第三章平面连杆机构.ppt

北京林业大学专用作者 潘存云教授 第3章平面连杆机构 3 1铰链四杆机构的基本型式和特性 3 2铰链四杆机构有整转副的条件 3 3铰链四杆机构的演化 3 4平面四杆机构的设计 北京林业大学专用作者 潘存云教授 应用实例 内燃机 鹤式吊 火车轮 手动冲床 牛头刨床 椭圆仪 机械手爪 开窗户支撑 公共汽车开关门 折叠伞 折叠床 牙膏筒拔管机 单车制动操作机构等 特征 有一作平面运动的构件 称为连杆 特点 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 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 定义 由低副 转动 移动 连接组成的平面机构 3 1铰链四杆机构的基本型式和特性 北京林业大学专用作者 潘存云教授 缺点 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 设计复杂 难以实现精确的轨迹 分类 平面连杆机构 空间连杆机构 常以构件数命名 四杆机构 多杆机构 本章重点内容是介绍四杆机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 平面四杆机构的基本型式 基本型式 铰链四杆机构 其它四杆机构都是由它演变得到的 名词解释 曲柄 整周定轴回转的构件 三种基本型式 1 曲柄摇杆机构 特征 曲柄 摇杆 作用 将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动 如雷达天线 连杆 作平面运动的构件 连架杆 与机架相联的构件 摇杆 作定轴摆动的构件 周转副 能作360 相对回转的运动副 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副 曲柄 连杆 摇杆 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 2 双曲柄机构 特征 两个曲柄 作用 将等速回转转变为等速或变速回转 雷达天线俯仰机构曲柄主动 缝纫机踏板机构 应用实例 如叶片泵 惯性筛等 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 旋转式叶片泵 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 实例 火车轮 特例 平行四边形机构 特征 两连架杆等长且平行 连杆作平动 摄影平台 天平 播种机料斗机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 反平行四边形机构 车门开闭机构 平行四边形机构在共线位置出现运动不确定 采用两组机构错开排列 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 3 双摇杆机构 特征 两个摇杆 应用举例 铸造翻箱机构 特例 等腰梯形机构 汽车转向机构 风扇摇头机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 1 急回运动 在曲柄摇杆机构中 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 当曲柄以 逆时针转过180 时 摇杆从C1D位置摆到C2D 所花时间为t1 平均速度为V1 那么有 曲柄摇杆机构3D 此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角 180 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 当曲柄以 继续转过180 时 摇杆从C2D 置摆到C1D 所花时间为t2 平均速度为V2 那么有 180 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 t1 t2V2 V1 摇杆的这种特性称为急回运动 用以下比值表示急回程度 称K为行程速比系数 且 越大 K值越大 急回性质越明显 只要 0 就有K 1 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 设计新机械时 往往先给定K值 于是 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 当 BCD 90 时 BCD 2 压力角和传动角 压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角 设计时要求 min 50 min出现的位置 当 BCD 90 时 180 BCD 切向分力 F Fcos 法向分力 F Fcos F 对传动有利 Fsin 称 为传动角 此位置一定是 主动件与机架共线两处之一 可用 的大小来表示机构传动力性能的好坏 当 BCD最小或最大时 都有可能出现 min 为了保证机构良好的传力性能 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 由余弦定律有 B1C1D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 B2C2D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 若 B1C1D 90 则 若 B2C2D 90 则 1 B1C1D 2 180 B2C2D 机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量 min B1C1D 180 B2C2D min 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 3 机构的死点位置 摇杆为主动件 且连杆与曲柄两次共线时 有 此时机构不能运动 避免措施 两组机构错开排列 如火车轮机构 称此位置为 死点 0 靠飞轮的惯性 如内燃机 缝纫机等 0 0 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 钻孔夹具 飞机起落架 也可以利用死点进行工作 飞机起落架 钻夹具等 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 平面四杆机构具有整转副 可能存在曲柄 杆1为曲柄 作整周回转 必有两次与机架共线 l2 l4 l1 l3 则由 B C D可得 三角形任意两边之和大于第三边 则由 B C D可得 l1 l4 l2 l3 l3 l4 l1 l2 AB为最短杆 最长杆与最短杆的长度之和 其他两杆长度之和 3 2铰链四杆机构有整转副的条件 l1 l2 l3 l4 l4 l1 将以上三式两两相加得 l1 l2 l1 l3 l1 l4 l1 l3 l2 l4 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 2 连架杆或机架之一为最短杆 可知 当满足杆长条件时 其最短杆参与构成的转动副都是整转副 曲柄存在的条件 1 最长杆与最短杆的长度之和应 其他两杆长度之和 此时 铰链A为整转副 若取BC为机架 则结论相同 可知铰链B也是整转副 称为杆长条件 北京林业大学专用作者 潘存云教授 作者 潘存云教授 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 如曲柄摇杆1 曲柄摇杆2 双曲柄 双摇杆机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 1 改变构件的形状和运动尺寸 3 3铰链四杆机构的演化 偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构 双滑块机构 正弦机构 lsin 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 2 改变运动副的尺寸 3 选不同的构件为机架 偏心轮机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 牛头刨床 应用实例 小型刨床 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 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方法称为 机构的倒置 北京林业大学专用作者 潘存云教授 例 选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构 椭圆仪机构 正弦机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 3 4平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题 机构选型 根据给定的运动要求选择机构的类型 尺度综合 确定各构件的尺度参数 长度尺寸 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 运动副结构合理等 b 动力条件 如 min c 运动连续性条件等 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 飞机起落架 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 函数机构 要求两连架杆的转角满足函数y logx 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 前者要求两连架杆转角对应 后者要求急回运动 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 要求连杆在两个位置垂直地面且相差180 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 鹤式起重机 搅拌机构 要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线 要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 3 满足预定的轨迹要求 如 鹤式起重机 搅拌机等 北京林业大学专用作者 潘存云教授 给定的设计条件 1 几何条件 给定连架杆或连杆的位置 2 运动条件 给定K 3 动力条件 给定 min 设计方法 图解法 解析法 实验法 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 一 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 1 曲柄摇杆机构 计算 180 K 1 K 1 已知 CD杆长 摆角 及K 设计此机构 步骤如下 任取一点D 作等腰三角形腰长为CD 夹角为 作C2P C1C2 作C1P使 作 PC1C2的外接圆 则A点必在此圆上 选定A 设曲柄为l1 连杆为l2 则 以A为圆心 AC2为半径作弧交于E 得 l1 EC1 2l2 AC1 EC1 2 AC2 l2 l1 l1 AC1 AC2 2 C2C1P 90 交于P AC1 l1 l2 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 2 导杆机构 分析 由于 与导杆摆角 相等 设计此机构时 仅需要确定曲柄a 计算 180 K 1 K 1 任选D作 mDn 取A点 使得AD d 则 a dsin 2 作角分线 已知 机架长度d K 设计此机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 3 曲柄滑块机构 已知K 滑块行程H 偏距e 设计此机构 计算 180 K 1 K 1 作C1C2 H 作射线C1O使 C2C1O 90 以O为圆心 C1O为半径作圆 以A为圆心 AC1为半径作弧交于E 得 作射线C2O使 C1C2O 90 作偏距线e 交圆弧于A 即为所求 l1 EC2 2 l2 AC2 EC2 2 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 二 按预定连杆位置设计四杆机构 a 给定连杆两组位置 有唯一解 将铰链A D分别选在B1B2 C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求 b 给定连杆上铰链BC的三组位置 有无穷多组解 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 三 给定两连架杆对应位置设计四杆机构 给定连架杆对应位置 构件3和构件1满足以下位置关系 建立坐标系 设构件长度为 l1 l2 l3 l4 在x y轴上投影可得 机构尺寸比例放大时 不影响各构件相对转角 l1coc l2cos l3cos l4 l1sin l2sin l3sin i f i i 1 2 3 n设计此四杆机构 求各构件长度 令 l1 1 北京林业大学专用作者 潘存云教授 代入移项得 l2cos l4 l3cos cos 则化简为 coc P0cos P1cos P2 代入两连架杆的三组对应转角参数 得方程组 l2sin l3sin sin coc 1 P0cos 1 P1cos 1 1 P2 coc 2 P0cos 2 P1cos 2 2 P2 coc 3 P0cos 3 P1cos 3 3 P2 可求系数 P0 P1 P2 以及 l2 l3 l4 将相对杆长乘以任意比例系数 所得机构都能满足转角要求 若给定两组对应位置 则有无穷多组解 北京林业大学专用作者 潘存云教授 举例 设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置 代入方程得 cos90 P0cos80 P1cos 80 90 P2 cos135 P0cos110 P1cos 110 135 P2 解得相对长度 P0 1 533 P1 1 0628 P2 0 7805 各杆相对长度为 选定构件l1的长度之后 可求得其余杆的绝对长度 cos45 P0cos50 P1cos 50 45 P2 l1 1 l4 l3 P1 1 442 l2 l42 l32 1 2l3P2 1 2 1 783 l3 P0 1 553 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 实验法设计四杆机构 当给定连架杆位置超过三对时 一般不可能有精确解 只能用优化或试凑的方法获得近似解 1 首先在一张纸上取固定轴A的位置 作原动件角位移 i 2 任意取原动件长度AB 3 任意取连杆长度BC 作一系列圆弧 4 在一张透明纸上取固定轴D 作角位移 i 5 取一系列从动件长度作同心圆弧 6 两图叠加 移动透明纸 使ki落在同一圆弧上 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 设计 潘存云 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 搅拌机构 北京林业大学专用作者 潘存云教授 设计 潘存云 四 按预定的运动