机械设计基础.ppt

1 书名 机械设计基础ISBN 978 7 111 34698 2作者 徐艳敏出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 机械设计基础ppt课件 2 第二章平面连杆机构 能力目标 案例导入 知识要点 2 1平面连杆机构的特点2 2铰链四杆机构的基本型式与应用2 3铰链四杆机构基本型式的判别2 4曲柄摇杆机构的运动特性分析2 5平面四杆机构的演化2 6平面四杆机构的设计 能力训练 第1章小结 机械设计基础ppt课件 3 能力目标 1 掌握平面连杆机构的类型及应用 2 掌握曲柄存在的条件及曲柄摇杆机构的运动特性 3 了解平面连杆机构的演化4 会用作图法设计平面四杆机构 1 按给定行程速比系数K设计四杆机构 2 按给定连杆预定位置设计四杆机构 返回目录 机械设计基础ppt课件 4 案例导入 返回目录 图2 1脚踏砂轮机构及机构运动简图 图2 2 鹤式起重机起吊机构及机构运动简图 由若干构件用低副连接起来的平面机构 称为平面连杆机构 机械设计基础ppt课件 5 2 1平面连杆机构的特点 平面连杆机构具有什么特点呢 返回目录 2 转动副和移动副的接触表面是圆柱面或平面 便于制造 3 低副中存在间隙 低副数目较多时会使得从动件的运动累积误差较大 4 平面连杆机构的设计比较复杂 不易精确地实现复杂的运动规律 5 不适用于动载荷较大高速运转的场合 1 构件间的低副连接是面接触 接触面上压强小 而且接触面上压强小 易润滑 因此磨损较小 可以承受较大载荷 机械设计基础ppt课件 6 2 2铰链四杆机构的基本型式与应用 铰链四杆机构 全部的转动副连接起来的平面四杆机构 平面四杆机构是最基本的连杆机构 铰链四杆机构又是平面四杆机构的最基本形式 其他平面四杆机构都可以看作由铰链四杆机构演化而来 返回目录 平面四杆机构的基本类型 铰链四杆机构 1 曲柄摇杆机构 crank rockermechanism 2 双曲柄机构 doublecrankmechanism 3 双摇杆机构 doublerockermechanism 机械设计基础ppt课件 7 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构 返回目录 机械设计基础ppt课件 8 返回目录 在铰链四杆机构中 若两个连架杆中一个为曲柄 另一个为摇杆 则此四杆机构称为曲柄摇杆机构 机构中 当曲柄为原动件 摇杆为从动件时 可将曲柄的连续转动 转变成摇杆的往复摆动 1 曲柄摇杆机构 图2 5雷达天线俯仰角调整机构 图2 6缝纫机脚踏板机构 曲柄摇杆机构 机械设计基础ppt课件 9 2 双曲柄机构 在铰链四杆机构中 若两个连架杆都是曲柄 则称为双曲柄机构 图2 8平行四边形机构 图2 9消除运动不确定的方法 返回目录 双曲柄机构 平行四边形机构 机械设计基础ppt课件 10 3 双摇机构 铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆 则称为双摇杆机构 图2 10车辆的前轮转向机构 双摇杆机构 返回目录 机械设计基础ppt课件 11 2 3铰链四杆机构基本型式的判别 铰链四杆机构都是四个构件用转动副连接起来 但有不同的型式来实现不同的功能 他们与构件尺寸有何关系 现在让我们来分析曲柄存在的条件 返回目录 1 铰链四杆机构只存在一个曲柄的条件 1 其中一个连架杆最短 2 最短杆和最长杆之和大于或等于另两杆之和 机械设计基础ppt课件 12 返回目录 证明 设AD L1 AB L2 BC L3 CD L4 若连架杆L2为曲柄 且作整圆周运动 则它应顺利通过与机架AD共线的两个位置AB1和AB2 机构在这两个位置分别构成 B1C1D和 B2C2D 利用三角形任意两边之和大于 极限情况等于 第三边的性质有以下证明 图2 11曲柄摇杆机构 在 B1C1D中 L3 L1 L2 L4L4 L1 L2 L3即 L2 L3 L1 L4 L2 L4 L1 L3 在 B2C2D中 L1 L2 L3 L4 得L2 L1 得L2 L4 得L2 L3 所以在L1 L2 L3和L4四个构件中曲柄L2 最短 由 式可知 最短杆 任一杆长 其余两杆之和 所以最短杆 最长杆 另两杆之和 铰链四杆机构中 存在一个曲柄的条件为 1 曲柄最短 2 最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆之和 13 2 铰链四杆机构的三种基本型式的判别 返回目录 当最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆长度之和 即满足杆长条件 时 最短杆为连架杆 曲柄摇杆机构 slider crankmechanism 最短杆为机架 双曲柄机构 doublecrankmechanism 最短杆为连杆 双摇杆机构 doublerockermechanism 当最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和 双摇杆机构 doublerockermechanism 14 2 4曲柄摇杆机构的运动特性分析 曲柄摇杆机构ABCD 原动曲柄转动一周过程中 有两次与连杆共线 即重叠共线和拉直共线 摇杆两个极限位置分别为C1D和C2D 返回目录 图2 13曲柄摇杆机构的急回特性 1 急回特性 曲柄AB以等角速度 顺时针转过 1角由位置AB1转到位置AB2 摇杆从C1D摆到C2D 摆角为 所需时间为t1 C点平均速度为V1 当曲柄继续转过角 2 摇杆从C2D返回到C1D 所需时间为t2 C点平均速度为V2 因为 1 2 t1 t2 所以v1 v2 摇杆往复摆动的平均角速度不相等 为提高机械的工作效率 通常使慢速运动行程为工作行程 正行程 而快速运动行程为空回行程 反行程 这种返回速度大于工作行程速度的运动性质称为急回运动特性 15 返回目录 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 简称极位夹角 急回运动特性可用行程速度变化系数 或称行程速比系数 K表示 即 上式表明 极位夹角 大 K值越大 急回运动的性质也越显著 将上式整理后 可得极位夹角的计算公式 16 2 压力角和传动角 返回目录 图2 14曲柄摇杆机构的压力角和传动角 在不计运动副中摩擦力 构件质量和惯性力的情况下 机构从动件受力方向Fc和受力点速度方向Vc所夹的锐角 称为机构在此位置的压力角 Pressureangle 压力角越小 机构的传力性能越好 效率越高 17 当 BCD 90 时 BCD 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 在连杆设计中 为了度量方便 习惯用压力角 的余角 来判断传力性能 称为传动角 返回目录 18 3 止点位置 曲柄摇杆机构ABCD中 摇杆CD为主动件 当机构处于连杆与从动曲柄共线的两个位置时 出现了传动角 0 压力角 90 的情况 主动件CD通过连杆作用于从动件AB的力恰好通过其回转中心 不能使AB杆转动 机构此位置称为死点 deadpoint 返回目录 图2 15曲柄摇杆机构的止点位置 止点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定现象 为了消除死点位置的不良影响 可以对从动曲柄施加外力 或利用飞轮及构件自身的惯性作用 使机构通过止点位置 19 利用止点的实例 工程实践中 常利用死点来实现特定的工作要求 飞机起落架机构 在机轮放下时 连杆BC杆与从动杆CD杆成一直线 机构处于死点位置 使降落更加安全可靠 返回目录 20 2 5平面四杆机构的演化 返回目录 1 改变构件的形状和尺寸 a 曲柄摇杆机构b 杆3增至无限长c 对心曲柄滑块机构d 偏置曲柄滑块机构图2 16曲柄摇杆机构演变成曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构 21 2 取不同构件为机架 返回目录 a 曲柄滑块机构b 导杆机构c 摇块机构d 定块机构图2 17曲柄滑块机构的演化 曲柄滑块机构 22 1 导杆机构 取杆1为固定构件 得到导杆机构 杆4在机构中与机架以转动副连接 与滑块以移动副相连接 该构件称为导杆 返回目录 23 转动导杆机构 导杆机构 曲柄1和导杆3都能作360 周转运动 主动曲柄作等速转动 从动导杆作变速转动 l1 l4 转动导杆机构 返回目录 24 摆动导杆机构 导杆机构 曲柄1作360 周转运动 摆动导杆3作往复摆动 l1 l4 且有较大的急回运动特性 摆动导杆机构 返回目录 25 2 摇块机构图2 17c中 取杆2为固定构件 可得摇块机构 摇块机构 图2 18汽车自动卸料机构 实例 返回目录 26 3 定块机构图2 17d中 若取构件3为固定件 得到固定滑块机构或称定块机构 图2 19手压抽水机 实例 定块机构 返回目录 27 3 扩大转动副 返回目录 a b 图2 20偏心轮机构 28 一 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 按给定行程速比系数K设计四杆机构适用于具有急回特性的四杆机构的设计 具有急回特性的四杆机构有曲柄摇杆机构 偏置式曲柄滑块机构 摆动导杆机构 2 6平面四杆机构的设计 返回目录 29 2 6平面四杆机构的设计 已知条件 摇杆长度l3 摆角 和行程速度变化系数K 返回目录 设计的实质是确定铰链中心A点的位置 定出其他三杆的尺寸曲柄l1 连杆l2和机架l4 图2 21曲柄摇杆机构的设计 1 选作图比例为ul 2 由给定的行程速度变化系数K 求出极位夹角 3 如图2 21所示 任选固定铰链中心D的位置 由摇杆长度l3和摆角 作出摇杆两个极限位置C1D和C2D 解 30 4 连接C1和C2 并作C1M C1C2 5 作 C1C2N 90 C2N与C1M相交于P点 由图可见 C1PC2 6 作 PC1C2的外接圆 在此圆周 C1C2和EF除外 上任取一点A作为曲柄的固定铰链中心 连AC1和AC2 因同一圆弧的圆周角相等 故 C1AC2 C1PC2 7 因极限位置处曲柄与连杆共线 故 从而得图中曲柄长度 则曲柄实际长度 再以A为圆心和AB为半径作圆 分别交C1A的延线于B1 交C2A于B2 即得连杆实际长度 机架实际长度 注意 其中分别是曲柄 连杆和机架在图中的长度 因此可在图中直接量出 返回目录 31 2 按给定连杆预定位置设计四杆机构 给定连杆的两个位置B1C1和B2C2设计四杆机构图解过程如下 1 选定长度比例尺绘出连杆的两个位置B1C1 B2C2 2 连接B1B2 C1C2 分别作线段B1B2和C1C2的垂直平分线B12和C12 分别在B12和C12上任意取A D两点 A D两点即是两个连架杆的固定铰链中心 连接AB1 C1D即为所求的四杆机构 1 按给定连杆的两位置设计四杆机构 图2 24按给定连杆的两位置设计四杆机构 由于A D点可任意选取 所以有无穷解 在实际设计中可根据其他辅助条件 例如限制最小传动角或者A D的安装位置来确定铰链A D的安装位置 注意 返回目录 32 按结定连杆三个位置 要求设计四杆机构 其设计过程与上述基本相同 如图2 25所示 由于B1 B2 B3三点位于以A为圆心的同一圆弧上 故运用已知三点求圆心的方法 作B1B2和B2B3的垂直平分线 其交点就是固定铰链中心A 用同样方法 作C1C2和C2C3的垂直平分线 其交点便是另一固定铰链中心D AB1C1D即为所求四杆机构 2 按给定连杆的三位置设计四杆机构 图2 25按给定连杆的三位置设计四杆机构 返回目录 33 能力训练 1 问题提出试设计一铰链四杆机构 已知行程速比系数K 1 5 摇杆的长度 机架的长度为 机架处于水平位置时摇杆的一个极限位置与机架之间的夹角为 1 45 1 用图解法求该机构的曲柄长度lAB和连杆的长度lBC 只求一解即可 2 设计出该四杆机构 画出机构运动简图 2 用图解法求最小传动角 3 根据设计获得各杆的长度 判别该机构是否符合存在一个曲柄的条件 返回目录 图2 27机构运动示意图 34 2 解决方案 解 1 求该机构的曲柄长度lAB和连杆的长度lBC 根据实际尺寸确定适当的长度比例尺25 根据给定的系数K 计算出机构的极位夹角 作水平线AD 且 以D为圆心 mm 为半径画圆弧 使得 C1DA 1 45 连接C1D 以AC1为一边作 C1AC2 36 此角的另一边交圆弧于C2和C2 点 计算长度若将DC1视为摇杆的右极限位置 则DC2即为摇杆的左极限位置 因而测得AC1 2 8 AC2 6 8 因极限位置处曲柄与连杆共线 故AC1 B1C1 AB1 AC2 AB2 B2C2 而AB AB1 AB2 BC B1C1 B2C2 从而得曲柄长度 于是曲柄AB实际长度50mm 于是连杆BC实际长度mm 若将DC1视为摇杆的左极限位置 则DC2 即为摇杆的右极限位置 同理可以求解 过程略 返回目录 35 2 按上述作法画运动简图 如图2 28 图2 28机构运动简图示意图 返回目录 36 3 求最小传动角因为最小传动角在曲柄与机架拉直共线或重叠共线的位置 所以在上述求出摇杆与连杆的长度以后作图 以下以DC1为摇杆的右