机械设计基础第四章 连杆机构

2018/1/27,机械设计基础,1,4-1 概述,（1）由若干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆机构 连杆机构又称为低副机构,一、定义与分类,2018/1/27,机械设计基础,2,（2）连杆机构可分为 空间连杆机构和 平面连杆机构,空间连杆机构,平面连杆机构,2018/1/27,机械设计基础,3,二、连杆机构的优点, 承受载荷大，便于润滑 制造方便，易获得较高的精度 两构件之间的接触靠几何封闭实现 实现多种运动规律和轨迹要求,2018/1/27,机械设计基础,4,三、连杆机构的缺点,惯性力不易平衡,不易精确实现各种运动规律和轨迹要求,2018/1/27,机械设计基础,5,4-2 平面连杆机构的基本类型及其演化,一、平面四杆机构的基本类型及应用,曲柄摇杆机构,基本类型：,四杆机构连杆曲线,2018/1/27,机械设计基础,6,双曲柄机构,2018/1/27,机械设计基础,7,双摇杆机构,2018/1/27,机械设计基础,8,曲柄摇杆机构,2018/1/27,机械设计基础,9,二、平面连杆机构的演化,人们认为所有的四杆机构都是由四杆机构的基本形式演化来得。,1、曲柄摇杆机构的演化,改变运动副类型转动副变成移动副,改变构件相对尺寸,改变构件相对尺寸e0,2018/1/27,机械设计基础,10,2、双曲柄机构的演化,改变运动副类型转动副变成移动副,转动导杆机构,改变运动副类型转动副变成移动副,双转块杆机构,改变构件相对尺寸,0,改变构件相对尺寸,2018/1/27,机械设计基础,11,3、双摇杆机构的演化,改变运动副类型转动副变成移动副,移动导杆机构,改变运动副类型转动副变成移动副,双滑块机构,0,改变构件相对尺寸,改变构件相对尺寸,2018/1/27,机械设计基础,12,4、曲柄滑块机构的演化,改变运动副类型转动副变成移动副,改变构件相对尺寸,正弦机构,改变机架,定为机架,双滑块机构,2018/1/27,机械设计基础,13,平面四杆机构的演化方式,(2) 改变相对杆长,(3) 选不同构件作机架,改变运动副类型 转动副 移动副,2018/1/27,机械设计基础,14,4-3 平面四杆机构有曲柄的条件 及几个基本概念,一、平面四杆机构有曲柄的条件,1、铰链四杆机构有曲柄的条件,蓝色三角形成立,红色三角形成立,2018/1/27,机械设计基础,15,比较,该机构中构件a最短，构件a能否整周回转？,2018/1/27,机械设计基础,16,最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和,最短杆是连架杆或机架,a最短,最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和,2018/1/27,机械设计基础,17,讨论,最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和,这是铰链四杆运动链有周转副的几何条件,当最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和即,该式表明铰链四杆运动链有两个周转动副,并且这两个周转副在最短杆的两端。,2018/1/27,机械设计基础,18,最短杆是连架杆或机架,最短杆a是机架时，连架杆b,d都是曲柄,最短杆a是连架杆时，b或者d是机架，a是曲柄,c是机架时，无曲柄,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,2018/1/27,机械设计基础,19,2、曲柄滑块机构有曲柄的条件,构件a能通过m点的条件是：,构件a能通过n点的条件是：,曲柄滑块机构有曲柄的条件,2018/1/27,机械设计基础,20,3、导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,有曲柄，该机构是转导杆机构。,结论导杆机构总是有曲柄的,2018/1/27,机械设计基础,21,4、偏置导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,2018/1/27,机械设计基础,22,没有曲柄。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,结论偏置导杆机构有曲柄的条件是,2018/1/27,机械设计基础,23,二、压力角和传动角,压力角：力F的作用线与力作用点绝对速度V所夹的锐角称为压力角。,传动角：压力角的余角称为传动角,2018/1/27,机械设计基础,24,在其它条件不变的情况下压力角越大，作功W越大,压力角是机构传力性能的一个重要指标，它是力的利用率大小的衡量指标。,2018/1/27,机械设计基础,25,曲柄摇杆机构的压力角,2018/1/27,机械设计基础,26,2018/1/27,机械设计基础,27,曲柄滑块机构的压力角,2018/1/27,机械设计基础,28,三、急回运动和行程速比系数,1. 极位夹角 当机构从动件处于两极限位置时，主动件曲柄在两相应位置所夹的角,曲柄摇杆机构的极位夹角,2018/1/27,机械设计基础,29,曲柄滑块机构的极位夹角,摆动导杆机构的极位夹角,2018/1/27,机械设计基础,30,2. 急回运动 当曲柄等速回转的情况下，通常把从动件往复运动速度快慢不同的运动称为急回运动。,主动件a,时间：,转角：,运动：,从动件c,时间：,转角：,运动：,从动件c的平均角速度：,2018/1/27,机械设计基础,31,通常把从动件往复运动平均速度的比值(大于1)称为行程速比系数，用K表示。,3. 行程速比系数K,2018/1/27,机械设计基础,32,四、机构的死点位置,所谓死点位置就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于90时机构所处的位置。,1. 死点位置,如何确定机构的死点位置？,分析B、C点的压力角,2018/1/27,机械设计基础,33,曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点,无死点存在,2018/1/27,机械设计基础,34,曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）的死点,2018/1/27,机械设计基础,35,曲柄滑块机构（曲柄为主动件）的死点,无死点存在,曲柄滑块机构（滑块为主动件）的死点,有死点存在,2018/1/27,机械设计基础,36,2. 死点位置的应用,飞机起落架,夹具,2018/1/27,机械设计基础,37,火车轮,2. 避免死点位置的危害,加虚约束的平行四边形机构,2018/1/27,机械设计基础,38,加虚约束的平行四边形机构,2018/1/27,机械设计基础,39,4-4 平面连杆机构的运动分析,一、研究机构运动分析的目的和方法,位移分析可以：进行干涉校验确定从动件行程 考查构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。速度、加速度分析可以：确定速度变化是否满足要求确定机构的惯性力、振动等,1. 目的,2018/1/27,机械设计基础,40,图解法解析法实验法,2. 运动分析的基本方法,2018/1/27,机械设计基础,41,二、用速度瞬心法对平面机构作速度分析,作平面运动的两个构件上瞬时相对速度等于零的点或绝对速度相等的点(等速重合点)，称为速度瞬心。,速度瞬心的个数：,1. 什么是速度瞬心？,设有m个构件,2018/1/27,机械设计基础,42,2. 瞬心位置的确定,(1) 通过运动副直接连接的两个构件,转动副连接的两个构件,移动副连接的两个构件,高副连接的两个构件（纯滚动）,高副连接的两个构件（存在滚动和滑动）,2018/1/27,机械设计基础,43,(2)不直接连接的两个构件,三心定理：三个作平面平行运动的构件的三个瞬心必在同一条直线上。,2018/1/27,机械设计基础,44,3.用速度瞬心对平面机构作速度分析,2018/1/27,机械设计基础,45,三、用解析法对平面连杆机构作速度和加速度分析,1. 基本方法,解析法有很多种不同的方法,本教材采用杆组法,分 解基本杆组,建立基本杆组数学模型,按照基本杆组构成机构的顺序对机构进行运动分析,2018/1/27,机械设计基础,46,2. 杆组法运动分析的数学模型,(1) 同一构件上点的运动分析,已知：,位置：,数学模型,速度：,加速度：,2018/1/27,机械设计基础,47,(2) RRRII级杆组的运动分析,已知：,数学模型,位置：,速度：,加速度：,2018/1/27,机械设计基础,48,(3) RRPII级杆组的运动分析,2018/1/27,机械设计基础,49,例,(1)用I级杆数学模型计算B点的运动,(2)用RRR杆组数学模型计算C点的运动,(3)用I级杆数学模型计算E点的运动,(4)用RRP杆组数学模型计算F点的运动,O,4,2018/1/27,机械设计基础,50,4-5 平面连杆机构的力分析机械效率,一、力分析的基本知识,作用在机械上的力：,驱动力 驱使机械运动的力，其特征:力与作用点速度方向的夹角为锐角,阻力 阻碍机械运动的力，其特征:力与作用点速度方向的夹角为钝角,通常认为摩擦力是阻力，但是，有时候摩擦力也可以是驱动力,2018/1/27,机械设计基础,51,摩擦力是驱动力的实例,2018/1/27,机械设计基础,52,三、运动副的摩擦力及摩擦时机构的力分析,1. 移动副的摩擦和自锁,自锁,2018/1/27,机械设计基础,53,结论：(1) 当驱动力作用在摩擦角之外 时,滑块不 能被推动的原因是驱动力不够大，而不是自锁。 (2) 当驱动力作用于摩擦角之内 时,将产生 自锁。,移动副自锁条件：,驱动力作用于摩擦角之内,2018/1/27,机械设计基础,54,2. 转动轴颈的摩擦和自锁,轴颈均速转动,2018/1/27,机械设计基础,55,轴颈减速转动,轴颈加速转动,2018/1/27,机械设计基础,56,2018/1/27,机械设计基础,57,如何计算摩擦圆半径 和摩擦力矩 ？,如何计算当量摩擦系数 ？,该公式不能使用！,2018/1/27,机械设计基础,58,应用,2018/1/27,机械设计基础,59,应用举例,2018/1/27,机械设计基础,60,四、机械效率,什么是机械效率?,机械效率的定义式,2018/1/27,机械设计基础,61,或,2018/1/27,机械设计基础,62,理想情况下(没有摩擦),2018/1/27,机械设计基础,63,理想情况下(没有摩擦),结论：,2018/1/27,机械设计基础,64,思考,这几个效率计算式含义相同吗？,?,?,2018/1/27,机械设计基础,65,五、机械自锁,从效率的观点讨论自锁，则自锁的条件为：机械效率小于等于0，即,2018/1/27,机械设计基础,66,4-6 平面四杆机构设计,一、四杆机构设计的基本问题,1、函数机构设计,2、轨迹机构设计,四杆机构连杆曲线,2018/1/27,机械设计基础,67,3、导引机构设计,2018/1/27,机械设计基础,68,二、函数机构设计,在这个方程中要求的未知数有哪些,已知的数有哪些?,2018/1/27,机械设计基础,69,已知：,未知：,2018/1/27,机