常用机构设计

第3章常用机构 平面机构 各构件的相对运动平面互相平行 常用的机构大多数为平面机构 空间机构 至少有两个构件能在三维空间中相对运动 机构 传递运动 动力或改变运动形式 轨迹等 1 运动副的概念 画机构的运动简图 2 计算机构的自由度和机构具有确定运动的条件 本章学习要点 3 能判别四杆机构的类型和运动特性分析 4 能设计简单四杆机构 5 能分析凸轮机构的运动特性 机器 是执行机械运动的装置 用来变换或传递能量 物料与信息 是由零件装配而成 零件 是机器中不可拆卸的制造单元 构件 一个零件 或是若干个零件的组合体 机构 用运动副将若干个构件连接起来以传递运动和力的系统 运动副 构件与构件直接接触所形成的可动联接 复习 3 1机构的结构分析 3 1 1平面机构的组成 可动联接 既保持直接接触 又能产生一定的相对运动 从运动的角度看 由构件用运动副组成的可动联接 1 机构的组成 运动视图 高副 点 线接触 3 运动副 2 接触元素 点 线 面 1 定义 构件间直接接触所组成的可动联接 3 类型 低副 面接触 1 低副 转动副 铰链 两构件间只能作相对转动 移动副 两构件间只能作相对移动 运动视图 运动视图 高副 施加1个约束 还剩2个自由度 2 高副 凸轮副 齿轮副 总结 约束1个相对转动而保留2个独立移动的运动副不可能存在 故没有其他运动副形式 运动视图 运动视图 3 空间运动副 分析以下运动副的类型 1 机架 1个 3 从动件 要有确定的运动规律 由主动件运动规律 运动副类型 机构的运动尺寸确定 2 主动件 一个或数个 输入独立的确定运动规律 机构的组成 3 1 2平面机构运动简图 1 定义 用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置 并能完全反映机构特征的简图 2 绘制 1 运动副的符号 1 转动副 2 移动副 3 齿轮副 4 凸轮副 2 构件的符号 3 机构运动简图的绘制 1 分析机构 观察相对运动 数清所有构件的数目 2 确定所有运动副的类型和数目 3 选择合理的位置 即能充分反映机构的特性 4 确定比例尺 5 用规定的符号和线条绘制成简图 从原动件开始画 用 1 2 3 标明不同的构件 用 A B C 标明不同的转动副 用箭头表明原动件和转向 用多条斜短线标明机架 4 机构运动简图的绘制要求 例1 试绘制如图所示偏心轮机构的运动简图 例2 画出图示柱塞油泵机构的运动简图 注意 绘制机构运动简图时 原动件位置不同 所绘运动简图的图形也不同 若原动件位置选择不当 构件可能互相重叠或交叉 使图形不易辨认 可见 要清晰表达各构件的相互关系 应当选择恰当的原动件位置来绘图 运动视图 例3 试绘制内燃机的机构运动简图 刨床的机构运动简图 3 2平面连杆机构 3 2 1铰链四杆机构的类型及应用 1 基本概念 1 平面连杆机构 用低副连接而成的平面机构 特点 运动副为低副 面接触 承载能力大 便于润滑 寿命长 几何形状简单 便于加工 成本低 2 铰链四杆机构 运动副都是转动副的四杆机构 铰链四杆机构 4 机架 1 3 连架杆 定轴转动 2 连杆 平面运动 曲柄 作整周转动的连架杆 摇杆 非整周转动的连架杆 动画 组成 2 基本类型 根据两连架杆的运动形式 1 曲柄摇杆机构2 双曲柄机构3 双摇杆机构 连架杆 应用1 应用2 应用1 应用4 应用3 应用2 应用1 应用2 3 2 2铰链四杆机构的演化 1 扩大转动副 偏心轮机构 2 转动副转化成移动副 曲柄滑块机构 e 0 对心曲柄滑块机构 曲柄滑块机构 偏距e e 0 偏置曲柄滑块机构 运动视图 3 导杆机构与摇块机构 曲柄滑块机构 定块机构 摇块机构 导杆机构 摆动导杆机构 转动导杆机构 应用 视图 视图 视图 3 3 1铰链四杆机构有曲柄的条件 若1能绕A整周转动 则存在两个特殊位置 a d b c 1 b c d a即a b c d 2 c b d a即a c b d 3 2 3 得a d 1 2 得2a b d 2c b d即a c 1 3 得a b 如 a d 4d 3 3平面机构的工作特性 a d b c 1 b c a d 即d b c a 2 c b a d 即d c b a 3 2 3 得d a 1 2 得a b 2d 2c b a即d c 1 3 得d b 如 a d B 4d 2 最短杆与最长杆的长度之和小于等于其它两杆长度之和 铰链四杆机构存在曲柄的条件 1 机架和曲柄中必有一构件为的最短杆 推论 铰链四杆机构的类型判别 1 最短杆与最长杆的长度之和大于其他两杆长度之和 所有运动副均为摆动副 则为双摇杆机构 2 最短杆与最长杆的长度之和小于等于其他两杆长度之和 最短杆上两个转动副均为整转副 取最短杆为机架 双曲柄机构 取最短杆任一相邻杆为机架 曲柄摇杆机构 取最短杆对面的杆件为机架 双摇杆机构 50 200 130 100 例2 判断下图所示四杆机构的类型 解 最长杆与最短杆长度之和 其余两杆长度之和 故为双摇杆机构 50 200 100 例1 判断下图所示四杆机构的类型 解 160 最长杆与最短杆长度之和 其余两杆长度之和 且最短杆的相邻杆为机架 故为曲柄摇杆机构 如下图所示铰链四杆机构ABCD中 BC 50mm CD 35mm AD 30mm 取AD为机架 如果该机构能成为曲柄摇杆机构 且AB是曲柄 求AB的取值范围 如果该机构能成为双曲柄杆构 求AB的取值范围 如果该机构能成为双摇杆机构 求AB的取值范围 例3 若该机构为双曲柄机构 则AB杆的取值范围为 45 AB 55 解 1 该机构为曲柄摇杆机构 且AB为曲柄 则AB应为最短杆 已知BC杆为最长杆BC 50 AB BC AD CD 0 AB 15 2 该机构如为双曲柄机构 同样应满足曲柄存在的条件 应以最短杆为机架 现AD为机架 则最短杆为AD 30 最长杆可能为BC杆 也可能是AB杆 若AB杆为最长杆 AB 50 AD AB BC CD AB 55即50 AB 55 若BC杆为最长杆 AB 50 AD BC AB CD AB 45即45 AB 50 AB AD CD BCAB 115 55 AB 115 3 欲使该机构为双摇杆机构 1 最短杆与最长杆之和应大于另外二杆之和 现在的关键是谁是最短 最长杆 若AB杆最短 AB 30 则最长杆为BC AB BC CD AD 15 AB 30 若AD杆最短 AD BC AB CD 30 AB 45 AB杆最长 AD AB BC CDAB 55 综上分析 AB杆的取值为 15 AB 45或者55 AB 115 BC杆最长 30 AB 50 2 满足长度条件 但BC不为最短杆 推论3不成立 3 3 2铰链四杆机构的基本特性 1 急回运动 1 极位夹角 C2AC1 摇杆处于极限位置时曲柄所夹锐角 工作行程 从动件 空回行程 AB1 AB2 AB2 AB1 原动件作匀速转动 从动件作往复运动的机构 从动件工作 正 行程和空回 反 行程的平均速度不相等 2 机构的急回运动特性 3 行程速比系数 2 压力角和传动角 1 压力角 从动件上点c的受力方向与速度方向所夹的锐角 2 传动角 压力角的余角 F与Fn夹角 切向分力 法向分力 3 最小传动角 min 为了保证机构的传力性能良好 传递大功率的机构 冲床 最小传动角出现在曲柄与机架两次共线的一处 经常用 衡量机构的传动质量 传动角 愈大 压力角 愈小 机构传力性能愈好 传动角 90 传动最有利 3 死点 机构停在死点位置 不能起动 运转时 靠惯性冲过死点 运动视图 利用死点实例 下图所示六杆机构中 各构件的尺寸为 lAB 30mm lBC 55mm lAD 50mm lCD 40mm lDE 20mm lEF 60mm 滑块为运动输出构件 试确定 四杆机构ABCD的类型 作滑块 的行程 求机构的最小传动角 min 例4 四杆机构ABCD中 最短杆AB 最长杆BC 因为lAB lBC lCD lAD且以最短杆AB的邻边为机架 故四杆机构ABCD为曲柄摇杆机构 答案 3 机构的最小传动角 min出现在CD杆垂直于导路时 即ED 导路 COS min ED EF COS min 1 3 min 78 4o 2 3 6凸轮机构 3 6 1凸轮机构的组成 应用和分类 1 组成 凸轮 一个具有曲线轮廓或凹槽的构件 通过高副接触 从动件 平动 摆动 机架 工程实例1 工程实例2 工程实例3 工程实例4 2 应用 当从动件的位移 速度 加速度必须严格按照预定规律变化时 常用凸轮机构 3 分类 1 按凸轮的形状 盘形凸轮机构 平面凸轮机构 移动凸轮机构 平面凸轮机构 圆柱凸轮机构 空间凸轮机构 2 按从动件的型式 平底从动件 用于高速 尖底从动件 用于低速 滚子从动件 应用最普遍 3 按从动件的运动形式 直动从动件 往复直线运动 对心直动从动件 摆动从动件 往复摆动 偏置直动从动件 4 按锁合的方式 力锁合 重力 弹簧力 几何锁合 运动视图 3 6 2凸轮机构工作过程及从动件常见运动规律 1 凸轮机构工作过程 偏距e 1 几个概念 尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构 基圆 凸轮轮廓上最小向径为半径的圆 偏距圆 2 凸轮机构工作过程 近休止角 S AOD 从动件位移线图 从动件速度线图 加速度线图 行程 h 最大位移 上升 停 降 停 推程运动角 BOB AOB1 远休止角 S BOC B1OC1 回程运动角 C1OD 2 从动件常见运动规律 刚性冲击 由于加速度发生无穷大突变而引起的冲击称为刚性冲击 1 匀速运动规律 推程段 行程起始位置 行程终止位置 2 等加速等减速运动规律 柔性冲击 加速度发生有限值的突变 适用于中速场合 定义 从动件在一个推程或回程中 前半程作等加速运动 后半程作等减速运动 加速度 减速度 3 余 简 弦运动规律 运动特征 若为零 无冲击 若不为零 有冲击 3 6 3盘形凸轮轮廓曲线设计 设计方法 作图法 解析法 反转法 1 尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓设计 已知转向 步骤 1 作基圆 偏距圆和从动件导路 2 将推程 回程运动角作若干等分 3 以oc0开始 将基圆按推程 远休止 回程 近休止角分别画出 并将推程 回程角分成相应等分的点C 4 过相应点作偏距圆的切线 5 沿切线自基圆开始取从动件相应的位移量得到一系列点B 6 用光滑的曲线将B点串联即得 3 在理论轮廓上画出一系列滚子 画出滚子的内包络线 实际轮廓曲线 设计滚子从动件凸轮机构时 凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的基圆半径 2 滚子从动件 1 去掉滚子 以滚子中心为尖底 2 按照上述方法作出轮廓曲线 理论轮廓曲线 计算机辅助设计 3 6 4凸轮工作轮廓的校核 1 运动失真 滚子半径rT必须小于理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径 min 回程 70 80 2 凸轮机构的压力角和自锁 1 压力角 接触点法线与从动件作用点速度方向所夹的锐角 2 自锁 3 许用压力角 压力角 有效分力 有害分力 到一定程度将卡死 直动从动件 推程 30 40 4 压力角的影响因数 压力角 基圆半径 结构尺寸 为保证结构紧凑 压力角不宜过小 凸轮轴半径 3 7间歇运动机构 3 7 1棘轮机构 1 棘轮机构的工作原理 摆杆1左右摆动 当摆杆左摆时 棘爪4插入棘轮3的齿内推动棘轮转过某一角度 当摆杆右摆时 棘爪4滑过棘轮3 而棘轮静止不动 往复循环 制动爪5 防止棘轮反转 这种有齿的棘轮其进程的变化最少是1个齿距 且工作时有响声 动画 2 棘轮机构的其它类型 1 摩擦棘轮 无声棘轮 组成 外套筒1 内套筒3之间装有受压缩弹簧作用的滚子2 当外套筒顺时针转动 滚子楔紧 内套筒转动 当外套筒逆时针转动 滚子松开 内套筒不动 由于摩擦传动会出现打滑现象 不适于从动件转角要求精确的地方 工作原