机械设计原理-连杆机构.ppt

第四章连杆机构 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 平面连杆机构 所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构 空间连杆机构 所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构 由于平面连杆机构不仅应用广泛 而且还往往是多杆机构的基础 所以这里重点介绍平面连杆机构 4 1平面连杆机构的类型 4 1 1平面四杆机构的基本型式全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构 视频 2 平面四杆机构的基本型式曲柄 作整周运动的构件摇杆 作摆动的构件 铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为 曲柄摇杆机构 视频1 双曲柄机构 视频2 双摇杆机构 视频3 铰链四杆机构的三种基本型式曲柄摇杆机构 指两连架杆一为曲柄 一为摇杆的铰链四杆机构 搅拌机 视频4 惯性筛 双曲柄机构 指两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构 若机构中相对两杆平行且相等 则成为平面四边形机构 机车车轮联动机构 天平机构 摄影车升降机构 视频7 双摇杆机构 指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构 港口起重机机构图 车辆前轮转向机构 视频6 4 1 2平面四杆机构的演化 由四杆机构的基本型式通过演化可以得到其它多种结构型式 常用的演化方法有1 转动副变移动副曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构 双滑块机构 视频11 2选用不同构件为机架 视频12 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 曲柄摇杆机构 双摇杆机构 曲柄滑块机构 导杆机构 摇块机构 定块机构 直动滑杆机构 3 变换构件形态两个移动副的四杆机构 若选择构件2或4为机架时 就是正弦机构 若改取构件3为机架 则为双滑块机构 当取构件1为机架时 便演化为双转块机构 视频13 4扩大移动副的尺寸 曲柄摇杆机构 偏心盘机构 视频8 機械原理視頻连杆 1 2 avi 4 2平面连杆机构的工作特性 平面连杆机构具有传递和变换运动 实现力的传递和变换功能 前者称为平面连杆机构的运动特性 后者称为平面连杆机构的传力特性 了解了这些特征 对于正确选择连杆机构的类型 进而进行机构设计具有重要指导意义 4 2 1运动特性1 转动副为整转副的条件 铰链四杆机构有曲柄的条件 在 B1C1D中 根据三角形任意两边之差必小于等于第三边 可得 移项可得 在 B2C2D中 根据三角形任意两边之和必大于等于第三边 可得 以上三式两两相加并化简可得 铰链四杆机构曲柄存在条件 1 曲柄为最短杆 2 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和 满足上述条件时 取不同的构件为机架时 可得三种不同性质的铰链四杆机构取最短杆的邻杆为机架 曲柄摇杆机构取最短杆的对杆为机架 双摇杆机构取最短杆为机架 双曲柄机构图10 最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件长度之和 是必要条件 如果不满足此条件 无论取那个构件作为机架 都不存在曲柄 在某铰链4杆机构中 已知 LAB 80mm LCD 120mm LBC 150mm 讨论 当机架LAD的长度处于什么范围时 可获得曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 一曲柄摇杆 1 LBC最长LAB LBC LCD LADLAB LAD LBC110 LAD 150 2 LAD最长LAB LAD LCD LBCLBC LAD150 LAD 190110 LAD 190 二双曲柄LAD最短LAD LBC LCD LABLAD LABLAD 50 三双摇杆 1 LAD最短LAD LBC LAB LCDLAD LAB50 LAD 80 2 LAD最长LAB LAD LBC LCDLBC LADLAD 190 3 LAD既不是最短也不是最长LAB LBC LAD LCDLAB LAD LBC80 LAD 11050 LAD 110 LAD 190 2 急回运动特性 在曲柄等速回转情况下 由于 1 180 2 180 所以t1 t2 摇杆往复摆动的平均速度为V2 V1 把摇杆的这种往复摆动快慢不同的运动称为急回运动 急回运动的程度可以用行程速比系数K来衡量 行程速比系数 结论 当 0时 机构具有急回运动特性 角愈大 K值愈大 急回运动特性愈显著 3 运动连续性1 运动连续性 当主动件连续运动时 从动件也能连续占据预定的各个位置 称为机构具有运动的连续性 在不计重力 摩擦力 惯性力的条件下 机构中输出件所受主动力的方向线与该受力点的绝对速度方向线所夹的锐角 压力角的余角 900 1 压力角 2 传动角 越小 越大 则机构传力性能越好 4 2 2传力特性 常用传动角的大小和变化来衡量机构传力性能的好坏 设计时通常要求 min 40 对于高速和大功率的传动机械 min 50 最小传动角的确定 图示铰链四杆机构中 原动件为AB 各杆长度为 a b c d 由图可见 与机构的 BCD有关 在 ABD和 BCD中 由余弦定理得 1 当 BCD 900时 BCD 则 min BCDmin 由公式可知 当 00时 有 BCDmin 即曲柄与机架重合共线时 机构将出现最小值 视频1 2 当 BCD 900时 1800 BCD 则 min 1800 BCDmax 由公式可知 当 1800时 有 BCDmax 即曲柄与机架拉值共线时 机构将出现最大值 视频1 机构的死点位置 1 死点 图示曲柄摇杆机构 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 o 的情况 这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心 所以不能使构件AB转动而出现 顶死 现象 机构的此种位置称为死点 在下图所示曲柄摇杆机构中 若以摇杆为主动件 则当连杆与曲柄共线 机构的传动角为零 机构此位置就称为死点 而对于图示的曲柄滑块机构 当以滑块为主动件 机构也处于死点位置 机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置 2 死点的利用 若以夹紧 增力等为目的 则机构的死点位置可以加以利用 图6 1 对传动机构来说 有死点是不利的 应采取措施使其顺利通过 3 死点的克服 蒸汽机车车轮联动机构 由两组曲柄滑块机构组成 曲柄位置错开90度 使死点位置错开 图9 機械原理視頻连杆 3 5 avi 4 3平面连杆机构的特点及功能 连杆机构中的运动副一般均为低副 正因为如此 所以又把连杆机构称为低副机构 低副两元素为面接触 故在传递同样载荷的条件下 两元素间的压强较小 可以承受较大的载荷 低副两元素间便于润滑 故两元素不易产生大的磨损 这些条件都能较好的满足重型机械的要求 此外 低副两元素的几何形状也比较简单 便于加工制造 2 构件运动形式具有多样性 3 在连杆机构中 当原动件以同样的运动规律运动时 如果改变各构件的相对长度关系 便可是从动件得到不同的运动规律 4 3 1平面连杆机构的特点 4 在连杆机构中 连杆上个不同点的轨迹是各种不同形状的曲线 特称为连杆曲线 而且随着各构件相对长度关系的改变 这些连杆曲线的形状也将改变 从而可以得到各种不同形状的曲线 我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求 此外 连杆机构还可以很方便地用来达到增力 扩大行程和实现较远距离的传动的目的 由于连杆机构由上述优点 所实在各种机械和仪表中得到了广泛的应用 连杆机构缺点1 由于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递 因而连杆机构一般具有较长的运动链 即较多的构件和较多的运动副 所以各构件的尺寸误差和运动副中的间隙将使连杆机构产生较大的积累误差 同时也会使机械效率降低 2 在连杆机构的运动过程中 连杆及滑块的质心都在作变速运动 他们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除 因而会增加机构的动载荷 所以连杆机构一般不易于高速传动 此外 虽然如上所述 利用连杆机构可以满足各种运动规律和运动轨迹的设计要求 但要设计一种能够准确实现这种要求的连杆机构却纷繁难得 而且在多数情况下一般只能近似的得以满足 正因为如此 所以如何根据最优化的要求来设计四杆机构 使其能够最佳的满足设计要求 一直是连杆机构研究的一个重要课题 4 3 2平面连杆机构的功能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 实现较远距离的传动4 调节 扩大从动件的行程5 获得较大的机械增益 4 4平面连杆机构的运动分析 机构的运动分析 机构的运动分析就是根据原动件的已知运动规律 来确定其它构件或构件上某些点的轨迹 位移 速度和加速度等运动参数 机构运动分析的目的 1 通过机构的位移分析 可以确定机构运动所需的空间或某些构件及构件上某些点能否实现预定的位置或轨迹 并可判断它们在运动中是否发生干涉 2 通过速度和加速度分析 了解从动件的运动变化规律能否满足工作要求 并可据此对机构进行动力学分析 4 4 1瞬心法及其应用 1 速度瞬心瞬时速度中心 瞬心 互相作平面相对运动的两构件 在任一瞬时都可以认为它们是绕某点做相对转动 称该点为瞬心 2 瞬心表示方法 用P加下标表示 图示构件1和2的瞬心为P12或P21 2 机构中瞬心的数目 N n n 1 2 3 机构中瞬心位置的确定 1 通过运动副直接相联的两构件的瞬心 1 以转动副联接的两构件 其转动中心即为瞬心 2 以移动副联接的两构件 其瞬心在垂直导路方向的无究远处 所示 3 以平面高副联接的两构件 若高副元素之间为纯滚动时 则两元素的接触点即为两构件的瞬心所示 4 若高副元素之间既滚动又滑动 则瞬心在高副接触点处的公法线上 具体位置要由其它条件来确定所示 三心定理 三个彼此作平面平行运动的构件共有三个瞬心 而且必定位于同一直线上 瞬心在速度分析中的应用 2 4 P14P24 P12P24 4 4 2杆组法及其应用 结构分析就是将已知机构分解为原动件 机架和若干个基本杆组 进而了解机构的组成 并确定机构的级别 机构结构分析的步骤是 1 计算机构的自由度并确定原动件 2 拆杆组 4 5 1平面连杆机构设计的基本问题 问题一 刚体导引机构设计引导一个刚体实现一系列给定位置 4 5平面连杆机构设计 满足预定的连杆位置要求 问题二 函数生成机构设计主 从动连架杆运动规律具有给定的函数关系 满足预定的运动规律要求 问题三 轨迹生成机构设计机构中某点可以实现预期的运动轨迹 满足预定的轨迹要求 图解法解析法实验法 平面连杆机构设计方法 4 5 2刚体导引机构的设计 要求 设计四杆机构 使得连杆通过I II III三个位置 第1步 选定B C点位置 第2步 找A D点位置 刚体导引机构的设计 第3步 联接A B1 C1 D 获得四杆机构 三点唯一确定一个圆 B C确定后 A D是确定的 已知固定铰链点A D 设计四杆机构 使得两个连架杆可以实现三组对应关系 4 5 3函数生成机构的设计 刚化反转法 以CD杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当于把以AD为机架时观察到的ABCD的位置刚化 以D轴为中心转过得到的 低副可逆性 机构在某一瞬时 各构件相对位置固定不变 相当于一个刚体 其形状不会随着参考坐标系不同而改变 函数生成机构的设计 第1步 选B点 以I位置为参考位置 DF1为机架 第2步 用刚化反转法求出B2 B3的转位点 第3步 做中垂线 找C1点 第4步 联接AB1C1D 函数生成机构设计 解析法 已知行程速比系数K 以及从动件两个极限位置 设计四杆机构 4 5 4急回机构的设计 急回机构的设计 思考 A点可以在FG弧上选取吗 第1步 确定D C1 C2点 计算q 第2步 找A点 第3步 找B点 4 5 5轨迹生成机构的设计 设计一个四杆机构 使得机构上M点实现给定轨迹 轨迹生成机构的设计 解析法 M x y a c d e f g 连杆机构自由度少 约束多设计灵活度受到限制 轨迹生成机构的设计 实验法 连杆曲线 定义 四杆机构运动时 连杆作为平面复杂运动 对其上面任意一点都能描绘出一条封闭曲线 这种曲线称为连杆曲线 原理 连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和构件的相对长度的不同而不同 方法与步骤 借用已编成册的连杆曲线图谱 根据预定运动轨迹从图谱中选则形状相近的曲线 同时查得机构各杆尺寸及描述杆在连杆上的位置 再用缩放仪求出图谱曲线与所需轨迹曲线的缩放倍数 即可求得四杆机构的结构及运动尺寸 平面连杆机构设计小结 一 刚体导引机构设计 实现连杆几个预定位置 机械优化设计方法 设计目标 min f x1 x8 设计变量 x1 x2 约束条件 F1 x1 x2 0F8 x1 x2 0 4 6空间连杆机构 RSSR机构 RSSP机构 PRSR机构 球面4R机构 本章重点小结 三 平面四杆机构的设计 四 学习分析问题和解决问题的方法 复杂问题 简单问题 计算机可以处理的问题 新问题 已有知识 假设的解决方案 平面四杆机构的行程速比系数与极位夹角的关系如何确定 请对 死点 或止点 进行描述 并分别举出利用死点和避免死点的例子 作业 平面铰链四杆机构中存在曲柄的杆长条件是什么 在满足杆长条件的前提下 分别以哪根杆作为机架可得到曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 作业 已知 LAB