副 低副 按两构件相对运动的形式分类平面运动副空间运动副 按接触部分的几何形状分类圆柱副 球面副 螺旋副 球面 平面副 平面 平面副 球面 圆柱副 圆柱 平面副等等 30 运动副举例 球面 平面副Sphere planepair空间I级高副 圆柱 平面副Cylinder planepair空间II级高副 31 球面副Sphericalpair空间III级低副 球销副Sphere pinpair空间IV级低副 32 圆柱副Cylindricpair空间IV级低副 螺旋副Helicalpair空间V级低副 33 转动副Revolutepair平面V级低副 轴承Bearing 铰链Hingedjoint 34 移动副Prismaticpair Slidingpair平面V级低副 35 运动副的封闭保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭 几何封闭 Geometricclosure 力封闭 Forcedclosure 弹簧力封闭 重力封闭 36 3 运动链 运动链 指两个以上的构件通过运动副连接而构成可相对运动的系统 闭链 运动链的各构件构成首尾封闭的系统 开链 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统 37 平面运动链 各构件间的相对运动为平面运动的运动链 空间运动链 各构件间的相对运动为空间运动的运动链 空间运动链 38 4 机构 机构 机构 机架 原动件 从动件系统 39 4 机构 机构 在运动链中将一构件加以固定 而其余构件都具有确定的运动 则运动链便成为机构 机架 机构中固定不动构件 平面机构 机构中各构件间的相对运动为平面运动 空间机构 机构中各构件间的相对运动为空间运动 机架 原动件 原动件 机构中按给定的运动规律独立运动的构件 从动件 机构其余活动构件 40 平面机构是应用最广泛的机构 平面运动副的约束数为1 s 2 点 线接触的平面运动副 平面高副 面接触的平面运动副 平面低副转动副移动副 滚动副凸轮副齿轮副 41 1 2机构运动简图 机构运动简图 机构运动简图 指根据机构的运动尺寸 按一定的比例尺定出各运动副的位置 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副 绘制出表示机构运动关系的简明图形 为什么要画机构运动简图 机构的运动 与原动件运动规律 运动副类型 机构运动尺寸有关 42 机构示意图 机构的示意图 指为了表明机构结构状况 不要求严格地按比例而绘制的简图 常用运动副和构件的表示方法 机构运动简图应满足的条件 构件数目与实际机构相同 运动副的性质 数目与实际机构相符 运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例 43 常用运动副的符号 运动副符号 两运动构件构成的运动副 转动副 移动副 平面运动副 两构件之一为固定时的运动副 运动副名称 44 平面高副 螺旋副 球面副球销副 空间运动副 平面运动副 45 构件的表示方法 杆 轴构件 固定构件 同一构件 46 三副构件 两副构件 构件的表示方法 47 画构件时应撇开构件的实际外形 而只考虑运动副的性质 48 常用机构运动简图符号 摘自GB T4460 1984 49 常用机构运动简图符号 续 50 常用机构运动简图符号 续 51 2 确定运动副类型和数目 3 选定比例尺 用线条和规定符号作图 例绘制转动翼板式水泵机构运动简图 绘制旋转泵机构运动简图 绘制图示机构的机构运动简图 画机构运动简图的方法 1 确定构件数目 辨清主 从动件 52 机架 原动件 从动件 例2 作图步骤 1 分析结构和相对运动2 选择视图平面和比例尺3 选择原动件的一个位置4 按表达方式作图 例1 53 1 2 3 4 A B C 14 12 23 A14 B12 C234 3 2 4 1 4 例题3 54 例题4 内燃机 55 例题5 绘制图示颚式破碎机的机构运动简图 分析 该机构有6个构件和7个转动副 6 56 A B C E F D G 例题5 破碎机 57 平面机构运动简图绘制举例 偏心泵 例题 58 例题7 图示为一冲床 绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件 与滑块2在B点铰接 滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动 拨叉3与圆盘4为同一构件 当圆盘4转动时 通过连杆5使冲头6实现冲压运动 试绘制其机构运动简图 画机构运动简图的方法 分析 绘制简图 59 1 分析机构的组成及运动情况 确定机构中的机架 原动部分 传动部分和执行部分 以确定运动副的数目 2 循着运动传递的路线 逐一分析每两个构件间相对运动的性质 确定运动副的类型和数目 3 恰当地选择投影面 一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面 选择适当的比例尺 定出各运动副之间的相对位置 用规定的简单线条和各种运动副符号 将机构运动简图画出来 从原动件开始 按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号 在原动件上标出箭头以表示其运动的方向 小结 60 实例分析 1 3平面机构自由度 四杆机构 给定一个独立运动参数 其余构件有确定运动 机构中给定独立运动参数的构件为原动件 问题 取运动链中某个构件为机架 其余构件在什么条件下才具有确定运动 61 五杆机构 一机构具有确定运动的条件 给定一个独立运动参数 机构没有确定运动 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度 给定两个独立运动参数 机构有确定运动 62 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 02原动件数 机构自由度数 结论 63 二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 64 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 65 机构自由度举例 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 0 2 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 F 3n 2pl ph 3 2 3 4 0 1 F 3n 2pl ph 3 2 4 5 1 1 66 自由度F 0原动件数目 机构自由度数目 n 6 Pl 8 Ph 1 3与5同一构件 F 3n 2Pl Ph 3 6 2 8 1 1 原动件 机构有确定运动 例 机构具有确定运动的条件 F 0不动 多于不确定 少于破坏 3 67 内燃机及其机构运动简图 F 3n 2pl ph 3 6 2 7 3 1 68 直线机构 计算错误的原因 三计算机构自由度时应注意的问题 举例直线机构自由度计算 解n 7 pL 6 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9错误的结果 两个转动副 69 复合铰链定义 两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副 k个构件组成的复合铰链 有 k 1 个转动副 正确计算B C D E处为复合铰链 转动副数均为2 n 7 pL 10 pH 0F 3n 2pL pH 3 7 2 10 1 70 准确识别复合铰链举例关键 分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副 两个转动副 两个转动副 两个转动副 两个转动副 两个转动副 两个转动副 71 实例分析2 计算图示凸轮机构自由度 解 F 3n 2pl ph 3 3 2 3 1 2 F 3n 2pl ph F 3 3 2 3 1 1 1 方法二 假想构件2和3焊成一体 F 3n 2pl ph 3 2 2 2 1 1 局部自由度 计算机构自由度应注意的事项 续 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动 把这种局部运动的自由度称为局部自由度 数目用F 表示 注意 计算机构自由度时 应将局部自由度除去不计 方法一 72 指机构在某些特定几何条件或结构条件下 有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束 用P 表示 计算机构自由度应注意的事项 续 虚约束 注意 在计算自由度时 应将虚约束除去不计 将因虚约束而减少的自由度再加上 即 F 3n 2pl ph P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数 F 3n 2pl ph 去除虚约束的方法 73 虚约束定义 机构中不起独立限制作用的重复约束 计算具有虚约束的机构的自由度时 应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去 虚约束发生的场合 两构件间构成多个运动副 74 若两构件在多处相接触构成平面高副 且各接触点处的公法线重合 则只能算一个平面高副 若公法线方向不重合 将提供各2个约束 此两种情况没有虚约束 75 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 附加的构件5和其两端的转动副E F提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一个约束 但这个约束对机构的运动不起实际约束作用 为虚约束 去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 76 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合 附加的构件4和其两端的转动副E F以及附加的构件1和其两端的转动副A B提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一个约束 但这个约束对机构的运动不起实际约束作用 为虚约束 去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 平行四边形机构 椭圆仪机构 构件2和4在E点轨迹重合 构件1和2在B点轨迹重合 77 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 对称布置的两个行星轮2 和2 以及相应的两个转动副D C和4个平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束 未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1 周转轮系 去掉虚约束后 F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 1 78 虚约束的作用 改善构件的受力情况 分担载荷或平衡惯性力 如多个行星轮 增加结构刚度 如轴与轴承 机床导轨 提高运动可靠性和工作的稳定性 如机车车轮联动机构 注意 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 则虚约束将变成实际有效的约束 从而使机构不能运动 79 小结 计算机构自由度应注意的事项 续 存在于转动副处正确处理方法 复合铰链处有m个构件则有 m 1 个转动副 复合铰链 局部自由度 常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处 正确处理方法 计算自由度时将局部自由度减去 虚约束 存在于特定的几何条件或结构条件下 正确处理方法 将引起虚约束的构件和运动副除去不计 80 典型例题一 计算图示某包装机送纸机构的自由度 并判断该机构是否有确定运动 解法2 复合铰链 D包含2个转动副局部自由度 F 2虚约束 杆8及转动副F I引入1个虚约束 计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度 动画演示 解法1 计算机构自由度典型例题分析 n 6pl 7ph 3F 3n 2pl ph 1 81 典型例题二 计算图示机构的自由度 如有复合铰链 局部自由度和虚约束 需明确指出 画箭头的构件为原动件 解 分析 计算机构自由度典型例题分析 82 典型例题二 续 计算机构自由度典型例题分析 83 一 机构的组成原理 机构具有确定运动的条件 自由度数 原动件数 基本杆组 把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组 1 4平面机构的组成原理及结构分析 1 杆组 机架和原动件与从动件组分开 从动构件组自由度为零 可以再拆成更简单的自由度为零的杆组 84 基本杆组应满足的条件F 3n 2pL 0即n 2 3 pL 基本杆组的构件数n 2 4 6 基本杆组的运动副数pL 3 6 9 根据n的取值基本杆组分为以下几种情况 n 2 pL 3的双杆组 II级组 内接运动副 外接运动副 R R R组 R R P组 R P R组 P R P组 R P P组 85 n 4 pL 6的多杆组III级组 结构特点有一个三副构件 而每个内副所联接的分支构件是两副构件 86 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上 就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构 2 机构的组成原理 动画演示 机构组成过程 机构创新设计应遵循的原则利用机构组成原理进行机构创新时 在满足相同工作要求的条件下 机构的结构越简单 杆组的级别越低 构件数和运动副数越少越好 87 机构结构组成举例 注意杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上 88 在进行新机械方案设计时 可以按设计要求由杆组组成机构 进行创新设计 89 二 平面机构的结构分类 II级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构 III级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构 级机构只由机架和原动件组成的机构称为 级的机构 杠杆机构 斜面机构 机构结构分类的依据 根据机构中基本杆组的级别进行分类 90 结构分析目的 三 平面机构的结构分析 了解机构的组成 确定机构的级别 把机构分解为基本杆组 机架和原动件 结构分析的过程 拆杆组 从离原动件最远的构件开始试拆 先拆II级组 若不成 再拆III级组 每拆出一个杆组后 机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构 直到只剩原动件为止 杆组拆分原则 机构结构分析步骤 典型例题1 试确定图示机构级别 1 正确计算机构的自由度 2 根据机构拆分原则进行拆分3 最后定出机构的级别 杆组拆分示例 91 机构结构分析举例 机构级别III级机构 III级组 II级组 92 机构级别II级机构注意机构的级别与原动件的选择有关 II级组 II级组 II级组 93 平面机构中高副低代的目的为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构 需要进行平面机构的高副低代 高副低代的含义根据一定条件对平面高副机构中的高副虚拟地用低副来代替的方法 高副低代的条件 代替前后机构的自由度不变 代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变 1 5平面机构的高副低代 94 1 5平面机构的高副低代 续 高副低代方法 结论 用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副 且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心 分析 高副 提供1个约束低副 提供2个约束 不能直接用低副来代替 如何进行高副低代 高副两元素均为圆弧 高副元素为非圆曲线 95 高副两元素之一为直线 高副两元素之一为一点 因其曲率半径为零 其中一个转动副就在该点处 因其曲率中心在无穷远处 则其中的一个转动副变为移动副 典型例题一 试确定图示高副机构的级别 96 典型例题二 计算图示机构的自由度 分析机构组成情况 画箭头的构件为原动件 解 1 分析 2 计算自由度 去除需约束和局部自由度后机构简图 3 高副低代 97 典型例题二 续 4 结构分析 二级机构 98 例3对图示电锯机构进行结构分析 解 n 8 pL 11 pH 1 F 3n 2pL pH 3 8 2 11 1 1 1 机构无复合铰链和虚约束 局部自由度为滚子10绕自身轴线的转动 99 拆分基本杆组 II级机构 100 机构具有确定运动的条件 机构原动件数 机构自由度数 F 3n 2pl ph 3n 2pl ph 计算机构自由度应注意的事项 复合铰链 局部自由度 虚约束 平面机构自由度的计算 第二章平面机构的结构分析 机构的组成 机构运动简图 构件 运动副 运动链 机构 本章小结 101 第二章平面机构的结构分析 平面机构的组成原理把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构 结构分类及结构分析 注意杆组拆分原则 平面机构中的高副低代代替条件 代替前后机构的自由度不变 代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变 代替方法 用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副 且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心 本章小结 102 本章教学目标 第二章平面连杆机构及其设计 了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点 了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用 明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数等概念 对传动角 死点 运动连续性等有明确的概念 了解平面四杆机构设计的基本问题 掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法 103 第二章平面连杆机构及其设计 2 1连杆机构及其特点2 2平面连杆机构的类型及应用2 3平面连杆机构的特性2 4平面四杆机构的设计2 5多杆机构 本章教学内容 104 2 1连杆机构及其传动特点 一 何谓连杆机构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 原动件的运动经过不与机架直接相连的中间构件传递到从动件上 中间构件称为连杆 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 构件多呈杆状 简称为杆 根据杆数命名 四杆机构 105 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 106 优点 连杆机构为低副机构 运动副为面接触 压强小 承载能力大 耐冲击 运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面 便于加工制造 在原动件运动规律不变情况下 通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律 可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求 缺点 由于运动积累误差较大 因而影响传动精度 由于惯性力不好平衡而不适于高速传动 设计方法比较复杂 一般只能近似满足运动规律要求 二 连杆机构的特点 107 2 2平面四杆机构的类型及应用 一 平面四杆机构的基本型式 基本型式 铰链四杆机构 连架杆 连架杆 连杆 曲柄 能作整周回转的连架杆 摇杆 只能在一定范围内摇动的连架杆 周转副 组成转动副的两构件能整周相对转动 摆转副 不能作整周相对转动的转动副 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 运动副全为转动副 动画演示 108 曲柄摇杆机构 铰链四杆机构中 若其两个连架杆一为曲柄 一为摇杆 则此四杆机构称为曲柄摇杆机构 应用 109 在铰链四杆机构中 若其两个连架杆都是曲柄 则称为双曲柄机构 双曲柄机构 惯性筛机构 平行四边形机构 指相对两杆平行且相等的双曲柄机构 平行四边形机构特性 两曲柄同速同向转动 连杆作平动 110 平行四边形机构的应用实例 播种机料斗机构 111 逆平行 反平行 四边形机构 指两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构 应用实例 112 双摇杆机构 铰链四杆机构若两连架杆都是摇杆 则称其为双摇杆机构 应用实例 等腰梯形机构 指两摇杆长相等的双摇杆机构 应用实例 汽车前轮转向机构 动画 鹤式起重机 113 二 平面四杆机构的演化型式 改变构件的形状和运动尺寸 机构演化动画 曲线导轨曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构 偏置曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 114 对心曲柄滑块机构 正弦机构 双滑块机构 从动件3的位移与原动件1的转角成正比 移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来 二 平面四杆机构的演化型式 续 115 改变运动副的尺寸 偏心轮机构 曲柄滑块机构 当曲柄AB的尺寸较小时 由于结构需要 常将曲柄作成几何中心与回转中心不重合的圆盘 称此圆盘为偏心轮 几何中心与回转中心间的距离称为偏心距 等于曲柄长 二 平面四杆机构的演化型式 续 实例 116 通过选用不同构件为机架 导杆机构 导杆机构应用实例 小型刨床 牛头刨床 二 平面四杆机构的演化型式 续 回转导杆机构 指导杆能作整周转动的导杆机构 摆动导杆机构 指导杆只能在一定的角度内摆动的导杆机构 117 曲柄摇块机构 定块机构 卡车车厢举升机构 手摇唧筒 选运动链中不同构件为机架得不同机构的方法称为机构的倒置 二 平面四杆机构的演化型式 续 118 运动副元素的逆换 对于移动副 将运动副两元素的包容关系进行逆换 并不影响两构件之间的相对运动 摆动导杆机构 构件2包容构件3 构件3包容构件2 曲柄摇块机构 二 平面四杆机构的演化型式 续 例 119 2 3平面四杆机构的特性 一 平面四杆机构有曲柄的条件 分析 构件AB要为曲柄 则转动副A应为周转副 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 由 DB C 120 结论 转动副A成为周转副的条件 1 最短杆长度 最长杆长度 其余两杆长度之和 杆长条件2 组成该周转副的两杆中必有一杆是最短杆 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周转副 其余转动副为摆转副 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 一 平面四杆机构有曲柄的条件 续 注意 121 例 图示机构尺寸满足杆长条件 当取不同构件为机架时各得什么机构 取最短杆相邻的构件为机架得曲柄摇杆机构 最短杆为机架得双曲柄机构 取最短杆对边为机架得双摇杆机构 一 平面四杆机构有曲柄的条件 续 122 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 思考题 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 满足杆长条件的双摇杆机构的应用实例 一 平面四杆机构有曲柄的条件 续 例题 123 二 急回运动和行程速比系数 1 机构极位 曲柄回转一周 与连杆两次共线 此时摇杆分别处于两极限位置 称为机构极位 2 极位夹角 机构在两个极位时 原动件所处两个位置之间所夹角的补角 称为极位夹角 3 急回运动 曲柄等速转动情况下 摇杆往复摆动的平均速度一快一慢 机构的这种运动性质称为急回运动 摇杆C点平均速度 124 4 行程速比系数K为表明急回运动程度 用反正行程速比系数K来衡量 q角愈大 K值愈大 急回运动性质愈显著 二 急回运动和行程速比系数 续 对心曲柄滑块机构 0 没有急回运动 偏置曲柄滑块机构 0 有急回运动 125 摆动导杆机构的急回运动 机构急回的作用 节省空回时间 提高工作效率 注意 急回具有方向性 二 急回运动和行程速比系数 续 实例 传动角 126 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 回顾 127 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 128 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 129 3 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周转副其余均为摆转副 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 130 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 1t1 1800 2 1t2 1800 t1 t2 v2 v1行程速比系数K 4 急回特征 K 1 无急回特性q K 急回特征越显著 急回特性的应用例 牛头刨工作要求 131 1 机构压力角机构从动件上作用点的力与该点的速度方向之间所夹的锐角 为机构在此位置的压力角a 三 四杆机构的传动角与死点 2 传动角机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角g 机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏 132 曲柄摇杆机构 gmin出现在曲柄与机架共线的两位置之一 3 最小传动角的位置 或 三 四杆机构的传动角与死点 续 133 曲柄摇杆机构 若以摇杆CD为主动件 则当连杆与曲柄共线时 机构传动角为零 这时CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心 出现不能使构件AB转动而 顶死 的现象 机构的这种位置称为死点 4 死点 三 四杆机构的传动角与死点 续 134 曲柄滑块机构的死点位置 三 四杆机构的传动角与死点 续 135 传动机构中使机构通过死点的措施 措施一 将两组以上组合而使各组机构死点错位排列 措施二 加装飞轮利用惯性使机构通过死点位置 机车车轮联动机构 缝纫机脚踏板机构 三 四杆机构的传动角与死点 续 136 利用死点实现特定工作要求的机构示例 工件夹紧机构 三 四杆机构的传动角与死点 续 137 飞机起落架机构 死点的利用 折叠家具机构 138 四 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 139 5 错序不连续 当原动件按同一方向连续转动时 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 140 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 五 平面连杆机构的应用 141 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 142 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 143 3实现较运距离的传动或操纵 应用实例 自行车手闸 144 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 145 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 146 其它 147 2 4平面四杆机构的设计 一 平面连杆设计的基本问题 1 平面连杆机构设计的基本任务第一是根据给定的设计要求选定机构型式 第二是确定各构件尺寸 并要满足结构条件 动力条件和运动连续条件等 2 平面连杆机构设计的三大类基本命题 1 满足预定的运动规律要求 要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位置关系 要求在原动件运动规律一定的条件下 从动件能够准确地或近似地满足预定的运动规律要求 148 设计时要求两连架杆的转角应大小相等 方向相反 以实现车门的起闭 利用两连架杆的转角关系实现对数计算 对数计算机构 满足预定运动的规律要求机构示例 一 平面连杆设计的基本问题 续 149 2 满足预定的连杆位置要求 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 又称为刚体导引问题 150 3 满足预定的轨迹要求 轨迹生成机构 实现预定轨迹的设计即要求机构中连杆上某点的轨迹能与给定的曲线相一致 或能通过给定曲线上的若干一系列的点 例 鹤式起重机 要求连杆上某点能生成近似直线轨迹搅拌器机构 要求连杆上某点按搅拌材料生成某种轨迹 151 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 4 1 用图解法设计四杆机构 1 按预定的连杆位置设计四杆机构 1 已知活动铰链中心的位置 152 A D 已知连杆长度及两预定位置B1C1 B2C2 设计该四杆机构 设计步骤 B1 C1 C2 B2 设计分析 和 分别在B1B 和C1C 的垂直平分线上 铰链 和 位置已知 固定铰链 和 未知 铰链 和 轨迹为圆弧 其圆心分别为点 和 动画演示 153 已知连杆长度 要求机构在运动过程中占据图示B1C1 B2C2 B3C3三个位置 试设计该四杆机构 b12 B1 B2 B3 b23 C1 C2 C3 c23 设计步骤 动画演示 1 按预定的连杆位置设计四杆机构 续 154 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 使作为新机架杆的各个位置重合 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 可将待求的活动铰链所在的杆视作新机架 而将其相对的杆视作新连杆 机构的倒置原理 2 已知固定铰链中心的位置 155 2 已知两固定铰链位置及连杆上两点运动过程中的三个位置 取连杆为机架的反转法 156 分析 在连杆上任取一点为铰链点 则在连杆四个预定位置上的该点不一定在同一圆周上 导致无解 给定连杆的4个位置 设计四杆机构 当按5个位置设计四杆机构时 一般只能近似求解 怎么办 圆心点 圆点所在圆弧的圆心 即为固定铰接点 1 按预定的连杆位置设计四杆机构 续 找圆点 连杆上总能找到一些点 使其在连杆4个位置上的对应点位于同一个圆周上 称这些点为圆点 并取为活动铰链点 157 1 设计方法机构转化法或反转法 指根据机构的倒置理论 通过取不同构件为机架 将按连架杆预定位置设计四杆机构转化为按连杆预定位置设计四杆机构的方法 2 按两连架杆的预定位置设计四杆机构 机构倒置 158 2 按两连架杆的预定位置设计四杆机构 续 用机构转化法设计过程动画演示 159 设计要求 已知机架长度d 要求原动件顺时针转过 12角时 从动件相应的顺时针转过 12 试设计四杆机构 给定连架杆的两个对应位置设计四杆机构 设计步骤 动画演示 2 按两连架杆的预定位置设计四杆机构 续 160 设计要求 已知机架长度d 要求原动件顺时针转过 12 13角时 从动件相应的顺时针转过 12 13 试设计四杆机构 给定连架杆的3个对应位置设计四杆机构 设计步骤 动画演示 2 按两连架杆的预定位置设计四杆机构 续 161 设计要求 已知机架长度d 要求原动件逆时针转过 12 13 14角时 从动件相应的逆时针转过 12 13 14 给定连架杆的4个对应位置设计四杆机构 2 按两连架杆的预定位置设计四杆机构 续 设计步骤 动画演示 162 曲柄摇杆机构设计要求 已知摇杆的长度CD 摆角 及行程速比系数K 设计过程 3 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 设计步骤 动画演示 163 已知条件 滑块行程H 偏矩e和行程速比系数K 曲柄滑块机构 3 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 续 设计步骤 动画演示 164 3 导杆机构 已知条件 摆动导杆机构的机架长度d 行程速比系数K设计此机构 165 1 按预定的运动规律设计四杆机构 按两连架杆的对应位置设计四杆机构 2 4 2用解析法设计四杆机构 已知设计要求 从动件3和主动件1的转角之间满足一系列对应位置关系 分析 运动变量 设计参数 杆长a b c d和a0 f0 令a a 1 b a m c a n d a l m n l a0 f0 166 设计步骤 1 建立坐标系和杆矢量 2 列杆矢量封闭方程解析式 令a a 1 b a m c a n d a l 3 将两连架杆的已知对应角代入上式 列方程组求解 按两连架杆的对应位置设计四杆机构 续 167 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 注意 N 4或5时 方程组为非线性 按两连架杆的对应位置设计四杆机构 续 168 例题 试设计如图所示铰链四杆机构 要求其两连架杆满足如下三组对应位置关系 q11 45o q31 50o q12 90o q32 80o q13 135o q33 110o 分析 求解 将三组对应位置值代入解析式得 N 3则N0 2常选a0 f0 0o 根据结构要求 确定曲柄长度 可求各构件实际长度 按两连架杆的对应位置设计四杆机构 续 169 按期望函数设计四杆机构 期望函数 要求四杆机构两连架杆转角之间实现的函数关系y f x 再现函数 连杆机构实际实现的函数y F x 设计方法 插值逼近法 1 插值结点 再现函数和期望函数曲线的交点 2 插值逼近法 指按插值结点的值来设计四杆机构 170 在给定自变量x0 xm区间内选取结点 则有f x F x 将结点对应值转化为两连架杆的对应转角 代入解析方程式 列方程组求解未知参数 3 用插值逼近法设计四杆机构的作法 结点位置 f x F x 结点以外的位置 Dy f x F x 0 4 插值结点的选取 偏差大小取决结点数目和分布位置 结点位置的分布根据函数逼近理论按下式选取 结点数 最多为5个 i 1 2 m m为插值结点总数 典型例题分析 按期望函数设计四杆机构 续 171 设计要求 要求连杆上某点M能占据一系列的预定位置Mi xMi yMi 且连杆具有相应的转角 2i 设计思路 建立坐标系Oxy 将四杆机构分为左侧双杆组和右侧双杆组分别讨论 2 按预定的连杆位置设计四杆机构 连杆上任一基点M的坐标 xM yM 连杆方位角 2 左侧杆组 右侧杆组 172 左侧双杆组分析 由矢量封闭图得 写成分量形式为 消去 1i整理得 式中有5个待定参数 xA yA a k 可按5个预定位置精确求解 N 5时 可预选参数数目N0 5 N 故有无穷多解 2 按预定的连杆位置设计四杆机构 续 173 当预定连杆位置数N 3 可预选参数xA yA 代入连杆三组位置参数 X0 X1 X2 右侧杆组分析 同上 根据左右杆组各参数有 2 按预定的连杆位置设计四杆机构 续 174 3 按预定的运动轨迹设计四杆机构 设计要求 确定机构的各尺度参数和连杆上的描点位置M 使该点所描绘的连杆曲线与预定的轨迹相符 设计思路 分别按左侧杆组和右侧杆组的矢量封闭图形写出方程解析式 联立求解 左侧杆组 右侧杆组 175 待定参数9个 xA yA xD yD a c e f g 在按预定轨迹设计四杆机构时可按9个点精确设计常用4 6点设计 以利于机构优化 3 按预定的运动轨迹设计四杆机构 续 176 1 首先根据实际需要和给定条件选定四杆机构类型 2 建立坐标系和杆矢量 3 根据不同要求建立杆矢量封闭图形 4 列杆矢量封闭方程解析式 5 代入已知条件列方程组 6 求解未知参数 计算机编程 用解析法设计四杆机构小结 177 本章还介绍了用 实验法 设计四杆机构 该方法带有试凑的性质 从理论上看来似乎不够严谨 但却是一种行之有效的设计方法 178 2 4 3用实验法设计四杆机构 1 按两连架杆对应角位移设计四杆机构 179 1 按两连架杆对应角位移设计四杆机构 9O 设计步骤 180 2 按预定的运动轨迹设计 设计要求 已知原动件AB长度及中心A和连杆上一点M 要求设计四杆机构使M沿预定轨迹运动 181 连杆曲线仪 182 连杆曲线图谱例 183 方法与特点 图解法直观易懂 能满足精度要求不高的设计 能为需要优化求解的解析法提供计算初值 解析法需要借助计算机求解 所获得的设计结果较为精确 能结合机构的综合过程 解决一些其它设计方法无法解决的问题 例如机构的优化设计 机构的精度分析等 实验法在解决某些比较复杂的设计 例如近似实现轨迹曲线 引导刚体按四个位姿顺序运动等的设计中十分有效 184 2 5多杆机构 取得有利传动角 185 可获得较大的机械增益 186 改变从动件的运动特性 187 实现从动件带停歇的运动 188 扩大从动件的行程 189 第二章平面连杆机构及其设计 四杆机构及其特点 平面四杆机构的类型 平面四杆机构的基本知识 平面四杆机构有曲柄的条件 急回运动 四杆机构传动角及压力角 铰链四杆机构的运动连续性 基本型式 演化型式 温故知新 平面四杆机构的设计 平面连杆机构设计的基本问题 设计方法 解析法 图解法 实验法 190 如图所示 设要求铰链四杆机构近似地实现期望函数 要求按给定期望函数设计四杆机构 设计步骤 按期望函数设计四杆机构典型例题分析 1 根据已知条件 可求得 2 试取主 从动件的转角范围分别为 191 3 设取结点总数 得各结点处的有关各值如下表 则自变量和函数与转角之间的比例尺分别为 4 试取初始角 5 求得各杆的相对长度为 192 6 检查偏差值 式中 按期望函数所求得的从动件的转角为 则偏差为 若偏差过大 应重选计量起始角 主 从动件的转角变化范围 重新进行设计 返回 193 第三章凸轮机构及其设计 第一节概述 内燃机配气凸轮机构 自动机床进刀凸轮机构 194 冲床凸轮机构