平面连杆机构及其设计.ppt

连杆机构及其特点平面连杆机构的类型及应用平面连杆机构的基本知识平面四杆机构的设计,本章教学内容,本章教学要求,了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点;了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用；明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数等概念；对传动角、死点、运动连续性等有明确的概念；了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。,重点：曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数；平面四杆机构设计的一些基本方法。,难点：平面四杆机构最小传动角的确定；根据已知条件设计平面四杆机构。,第八章平面连杆机构及其设计,第一节连杆机构及其传动特点,连杆机构,共同特点：原动件通过不与机架相连的中间构件传递到从动件上。,由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。,连杆：不与机架相连的中间构件,具有连杆的机构连杆机构,连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为,优点：连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造；在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。缺点：由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；设计方法比较复杂。,连杆机构的特点,第二节平面四杆机构的类型和应用,四杆机构各部分的名称：,机构命名：,原动件名+输出构件名,（也可以几何特点命名）,1.四杆机构的基本形式,1）.曲柄摇杆机构,铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,功能：,应用实例：,缝纫机脚踏板机构,雷达天线俯仰机构,抽油机机构,应用实例：,搅拌机构,剪板机,碎石机,2）.双曲柄机构,两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构,功能：,平行四边形机构特性：两曲柄同速同向转动连杆作平动,特例：若机构中相对两杆平行且相等，则成为平行四边形机构。,应用实例：,惯性筛机构,机车车轮联动机构,应用实例,升降机构,播种机料斗机构,升降车,台灯伸展机构,应用实例,车门开闭机构,应用实例,逆平行（反平行）四边形机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）,3）.双摇杆机构,两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构,功能：,应用实例：,飞机起落架机构,图-22M重型轰炸机前起落架,鹤式起重机,应用实例：,推土机铲斗机构,构件2为机架曲柄摇杆机构,2.平面四杆机构的演化型式,曲柄摇杆机构,偏置曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲线导轨曲柄滑块机构,1）.构件的形态变异,曲柄滑块机构,功能：,应用实例：,压力机,雨伞,发动机,应用实例：,空气压缩机,应用实例：,送料装置,筛分机,偏心轮机构,曲柄滑块机构,2）.改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮,3）.运动参照的变化,机构的倒置：选运动链中不同的构件作机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。,导杆机构,摆动导杆机构导杆只能在一定的角度内摆动,回转导杆机构导杆能作整周转动,功能,应用实例,牛头刨床,直动滑杆机构,直动滑杆机构,应用实例,自卸车,直动导杆机构,功能：,应用实例,手动抽水机,炉门送料装置,第三节平面四杆机构的基本知识,运动特性1.曲柄存在条件2.急回特性3.运动连续性,动力特性1.压力角、传动角2.死点,1.铰链四杆机构曲柄存在的条件,在B1C1D中a+db+c(1),在B2C2D中,若：da，则有：a+cd+b(2)a+bd+c(3),若：ad，则有：c+da+b(4)b+da+c(5),d=lmin为最短杆。,周转副的条件：,1)最短杆长度+最长杆长度小于其余两杆长度之和杆长条件,lmin+lmaxl4+l3,2)连架杆或机架中必有一杆是最短杆。,曲柄存在条件：,当铰链四杆机构满足杆长条件时，,讨论,1）最短杆的邻边杆为机架时,2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆,1)最短杆长度+最长杆长度小于其余两杆长度之和杆长条件,3）最短杆的对边杆为机架时,l1+l2+l3l4?,小结,2）最短杆为机架时,当铰链四杆机构不满足杆长条件时双摇杆机构（无周转副）,平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）,解1：,lmin=r；lmax=CD+e,思考：对心曲柄滑块机构有曲柄的条件？,例：根据下图中所注尺寸判断下列铰链四杆机械是曲柄摇杆机构、双曲柄机构，还是双摇杆机构，并说明为什么。,2.铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数,1）.极限位置和极位夹角,极位夹角当输出构件在两极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角。,极位输出构件的极限位置,摆角输出构件两极限位置所夹的锐角,原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的现象急回运动(Quick-return),2）.急回运动特性,急回运动机理,a)曲柄转过,所用时间：,b)曲柄转过,所用时间：,c)设两过程的平均速度为V1、V2：,回程速度大于正行程速度,3）行程速比系数K,为表明急回运动程度，用行程速度变化系数K来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度比，即,讨论：当0时，机构具有急回运动特性；K，急回运动特性愈显著。=0，无急回特性,对心曲柄滑块机构=0，K=1，无急回运动,偏置曲柄滑块机构0，K1，有急回运动,例：曲柄滑块机构,摆动导杆机构,0，K1，有急回运动,急回运动特性的应用,3.铰链四杆机构的传动角和死点,1）压力角与传动角,压力角：不考虑摩擦时，机构输出构件上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。,传动角：压力角的余角,机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。,()F机构传动越有利,一般要求：,D,B,2）最小传动角的位置,对于曲柄摇杆机构，最小传动角出现在主动曲柄与机架共线的两位置之一。,在中,在中,或,和中的小者为,结论：,曲柄与机架共线时，出现最小传动角。,例：标出机构在图示位置的压力角与传动角,3）死点,机构传动角=0(=90)的位置,当机构处于死点位置时，整个机构无法运动，但在外界微小扰动力的作用下，会出现运动不确定现象。以往复运动构件为主动件的机构，通常存在死点。,=90,当输出构件与连杆共线时，机构出现死点。,特别注意：机构有无死点与原动件选取有关,曲柄滑块机构的死点位置,曲柄摇杆机构的死点位置,死点位置,机构通过死点采取的措施,对于传动机构来讲，死点是不利的，应采取措施使机构能顺利通过死点位置。,利用惯性,缝纫机脚踏板机构,使各组机构的死点相互错开排列,机车车轮联动机构,死点的利用,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,工件夹紧机构,4.铰链四杆机构的连杆曲线,在四杆机构运动时，连杆平面上的每一点均描述出一条曲线，称为连杆曲线。,5.铰链四杆机构的运动连续性,1）运动连续性当主动件连续运动时，从动件能否连续实现给定的各个位置的运动。,2）可行域当曲柄AB连续转动时，摇杆CD的摆动范围或,3）不可行域由和所决定的范围,可行域,不可行域,可行域,不可行域,运动不连续问题有：错位不连续错序不连续,4）错位不连续不连通的两个可行域内的运动不连续。,5）错序不连续原动件按同一方向连续转动时，连杆不能按顺序通过给定的各个位置,图中，要求连杆依次占据B1C1、B2C2、B3C3，当AB沿逆时针转动可以满足要求，但沿顺时针转动，则不能满足连杆预期的次序要求。,铰链四杆机构的运动连续性,小结,曲柄存在条件,急回特性及行程速比系数,或：,四杆机构传动角、压力角及死点,()F机构传动越有利,曲柄与机架共线时，出现最小传动角,错位不连续错序不连续,第四节平面四杆机构的设计,1.平面连杆设计的基本问题,1）平面连杆机构设计的基本任务根据给定的设计要求选定机构型式；确定各构件尺寸，并要满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。2）平面连杆机构设计的三大类基本命题满足预定的运动规律要求满足预定的连杆位置要求满足预定的轨迹要求,1）满足预定运动的规律要求要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位置关系；要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确地或近似地满足预定的运动规律要求。,3）满足预定的轨迹要求,设计时要求在机构运动过程中，连杆上某点能实现预定的轨迹。(又称为轨迹生成机构的设计),机构示例鹤式起重机,机构示例搅拌机机构,2.设计方法:1）解析法2）图解法3）实验法,2.用图解法设计四杆机构,1）按给定的行程速比系数K设计四杆机构实现给定运动要求,2）按连杆预定位置设计四杆机构实现给定连杆位置（轨迹）要求,3）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构实现给定连架杆位置（轨迹）要求,（1）按给定的行程速比系数K设计四杆机构,曲柄摇杆机构设计要求：已知摇杆的长度CD、摆角及行程速比系数K。设计过程：,计算极位夹角：,选定机构比例尺，作出极位图：,联C1C2，过C2作C2MC1C2；另过C1作C2C1N=90-射线C1N，交C2M于P点；,以C1P为直径作圆I，则该圆上任一点均可作为A铰链，有无穷多解。,设曲柄长度为a，连杆长度为b，则:,错位不连续问题,A铰链不能选定在FG弧段,给定曲柄长度a的解：,作图步骤：,证明：,给定连杆长度b的解：,作图步骤：,证明：,曲柄滑块机构已知条件：滑块行程H、偏距e和行程速比系数K设计过程：,有无穷多解,设曲柄长度为a，连杆长度为b，则:,摆动导杆机构,对于摆动导杆机构,由于其导杆的摆角刚好等于其极位夹角，因此，只要给定曲柄长度LAB(或给定机架长度LAD)和行程速比系数K就可以求得机构。,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),已知：机架长度d，K，设计此机构。,（2）按连杆预定位置设计四杆机构,已知连杆上两活动铰链的中心B、C位置（即已知LBC）,已知机架上固定铰链的中心A、D位置（即已知LAD）,已知连杆在运动过程中的两个位置B1C1、B2C2，设计四杆机构已知连杆上在运动过程中的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，设计四杆机构。,已知连杆在运动过程中的两个位置E1F1、E2F2，设计四杆机构已知连杆上在运动过程中的三个位置E1F1、E2F2、E3F3，设计四杆机构,已知连杆上两活动铰链的中心B、C位置（即已知LBC）,设计步骤：,设计分析：,铰链和位置已知，固定铰链和未知。铰链和轨迹为圆弧，其圆心分别为点和。,联B1B，作垂直平分线b12,铰链,联C1C，作垂直平分线c12,铰链D,有无穷多解,和分别在B1B和C1C的垂直平分线上。,已知连杆上在运动过程中的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，设计四杆机构。,唯一解,已知机架上固定铰链的中心A、D位置（即已知LAD）,设计方法采用转化机构法(或反转法),转化机构法或反转法根据机构的倒置理论，通过取不同构件为机架，将活动铰链位置的求解转化为固定铰链的求解设计四杆机构的方法。,以连杆为相对机架的情况,已知连杆在运动过程中的两个位置E1F1、E2F2，设计四杆机构,转化机构法(或反转法)的应用,有无穷多解,A,D,E1,F1,已知连杆上在运动过程中的三个位置E1F1、E2F2、E3F3，设计四杆机构,唯一解,反转法或转化机构法的具体作图方法为了不改变反转前后机构的相对运动，作图时将原机构每一位置的各构件之间的相对位置视为刚性体；用作全等四边形或全等三角形的方法，求出转化后机构的各构件的相对位置。,这一方法又称为“刚化反转法”。反转作图法只限于求解两位置或三位置的设计问题,（3）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,设计方法采用转化机构法(或反转法),B2,C2,以连架杆为相对机架,按两连架杆两个对应位置设计四杆机构按两连架杆三个对应位置设计四杆机构,设计问题：,按两连架杆两个对应位置设计四杆机构,已知：机架长度LAD=d两连架杆对应转角12、12。设计：四杆机构,l,有无穷多解,按两连架杆三个对应位置设计四杆机构,已知：机架长度LAD、一连架杆长度LAB及其起始位置、两连架杆对应转角12、12、13、13。设计四杆机构,3.用解析法设计四杆机构,建立解析关系式求解所需的机构尺度参数,1.按预定的运动规律设计四杆机构,（1）按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构,已知设计要求：从动件3和主动件1的转角之间满足一系列对应位置关系,分析：,设计参数杆长a,b,c,d和0、0,令a/a=1,b/a=m,c/a=n,d/a=l。,m、n、l、0、0,建立直角坐标系，并标出各杆矢，写出矢量方程,向x、y轴投影，得,将相对长度代入上式，并移项，得,将等式两边平方和，消去2i，并整理得,将两连架杆的已知对应角代入上式，列方程组求解,注意：方程共有5个待定参数，根据解析式可解条件：当两连架杆的对应位置数N=5时，可以实现精确解。当N5时，不能精确求解，只能近似设计。当N5时，可预选尺度参数数目N0=5-N，故有无穷多解。,注意：N=4或5时，方程组为非线性,例题：试设计如图所示铰链四杆机构，要求其两连架杆满足如下三组对应位置关系：11=45o,12=90o,13=135o,31=50o32=80o,33=110o。,分析：,N=3则N0=2，常选0=0=0o,求解：,将三组对应位置值代入解析式得：,根据结构要求，确定曲柄长度，可求各构件实际长度。,（2）按预期函数设计四杆机构,期望函数：要求四杆机构两连架杆转角之间实现的函数关系y=f(x)。再现函数：连杆机构实际实现的函数y=F(x)。,设计方法插值逼近法,（1）插值结点：再现函数和期望函数曲线的交点（2）插值逼近法：按插值结点的值来设计四杆机构,（3）用插值逼近法设计四杆机构的作法,在给定自变量x0xm区间内选取结点，则有f(x)=F(x),将结点对应值转化为两连架杆的对应转角,代入解析方程式，列方程组求解未知参数,（4）插值结点的选取,在结点处应有,f(x)-F(x)=0,结点以外的其他位置的偏差为,结点数：最多为5个结点位置的分布根据函数逼近理论按下式选取：,偏差大小取决结点数目和分布位置,i=1、2、m;m为插值结点总数。,例题：如图所示，设两连架杆转角之间的对应函数关系为y=logx,1x2,其设计步骤如下：,1）根据已知条件x0=1，xm=2；可求得y0=logx0=0，ym=logxm=0.301。,2）根据经验取主、从动件的转角范围分别为m=60,m=90,则自变量和函数与转角的比例分别为,3）由式（6-16）求插值结点处的自变量（设总数m=3），则,x1=(2+1)/2-(2-1)cos180(21-1)/(23)/2=1.067；x2=1.500；x3=1.933,求结点处的函数值,y1=log1.067=0.0282；y2=0.1761；y3=0.2862,求主、从动件在结点处的相应转角,4）试取初始角0=86，0=23.5(一般0及0不同时为零)。,5）将各结点的坐标值及初始角代入式,解得P0=0.568719，P1=-0.382598，P2=-0.280782,6）求机构各构件相对长度为,a=1，b=2.0899，c=0.56872，d=1.4865,7）检验偏差值,消去2，并将变量符号2换为，3换为，得,b2=a2+d2+c2+2cdcos(+0)-2adcos(+0)-2accos(+0)-(+0),令A=sin（+0)B=cos（+0)d/aC=(a2+d2+c2-b2)/(2ac)dcos(+0),