第五章(连杆机构).ppt

第五章平面连杆机构 参考文献 张策主编 机械原理与机械设计 下册 机械工业出版社 2004濮良贵主编 机械设计 高等教育出版社 2006其他机械设计的相关书籍 平面铰链四杆机构的基本形式及其演化 平面四杆机构的若干基本知识 平面四杆机构的基本设计方法 本章重点 主要内容 第一节概述第二节平面四杆机构的分类第三节平面四杆机构曲柄存在的条件和几个基本概念第四节平面四杆机构的设计 第一节概述 一 平面连杆机构由若干刚性构件用低副联接而成的一种平面机构 作用 传递运动 放大位移 改变位移的性质 搅拌机构 二 平面连杆机构的特点优点结构简单 工作可靠 能实现多种运动规律和运动轨迹的要求 杆与杆间是低副联接 接触面积大 压强小 磨损小 制造容易 缺点各构件因是低副联接 存在间隙 传动精度低 不适用于高速传动 三 四连杆机构是最基本的平面连杆机构 第二节平面四杆机构的分类 机架4 连杆2 根据两连架杆运动形式的不同进行分类 五种基本类型 连架杆1 3 一 曲柄摇杆机构一个连架杆能作整周回转运动 曲柄 另一连架杆仅在一定角度范围内摆动 摇杆 曲柄 原动件 摇杆 从动件曲柄的连续转动摇杆的往复摆动雷达天线的俯仰机构摇杆 原动件 曲柄 从动件摇杆的往复摆动曲柄的整周转动缝纫机踏板机构 压力P1 P2分别作用在两个波纹管上 推动与波纹管固联的轴1向右移动 驱动摆杆2 再经过曲柄摇杆机构ABCD 将摇杆AB的小转角传动放大为曲柄CD的大转角 双波纹管差压计 二 双曲柄机构两连架杆均为曲柄 可作整周回转运动 惯性筛平行四边形机构 相对两杆平行且相等两曲柄以相同的角速度同向转动 连杆作平移运动 机车车轮联动机构平行机构1平行机构2 三 双摇杆机构两连架杆均为摇杆 只能在有限范围内径往复摆动 飞机起落架机构 鹤式起重机E点走出一近似直线轨迹 四 曲柄滑块机构由曲柄摇杆机构演化而成 演化过程 曲柄滑块机构型式 对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 应用 弹簧管压力表 内燃机 机械压力机工作原理图 五 导杆机构由曲柄滑块机构演变而来 曲柄为机架 导杆 类型a 转动导杆机构 杆1长度小于杆2 b 摆动导杆机构 杆1长度大于杆2 导杆 小型刨床 应用牛头刨床传动机构 A B C D E 第三节平面四杆机构曲柄存在条件和几个基本概念 一 曲柄存在的条件取决于机构各杆件的相对长度及机架的选择 四杆机构曲柄存在的必要条件为 1 曲柄 机架之一是最短杆2 最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和 杆长条件 必须同时满足 首先检查第二个条件 如果不满足杆长条件 机构中不可能有曲柄 不管以哪个杆件为机架 只能构成双摇杆机构 在满足杆长条件的前提下 1 若以最短杆为机架 则构成双曲柄机构2 若以最短杆任一相邻杆为机架 则构成曲柄摇杆机构 3 若以最短杆相对的杆为机架 则构成双摇杆机构 二 压力角与传动角压力角 从动件CD上C点所受作用力的方向与该点速度方向之间所夹的锐角 越小 传动效率越高 传动角 连杆与从动件所夹的锐角 压力角的余角 90 越小 越大 传动效率越高 一般 min 40 曲柄摇杆机构的最小传动角将出现在曲柄与机架两次共线的位置 比较即得 min 三 死点位置机构运转时 摇杆为主动件 当连杆与从动件处于共线位置时 经连杆作用于从动件上的力F通过从动件的铰链中心 使驱动从动件的有效分力为零 不论力F多大 都不能使从动件转动 对于平行四边形机构 当曲柄与连杆共线时 传动角为零 同时整个机构的构件重合为一条直线 这时从动曲柄CD存在正 反转两种可能 称为转向点 克服死点 转向点的方法1 在从动件上安装转动惯量大的飞轮 缝纫机踏板机构 2 相同机构错位排列汽车发动机 死点位置利用利用死点位置实现特定的工作要求1 飞机起落架机构落地后作用力不会使起落架反转保证飞机安全可靠降落 2 夹具夹紧机构机构不会松脱 3 开关机构保证融点可靠接触 三 行程速度变化系数急回特性摆动导杆机构 曲柄AB等速逆时针回转 由B B 1 180 由B B 2 180 摆动角度同为 但 1 2 故 1 2 具有急回运动特征 曲柄在两极限位置时所夹锐角 也等于导杆的摆角 极位夹角 行程速度变化系数K表明急回运动特征的相对程度的参数四杆机构有无急回特征就取决于机构运动中有无极位夹角 机构的极位夹角 越大 则机构的急回特征越显著 0无急回特征 0有急回特征 0有急回特征 第四节平面四杆机构的设计 平面四杆机构设计 根据给定的运动条件 确定机构运动简图的尺寸参数 平面四杆机构设计 主要有两类问题 实现给定从动件的运动规律 位置 速度 加速度 实现给定的运动轨迹平面四杆机构的设计方法图解法 实验法 解析法 一 图解法 一 按给定的行程速度变化系数设计四杆机构1 曲柄摇杆机构已知 曲柄摇杆机构中摇杆CD长度和摆动角 max 行程速度变化系数K设计 四杆机构 分析图示为要求设计的四杆机构的两个极限位置 铰链A的中心必在过C1 C2两点且圆周角等于 的一个圆上 设计步骤1 计算极位夹角 180 K 1 K 1 2 按比例画出过C1 C2点 且圆周角等于 的圆 3 按其它条件在圆上确定铰链A的位置4 从图中量取 b a b a曲柄长度连杆长度 2 偏置曲柄滑块机构已知滑块行程S 偏距e及行程速度变化系数K 设计此偏置曲柄滑块机构 二 按给定连杆的两个或三个位置设计四杆机构已知 连杆BC的三个位置设计的实质是确定固定铰链A D的位置B1 B2 B3所在圆的圆心即为铰链A位置 C1 C2 C3所在圆的圆心即为铰链D的位置 若仅知道连杆BC的二个位置 可通过其它条件确定A D位置 三 按给定连架杆对应位置设计四杆机构已知 曲柄AB及其三个位置 机架AD的长度 构件CD上某直线DE的三个位置 分析本设计的实质是求活动铰链C的第一个位置C1 可通过连架杆AB对CD的相对运动来确定铰链C的位置 即 将连架杆CD上某直线DE的第一个位置DE1当作机架不动 连架杆AB看作连杆 采用反转法实现AB对CD的相对运动 步骤 1 将四边形分别刚性地绕D点反转 使分别与重合 则得到构件AB对机架CD相对运动的三个位置 图中未画出 此时问题转化为给定连杆三个位置设计四杆机构 2 作的中垂线 则交点为 E1 二 解析法 一 铰链四杆机构的传动特性及设计 二 曲柄滑块机构的传动特性及设计 三 正弦 正切机构的传动特性及其设计 正弦机构 正切机构 低副高代正弦机构正切机构 正弦机构的传动特性是非线性机构正切机构的传动特性是非线性机构 应用 奥氏测微仪简图 立式光学比较仪简图 正弦机构原理误差线性度盘将sin 展开 取前两项得 正切机构原理误差 设计原则合理选择传动型式 高精度仪器仪表中 多采用正弦机构 精度较低时一般采用正切机构 条件相同时 正弦机构的原理误差是正切机构的1 2 测杆移动副的间隙对正弦机构精度没有影响 但对正切机构影响大 正切机构的结构工艺性比正弦机构好 把工作角度限制在很小范围内 尽量增大参数a的长度摆杆长度的调整 即采用参数a可调整的结构 2 测量范围一定情况下 参数a增大 则工作角度减小 从而减小3 采用参数a可调整的结构 正弦机构原理误差的调整 正切机构原理误差的调整 摆杆长度的调整结构 偏心调整结构 螺钉调整结构 弹性摆杆结构 摆杆支撑间隙的影响与消除 错误的机构原点位置a 正弦机构b 正切机构 本章难点 本章难点是采用反转法设计四杆机构反转法包含两个概念 1 刚化2 反转刚化 将四杆机构运动中每一位置时各构件的相对位置固定起来 把此位置时的四个构件整体视为一个刚体 反转 利用相对运动的原理 将各位置时的刚体反方向转动 使各位置选定的基线都与此基线的初始位置重合 将求活动铰链中心的问题转化为求固定铰链中心的问题 机械式测量仪表的组成 将感受的物理量转换为元件的变形位移 如 弹簧管 流体压力真空膜盒 高空至地面的距离双金属片 温度 解析法设计曲柄滑块机构 机械式测量仪表的组成 指针 等分刻度度盘 将灵敏元件位移传动到指针 机械式测量仪表的组成 因灵敏元件的转化特性存在误差 故要求传动机构 具有调整环节以改变传动比 具有非线性补偿功能 以校正敏感元件特性的非线性误差 曲柄滑块机构作为传动机构 可实现上述要求 调整构件尺寸可改变传动比 曲柄滑块机构传动特性具有非线性 利用其非线性可以抵消灵敏元件非线性误差 使仪表测量精度满足要求 解析法设计曲柄滑块机构 一 曲柄滑块机构的传动特性滑块位移S与曲柄转角 之间的关系称为曲柄滑块机构的传动特性 S f A B C e a b 0 0 曲柄滑块机构 C O 曲柄滑块传动特性方程 当滑块为主动件时 机构的传动比 为简化计算 便于制成相应图谱 特引入无量纲系数 滑块相对位移 连杆相对长度 相对偏距代入曲柄滑块特性传动方程得 得相对传动比 ia 0 1 相对传动比和绝对传动比之间的关系 1 若确定 则得ia 图谱 曲柄滑块机构的曲线 1 ia 二 非线性补偿设计举例 压力表设计中的曲柄滑块机构 一 压力表设计任务要求 a 测量范围0 1Mpab 指针 度盘示数 度盘标度角270 等分刻度c 压力表精度为1 5级 解析法设计曲柄滑块机构 压力表测量允许误差1 5级表测量允许误差为 在测量范围内任一压力处测量值与标准值 标准表的示值 之差小于满幅压力pmax 1 5 即仪表允许误差 为 1Mpa 1 5 0 015Mpa 若压力表示值曲线全部在两条平行虚线内 仪表为合格 图中在满幅压力和中间一段压力处测量误差大于允许误差 为不合格 压力表示值 标准表示值 测量允许误差 二 弹簧管特性测量压力的敏感元件 弹簧管 自由端封闭 在被测压力p的作用下 弹簧管自由端沿固定方向产生直线位移s 该直线与自由端切线t t成 角 由弹簧管中心角 0决定 即 f 0 自由端位移s与压力p成正比 即s Ks p 故弹簧管具有线性转换特性 三 线性传动方案 批量生产中的弹簧管特性离散度很大 并存在非线性 造成满幅测量值或某一段测量值超差 而齿轮为恒定传动比传动 对传动比没有调整功能 故此方案不能满足仪表测量精度要求 四 加入曲柄滑块机构进行非线性补偿方案采用二级放大传动 第一级为曲柄滑块机构 用于非线性补偿 应按近似线性传动特性设计机构参数 第二级为齿轮传动 弹簧管 齿轮 指针度盘 p s 线性转换 线性传动 线性刻度 曲柄滑块 近似线性传动 曲柄滑块机构设计的原始数据 滑块最大位移smax smax即弹簧管满幅压力时位移 曲柄工作转角 g g 270 i2i2 二级齿轮传动比 曲柄滑块机构的设计步骤 初步选定曲柄滑块机构的 的值 即在曲线谱中选定一条曲线 ia 曲柄滑块机构设计步骤 确定曲柄滑块机构的工作区间 因其传动特性为近似线性 故工作区间在极值点附近 以一定步长 利用式搜索曲线极值点 e 以极值点 e对称分布找出初始角 0 H点 和终止点 z F点 及对应的iaH iaF 有 0 e g 2 z e g 2 e 曲柄滑块机构设计步骤 求机构参数传动比i g smax相对传动比的平均值iam iaH ia0 2或iam iaF ia0 2曲柄长a iam i连杆长b a偏距e a O t t s p C 0 e B A E a b 压力表示值的校正过程1 满幅测量值调整改变曲柄AB长度a 曲柄长a与传动比i反比 实现在零点示值和满幅点示值的准确性 2 示值非线性补偿中段示值误差超过允许值 压力表示值 标准表示值 满幅测量值调整 斜率过小 斜率过大 为实现测量值的非线性补偿 应增大低端传动比和减小高端传动