任务四平面机构的组成与设计

机电学院周建波,2020/5/11,机械设计基础,2020/5/11,1,任务四平面机构的组成与设计,知识内容及要求,单元一平面机构的组成,单元二平面连杆机构及其设计,单元三凸轮机构及其设计,本任务总学时12，理论10学时，实验2学时,2020/5/11,2,单元一平面机构的组成,三、平面机构运动简图,一、构件的运动及运动副,二、运动链与机构,四、平面机构具有确定运动的条件,2020/5/11,3,任务：理解平面机构、运动副、自由度等基本概念，掌握机构运动简图绘制的基本方法和自由度的计算，掌握机构具有确定运动的条件重点：运动副、自由度基本概念，机构具有确定运动的条件。难点：运动副的概念,机器从运动的角度来分析是由各种机构组成的。机构是人为的实物组合，其主要作用是传递运动和变换运动形式或运动速度。机构是具有确定相对运动的构件组合。在机构中，组成机构的构件之间需要用一定的方式连接起来，才能使构件获得需要的相对运动。凡两构件直接接触并能产生相对运动的连接称为运动副。机构就是由若干构件通过运动副的连接而组成的。若组成机构的各构件间的相对运动是在同一个平面或平行平面内，则称此机构为平面机构，否则，则称为空间机构。,2020/5/11,5,（一）构件的运动形式,一、构件的运动及运动副,1构件的平动（或移动）,平面机构(Planarmechanism)所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。,本单元主要讨论平面机构（工程中常见，比如在前面力学学习中有许多这样的例子）的组成。,构件（Link）作平动（或移动）时，其上任一条直线始终与初始位置保持平行。,2020/5/11,6,实例：,内燃机气缸中活塞的运动：直线平动,2020/5/11,7,构件平动时的特征：,其上各点的轨迹形状相同；,在同一瞬时其上各点的速度和加速度相同。,工程实例：,内燃机气门机构,2020/5/11,8,转轴构件转动时，其上固定不动的直线。,构件作转动时，其上（或其延伸部分）有唯一的一条直线固定不动。,例如：齿轮、凸轮、带轮、电机转子、机床主轴等。,2构件的定轴转动,2020/5/11,9,构件定轴转动时的特征：,除转轴上的点不动外，其余各点都在垂直于转轴的平面内作圆周运动；,圆心在转轴上，圆周的半径为点到转轴的距离。,2020/5/11,10,实例：,构件作平面运动时，其上任一点始终在某一平面内运动。,3构件的平面运动,内燃机连杆的运动。,平动和定轴转动是平面运动的特殊情形。平面运动可视作平动和转动的合成。,2020/5/11,11,一个作平面运动的自由构件S可有三个独立运动，即：,1、构件的自由度(Degreeoffreedom,Mobility)构件所具有的独立运动数目。,沿x轴方向的移动；沿y轴方向的移动；绕任意点A的转动。,（二）运动副及其分类,可见，一个作平面运动的自由构件有三个自由度。,2020/5/11,12,2、运动副（Kinematicpair）两构件直接接触并能产生确定相对运动的联接。,约束(Constraint)对构件独立运动的限制。,作平面运动的构件，其约束不能超过2个，否则就不可能产生相对运动。,按两构件的接触情况，运动副分类：低副(Lowerpair)和高副(Higherpair)。,2020/5/11,13,（1）转动副（Revolutepair）（铰链Hingedjoint）,两构件以面接触(Areacontact)构成的运动副。,构成转动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动。,3、低副（具有2个约束，1个自由度，即只能做一种运动）,铰链由圆柱销和销孔构成的转动副。,2020/5/11,14,固定铰链（一件固定，另一件活动）,活动铰链（两件均活动）,2020/5/11,15,转动副,转动副的表示方法,2020/5/11,16,（2）移动副（Prismaticpair,Slidingpair）,构成移动副的两构件只能沿一个方向作相对移动。,3、低副（具有2个约束，1个自由度，即只能做一种运动）,2020/5/11,17,移动副,移动副的表示方法,2020/5/11,18,转动副和移动副的工程应用,2020/5/11,19,两构件以点接触(Pointcontact)或线接触(Linecontact)构成的运动副。,4高副（具有1个约束，2个自由度，即可以做两种运动）,凸轮和顶杆之间,两个齿轮啮合处,2020/5/11,20,组成平面高副的两构件可沿接触点切线tt方向的相对移动和绕接触点A的相对转动。,凸轮与顶杆,两齿轮啮合,2020/5/11,21,2020/5/11,22,平面运动副(Planarkinematicpair)两构件在同一平面内作相对运动构成的运动副。,2020/5/11,23,螺旋副,球副,应用：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节等。,空间运动副(Spatialkinematicpair)空间运动。,现在将运动副进行如下小结：jb010102.swf,2020/5/11,24,1运动链(Kinematicchain),闭式运动链(Closedkinematicchain)各构件构成首末封闭的系统。,应用：传统的机械中多采用闭式运动链。,二、运动链与机构,两个或两个以上的构件通过运动副联接而成的系统。,-,2020/5/11,25,开式运动链(Openkinematicchain)各构件未构成首末封闭的系统。,应用：随着生产线中机械手和机器人的应用日趋普遍，开式运动链也逐渐增多。,2机构的组成,机构是由构件通过运动副连接而成的。组成机构的构件按其运动性质，一般可分为以下三种：,原动件。机构中已知运动规律的构件，它的运动规律是外界给定的。,从动件。机构中随着原动件运动的其余活动构件。,机架。机架是机构中视作固定不动的构件，它支撑着其他活动构件。,2020/5/11,27,固定某一构件，并让另一个（或几个）构件按给定运动规律相对于固定构件运动，其余构件能随之作确定相对运动的运动链。,2机构的组成,2020/5/11,28,机架(Fixedlink,Frame)机构中固定的构件。图中蓝色构件。,原动件(Drivinglink)（或主动件）机构中按给定运动规律作独立运动的构件。（活塞、齿轮、凸轮）（图中绿色构件）,2020/5/11,29,从动件(Drivenlink,Follower)机构中随原动件而运动的构件。（连杆、曲轴、齿轮、顶杆。）（图中红色和黄色构件）,可见，机构是由机架、原动件和从动件组成的传递机械运动和力的构件系统。,2020/5/11,30,曲柄滑块机构（Slider-crankmechanism）：由气缸体1（机架）、活塞2（主动件）、连杆3、曲轴4组成，运动特点是：将活塞2的往复直线移动，通过连杆3传递给曲轴4，变成曲轴4的连续转动。,2020/5/11,31,齿轮机构（Gearsmechanism）:由齿轮5、6（主动件）和气缸体1组成，其运动特点是：将曲轴4的连续转动变成凸轮轴7的转动，凸轮轴7的转速大小和方向将不同于曲轴4转速的大小和方向。,2020/5/11,32,凸轮机构（Cammechanism）：由凸轮8（主动件）、顶杆9、气缸体1组成，运动特点是：将凸轮8的连续转动变成顶杆9的按预期规律的往复直线移动。,2020/5/11,33,用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按一定比例确定各运动副的相对位置，以表示机构中各构件间相对运动关系的简化图形。,三、平面机构运动简图(Kinematicsketch),2020/5/11,34,2020/5/11,35,2020/5/11,36,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,2020/5/11,37,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,2020/5/11,38,机构示意图只反映机构组成情况及其运动的传递方式，不要求严格地按比例绘制的运动简图。,例如：单缸四冲程内燃机,单缸四冲程内燃机示意图,2020/5/11,39,例如：牛头刨床,牛头刨床示意图,2020/5/11,40,常用机构示意图符号,2020/5/11,41,绘制机构运动简图的一般步骤为：,分析机构的组成和运动。确定机架、原动件和从动件。,从原动件开始，沿运动传递路线，确定运动副的类型和数目。,选择绘制简图的视图平面；测量各运动副相对位置的实际尺寸。,选择合适的比例尺，按比例定出各运动副的相对位置；用规定符号绘制出构件和运动副；并以箭头表示原动件的运动方向。,常用的比例尺为：,2020/5/11,42,【例1】,绘制卡车翻斗自动卸料机构的运动简图。,自动卸料机构,解：,（1）分析机构的组成和运动原理,组成：,运动原理：利用油压推动活塞杆3撑起翻斗2，使翻斗绕支点B翻转，物料便自动卸下。,车体机架；活塞杆原动件；翻斗和油缸体从动件。,车体1,、翻斗2、,活塞杆3,、油缸体4。,2020/5/11,43,（2）依次确定运动副的类型,活塞杆与油缸体构成移动副D；,（3）选择视图平面，测量确定各运动副相对位置的实际尺寸。,活塞杆与翻斗、翻斗与机架、油缸体与机架分别构成转动副A、B、C。,2020/5/11,44,（4）根据卸料机构的真实尺寸和图幅大小，确定长度比例尺l=amm/mm，并绘制机构运动简图。,箭头表示原动件（活塞杆）的运动方向。,2020/5/11,45,缝纫机.rm,平面机构运动简图的绘制举例2（缝纫机踏板机构）,（）找出各构件和选定视图平面拨动原动件踏板，按运动传递顺序找出从动件连杆与曲柄等活动构件和机架（上图）选取与构件运动平面相平行的平面（下图），作为绘制机构运动简图的视图平面。,原动件踏板,从动件连杆与曲柄（带轮）,机架,（）找出各构件之间的联系运动副由机架的一端开始，按构件连接的顺序，找出机架与踏板、踏板与连杆、连杆与曲柄、曲柄与机架的另一端相连的各个运动副。根据运动副的类别，画上相应的符号，再逐个注上表示运动副的代号，（上图）。,（）用简单线条表示构件将属于同一构件上的各部分，用简单的线条相连，以表示该构件的整体。即将原动件踏板上的，从动件连杆上的，和曲轴（带轮）上的，分别用直线相连，以表示各个构件；属于机架上的，两处，画上表示固定件的斜线；再逐个标注上表示构件的件号，（下图）。,原动件踏板,从动件连杆与曲柄（带轮）,机架,（）测量各运动副间相对位置逐一测量出运动副中心与，与，与和与之间的长度，和。,（）作机构运动简图（下图）将平面转到主视图的平面上来。过机架作参考坐标系；选取长度比例尺。一般根据图纸和实际机构的大小，以能清晰地表示各构件大小和合理布置机构在图纸上的位置来选定长度比例尺，其值为,（为实际长度，为图示长度），并在轴上取线段；,作原动件与轴成角，,以为圆心，（）为半径作弧，以为圆心，（）为半径作弧，两弧交得，点，取点（或点），连线与；按绘制机构示意图的方法画上运动副的符号和连线表示构件，标注上运动副代号和构件号，对原动件要画上表示运动方向的箭头，最后便绘制成机构运动简图。,2020/5/11,55,第一步：分析该机构运动情况和各构件组成以及彼此之间的联接（即A、B、C、D四个转动副），绘制出机构运动示意图如上图。第二步：测量各运动副中心A与B，B与C，C与D，A与D之间的实际长度为：LAB=0.12m，LBC=0.24m，LCD=0.025m，LAD=0.255m。,2020/5/11,56,第三步：绘制机构运动简图：（1）在图纸上先做出坐标系xoy。（2）选取长度比例尺：L=(实际构件长度m）/（图示中构件长度mm）本例中取L=0.005m/mm=5mm/mm。（3）按几何关系作图：在x轴上取线段AD=LAD/L=0.255/0.005=51mm，再做原动件，AB=LAB/L=0.12/0.005=24mm,与ox轴成一任意角。,2020/5/11,57,最后再做从动件，以B为圆心，BC=LBC/L=0.24/0.005=48mm为半径做圆弧，再以D为圆心，CD=LCD/L=0.025/0.005=5mm为半径做圆弧，两圆弧交于C点，联接BC、CD。由此得到该机构运动简图。,2020/5/11,58,O2,D,O3,6,5,4,3,例3：图示颚式碎矿机。当曲轴2绕轴心O1连续回转，动颚板6绕轴心O3往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,1,2020/5/11,59,1、平面机构自由度的计算,每一个自由构件有3个自由度，n个自由构件共有3n个自由度。,四、平面机构具有确定运动的条件（简介）,2020/5/11,60,每一个高副具有一个约束，使机构失去1个自由度。,组成机构之后：,每一个低副具有两个约束，使机构失去2个自由度；,2020/5/11,61,则平面机构自由度F为：,F=3n2PLPH,即：F取决于机构中活动构件数、运动副的类型和个数。,在一个平面机构中：设有n个活动构件，两两相连后组成，PL个低副，PH个高副。,2020/5/11,62,【例1】,计算图示机构的自由度。,解：,n4，PL5(A、B、C、D、E)，PH0,则：F3n2PLPH342502,2020/5/11,63,【例2】,计算图示机构的自由度。,解：,n3，PL4(A、B、C、D)，PH0,则：F3n2PLPH33241,2020/5/11,64,例3：计算曲柄滑块机构的自由度。,n3，PL4(A、B、C、D)，PH0，,则：F3n2PLPH33241,解：,4,4,2020/5/11,65,例4试机算图示航空照相机快门机构的自由度。,2020/5/11,66,解：该机构的构件总数N=6,活动构件数n=5,6个转动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=35-27-0=1由于该机构的自由度大于零,且原动件数目等于机构的自由度数目,所以该机构具有确定运动的条件,2020/5/11,67,例5试计算图示牛头刨床工作机构的自由度,解：该机构的构件总数N=7,活动构件数n=6,5个转动副、3个移动副，1个高副。由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=36-28-1=1,2020/5/11,68,运动链可动性的必要条件：自由度F0,二、运动链的可动性及运动确定性的条件,否则，构件系统没有运动的可能性。例如：,运动链的自由度F=0，该运动链不可动。F=3n-2PL-PH=32-23-0=0,运动链的自由度F=1，该运动链也不可动。F=3n-2PL-PH=33-25-0=-1,桁架,超静定桁架,桁架：,超静定桁架：,2020/5/11,69,综上分析可知，机构的自由度也即是机构具有的独立运动数目。,只有原动件才能独立运动，且通常每个原动件只具有一个独立运动。,因此，机构的原动件数自由度F。,若原动件数小于F，运动链的运动不确定，例如：,五杆运动链：,必须给两个原动件，若只给一个原动件，则运动链作无规则运动而不能成为机构。F=342502,2020/5/11,70,结论：机构具有确定运动的条件是：F0，F等于原动件数。,2020/5/11,71,2、平面机构自由度的计算需要注意的问题,如图所示，构件1与构件2、3组成两个转动副A、B，当A与B之间的距离缩小到零时，转动副A、B的轴线重合，得图（b）所示的复合铰链。图（c）为该复合铰链的侧视图。由三个构件组成的复合铰链将包含两个转动副，既3-1=2。因此，由K个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（K-1）个,（1）复合铰链(Compoundhinges),2020/5/11,72,例6计算如图所示钢板剪切机的自由度。,解由图可知,n=5,PL=7,PH=0(B处为复合铰链,含两个转动副；自行分析C处是否为复合铰链,为什么)，则F3n2PLPH352701由于该机构的自由度大于零,且原动件数目等于机构的自由度数目,所以该机构具有确定运动的条件。,2020/5/11,73,【例7】,计算圆盘锯机构的自由度，并判定其原动件数是否合适。,解：,n=7；A、B、C、D都是复合铰链，各包含两个转动副，故PL10；PH0。,则：F3n2PLPH372101,因该机构中的构件1为原动件，故原动件数等于自由度，合适。,2020/5/11,74,（2）局部自由度(Passivedegreeoffreedom),机构中与输出构件运动无关的自由度。,例如：凸轮机构,n3，PL3(A、B、C)，PH1(a),则：F3n2PLPH332312,即：该凸轮机构应有两个原动件才有确定运动，但事实上只需凸轮一个原动件。,2020/5/11,75,原因：滚子2绕其中心的独立转动是局部自由度。,即无论滚子2绕转动副C中心是否转动或转动快慢都不影响输出构件3的运动。,处理方法：在计算平面机构自由度时应预先排除局部自由度。,2020/5/11,76,设想：将滚子与从动件3焊接成一个构件。,结果：n2，PL2(A、B)，PH1(a)。,则：F3n2PLPH322211,计算结果与实际一致。即当凸轮为原动件时，机构的运动确定。,局部自由度虽不影响整个机构的运动，但滚子可使高副接触处的滑动摩擦变为滚动摩擦，以减小磨损。,因此在实际机械中常有局部自由度出现。,2020/5/11,77,（3）虚约束(Redundantconstraint,Passiveconstraint),处理方法：在计算机构的自由度时应当除去虚约束。,对机构的运动不起独立限制作用的约束（即与其它约束的作用重复）。,虚约束对机构的运动虽不起作用，但可增加机构的刚度、改善受力情况、保持传动的可靠性等。,因此，在机构中引入虚约束是工程实际中经常采用的主动措施。,2020/5/11,78,常见虚约束的引入情况,2020/5/11,79,常见虚约束的引入情况（续表）,2020/5/11,80,2020/5/11,81,可见，机构中的虚约束都是在一些特定几何条件下出现的，这些几何条件给制造和装配提出了必要的精度要求。,若这些几何条件不能满足，则引入的虚约束就成了真约束，“机构”将不能运动。,2020/5/11,82,例8：计算图示大筛机构的自由度。,n7，PL9，PH1,则：F3n2PLPH372912,解：,共有7个构件，C处为复合铰链，E处为虚约束，还有1个局部自由度。,2020/5/11,84,例10如图所示a为某一机构的设计方案,试判断设计是否合理,如不合理，提出改进方案。,2020/5/11,85,【例11】,试计算冲压机构的自由度，并判断原动件数目是否恰当。,解：,共有10个构件，从小齿轮开始编号其中构件10为机架；,低副和高副分别用大、小写英文字母排序。,除去滚子处局部自由度：设想滚子与摆杆3焊接成一个构件。,特殊情况处理：,除去推料杆5与机架的重复移动副（虚约束）。,构件6、7及8之间是复合铰链，包含2个转动副。,冲压机构,2020/5/11,86,合计有12个低副、2个高副。,则：F3n2PLPH3921221,弧线箭头表明：小齿轮是原动件。,即原动构件数与机构自由度相等，故原动件数恰当。,冲压机构,2020/5/11,87,作业：P19,1-6b,c,e,j,2020/5/11,88,单元一结束,2020/5/11,89,目的任务：,1、了解平面四杆机构的基本类型，掌握其演化方法；2、掌握平面四杆机构的基本特征；3、掌握平面四杆机构的图解法设计；,单元二平面连杆机构及其设计,重点难点：曲柄存在条件,2020/5/11,90,平面连杆机构(PlanarLinkages)是常用的低副（转动副和移动副）机构，其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本单元着重讨论四杆机构的基本类型、性质及应用。,2020/5/11,91,第一节平面连杆机构概述（链接）,连杆机构的一些应用举例鼓风器.rm，座椅中的连杆机构.rm，自动雨伞中的移动副.rm，连杆机构在飞机起落架中的应用.rm，,鼓风器,座椅中的连杆机构,自动雨伞中的移动副,连杆机构在飞机起落架中的应用,2020/5/11,96,平面连杆机构被广泛地使用，例如：,内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、自行车手闸机构等等。,平面连杆机构若干构件通过低副（转动副或移动副）联接所组成的平面机构。,连杆机构的优点：,两构件的接触面为平面或回转面，易于制造和获得较高的精度。,连杆机构的两构件间均为面接触，故承载能力强、耐磨损；,2020/5/11,97,一般只能近似地实现给定运动要求。,平面连杆机构有四杆、五杆或多杆机构。,当构件数目较多时，会引起较大的累积运动误差，影响运动精度。,低副内存在间隙，会导致运动误差；,连杆机构的不足：,多杆机构常可看成是由几个四杆机构组成。所以，平面四杆机构不但结构最简单、应用最广泛，而且是连杆机构的基础。,本章主要介绍平面四杆机构。,2020/5/11,98,一、铰链四杆机构及其演化,1铰链四杆机构的基本型式,机架,连杆,第二节铰链四杆机构的类型及应用,由四个构件通过低副(转动副或移动副)连接而成的平面连杆机构称为平面四杆机构。所有低副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构,它是平面四杆机构中最基本的形式,其他形式的四杆机构都是在它的基础上演化而成的。连杆机构中的构件称为杆。,如图所示为铰链四杆机构(Revolutefour-barmechanism),其中固定件4为机架(Fixedlink，Frame),与机架用转动副相连的杆件1、3称为连架杆(Sidelink),不与机架直接连接的杆件2称为连杆(Coupler)。,4,2020/5/11,100,曲柄(Crank)能作整周回转的连架杆。,摇杆(Rocker)只能在一定角度范围内摆动的连架杆。,曲柄,摇杆,2020/5/11,101,（1）曲柄摇杆机构(Crank-rockermechanism),两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构。,根据连架杆运动形式的不同,铰链四杆机构分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。,若在铰链四杆机构的两个连架杆中,一个为曲柄,另一个为摇杆,则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。其运动特点是有两种:,曲柄摇杆机构,2020/5/11,102,曲柄主动,实现雷达天线（摇杆）的俯仰运动,当曲柄为原动件时，曲柄的匀速转动摇杆的变速摆动。,2020/5/11,103,缝纫机踏板机构,驱动大带轮（曲柄）的转动。,当摇杆为原动件时，摇杆的往复摆动曲柄的整周转动。,曲柄摇杆机构应用,刨床,曲柄摇杆机构应用,缝纫机,曲柄摇杆机构应用,2020/5/11,107,（2）双曲柄机构(Double-crankmechanism),两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。,功用：原动曲柄的等速转动从动曲柄的变速或等速转动。,双曲柄机构,2020/5/11,108,平行四边形机构两连架杆平行且相等的双曲柄机构。,平行四边形机构的运动特性：,AB=CD,BC=AD,两曲柄等速同向转动。,2020/5/11,109,摄影平台,天平,摄影车坐斗升降机构,连杆始终与机架平行（平动）。,平行四边形机构的运动特性：,双曲柄机构应用,火车车轮联动机构,双曲柄机构应用,惯性筛机构,2020/5/11,112,（3）双摇杆机构(Double-rockermechanism),两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。,实例：造型机的翻转机构,功用：原动摇杆的摆动从动摇杆的摆动。一般情况下两摇杆的摆角不相等。,利用其连杆可在平面内作360转动的运动特点，实现砂箱震实和起模相对翻转180的两个位置。,双摇杆机构应用,啤酒灌装线1,双摇杆机构应用,平板印刷机1,2020/5/11,115,双摇杆机构应用：鹤式起重机,对铰链四杆机构小结（链接）,2020/5/11,116,第三节平面四杆机构的基本特性,曲柄存在的重要性：,铰链四杆机构的连架杆是否为曲柄是区别其三种基本型式的关键。,1曲柄存在的条件,曲柄是能作整圈旋转的连架杆，只有这种能作整圈旋转的构件才能用电动机等连续转动的装置来带动，所以，能作整圈旋转的构件在机构中具有重要的地位，即曲柄是机构中的关键构件。铰链四杆机构中是否能有作整圈旋转的构件，取决于各构件长度之间的关系，这就是所谓的曲柄存在条件。,2020/5/11,117,设：a、b、c、d分别为各杆长度；AB杆为曲柄分析：,曲柄AB整周转动必通过AB1、AB2两位置，即与机架两次共线位置。因此，曲柄AB与其相邻的两构件BC、AD间均可相对整周转动。,曲柄与机架拉直或重叠共线时，有B1C1D和B2C2D。三角形两边和大于或等于第三边。,在什么条件下存在曲柄？,例：曲柄摇杆机构,2020/5/11,118,B2,a+db+c,在B1C1D中：,a+bc+d（d-a+cb）,化简以上三式得：,abacad,在B2C2D中：,a+cb+d（d-a+bc）,2020/5/11,119,实际上，只要条件满足，最短杆就可相对于相邻两杆整周转动。,可见，在曲柄摇杆机构中，曲柄存在的必要条件是：,曲柄是最短杆；,最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。,注意：在运用上述结论判断铰链四杆机构的类型时，要注意四杆构件组成封闭多边形的条件，即最长杆的杆长应小于其它三杆长度之和。,2020/5/11,120,若取与最短杆相邻的任一构件为机架曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,若取最短杆为机架双曲柄机构,若取最短杆对边构件为机架双摇杆机构,2020/5/11,121,当条件不满足时(即最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和），则四个构件均相对摆动，即不可能存在曲柄。无论取哪个构件为机架双摇杆机构,总结曲柄存在条件（链接1，链接2）,AD杆为最短杆(0AD20),例1已知铰链四杆机构ABCD，其中AB20mm，BC50mm，CD40mm,AD为机架。改变AD杆长，分析机构的类型变化。,机构有整转副的条件：AD502040,0AD30mm,最短杆,最长杆,整转副,整转副,曲柄摇杆机构,2020/5/11,AD杆为最长杆(50AD110),机构有整转副的条件：AD204050,最长杆,最短杆,50AD70mm,整转副,整转副,曲柄摇杆机构,当10AD30和70AD110时，由于不满足杆长条件，机构无整转副，为双摇杆机构。,2020/5/11,图和图是以最短杆为连架杆，所以为曲柄摇杆机构,图以最短杆为机架，为双曲柄机构；图以最短杆为连杆，为双摇杆机构。,2020/5/11,126,作等速转动的主动件（曲柄）（注意：这是曲柄摇杆或曲柄滑块机构具有急回特性的前提），使从动件作往复摆动（或移动）时，从动件工作行程速度较慢、回程速度较快的性质。,2急回特性,现象链接,2020/5/11,127,牛头刨床刨削工件时速度较慢，而退刀时速度较快，以缩短非生产时间，减小原动机功率，提高生产率。,急回特性的应用,牛头刨床的急回特性,急回特性的应用,插齿加工过程,急回特性的应用,键槽插床的急回特性,急回特性的方向性,2020/5/11,132,当柄AB以角速度顺时针转动时，摇杆DC在两极限位置DC1、DC2间往复摆动。,例：曲柄摇杆机构,以曲柄AB为主动件，摇杆DC为从动件。,摆角为摇杆两极限位置DC1和DC2间的夹角。,摇杆在两极限位置时，曲柄与连杆处于B1AC1（重叠）共线位置和AB2C2（拉直）共线位置。,极位夹角曲柄在重叠共线位置AB1和拉直共线位置AB2之间所夹的锐角。,2020/5/11,133,摇杆工作行程平均角速度w为,工作行程：,曲柄从AB1转到AB2，转角1=180+；摇杆从DC1摆到DC2，摆角为，所需时间为tw。,回程：,曲柄从AB2转到AB1，转角2=180-；摇杆从DC2摆到DC1，摆角为，所需时间为tR。,摇杆回程平均角速度R为,可见，Rw，表明摇杆具有急回特性。,2020/5/11,134,曲柄摇杆机构的行程速比系数K为,用行程速度变化系数(Advance-toreturn-timeratio)（或称行程速比系数）K衡量急回程度，即：,若极位夹角0时，有急回特性。越大，K值就越大，机构的急回特性就越显著。,若极位夹角0，K1，此时R=w，机构无急回特性。,2020/5/11,135,180,180-,偏置曲柄滑块机构：,极位夹角0，,有急回特性。,注意若没有偏置则无急回特性。,2020/5/11,136,摆动导杆机构：,180,180-,有急回特性，且。,为获得有急回特性的平面四杆机构时，通常根据工作要求预先选定K值，再求出值，即,2020/5/11,137,3压力角与传动角,例：曲柄摇杆机构,受力分析：,若不考虑运动副的摩擦力、构件的重力、惯性力的影响，且连杆2上不受其它外力（为二力杆），则曲柄1经过连杆2传递到摇杆3上C点的力F将沿连杆BC方向。,以曲柄AB为主动构件，摇杆DC为输出构件。,连杆2,曲柄1,摇杆3,2020/5/11,138,力F分解为：,法向力Fn沿摇杆CD方向的有害分力。只能使C、D两处运动副产生径向压力，引起阻碍运动的摩擦力。,切向力Ft沿C点速度c方向。是推动摇杆CD运动的有效分力。（从对CD摇杆转动角度看有益）,有效分力的大小为：,FtFcos=Fsin,式中：压力角作用力F的方向与摇杆受力点C处速度c方向所夹的锐角。,2020/5/11,139,压力角定义在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受力点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压力角。,2020/5/11,140,力F分解为：,法向力Fn沿摇杆CD方向的有害分力。只能使C、D两处运动副产生径向压力，引起阻碍运动的摩擦力。,切向力Ft沿C点速度c方向。是推动摇杆CD运动的有效分力。,有效分力的大小为：,FtFcos=Fsin,传动角连杆2与摇杆3所夹锐角。是压力角的余角，即=90-。,2020/5/11,141,若F不变，值愈小，Ft愈大，机构传力性越好，故的大小可判定机构传力性能的优劣。,对应于曲柄的不同位置，压力角是变化的，其中有一个最大压力角max。为了保证机构传力性能良好，应使：,压力角许用值。,max,2020/5/11,142,连杆与从动件之间所夹内角。可直接量得任一位置的值。,可见，也随曲柄的位置变化，其值愈接近90，机构传力性能愈好。,当90时，。,常用传动角的大小直接判定机构传动性能的优劣。,当90时，180-。,2020/5/11,143,对于仪表这类只传递运动或受力较小的机构，才允许传动角小些。,可以证明，曲柄摇杆机构的min出现在曲柄与机架两次共线位置AB、AB之一。,为保证机构具有良好的传力性能，应限制最小传动角min的值：,重载：min50,通常：min40,2020/5/11,144,Ft,F,Fn,曲柄滑块机构,链接,滑块（相当于摇杆）,2020/5/11,F,F,Ft,Fn,min,当=90,Ft,F,Fn,a,b,e,因为：,所以：当=90时，为最小值（即上式cos为最大值。）,2020/5/11,146,曲柄摆动导杆机构,A,B,C,曲柄（主动件）,导杆（相当于摇杆）,滑块（相当于连杆，和曲柄铰链联接，和导杆移动副联接）,F=Ft,2020/5/11,147,4死点(Deadpoint),机构在运动中出现=0的位置。,例：曲柄摇杆机构,以摇杆CD为输入件，曲柄AB为输出件。（出现死点的前提）,特点：在死点位置，无论在原动件上施加多大的力都不能使机构运动。,不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置。,V,Fn,当摇杆处在极限位置C1D时，连杆与曲柄重叠共线，出现=0；摇杆通过连杆作用于曲柄上的力通过其回转中心A。这时连杆作用于从动曲柄的力通过曲柄的传动中心A,此力对A点不产生力矩,因此,无论连杆BC对曲柄AB的作用力有多大,都不能使曲柄转动。,2020/5/11,149,=0；（因为是作用力F和曲柄AB的夹角，所以有效分力的大小为：FtFcos=Fsin=0,因此，无论施加多大的力F也不能推动从动件曲柄回转。,V,Fn,2020/5/11,150,当摇杆处在极限位置C2D时，连杆与曲柄拉直共线，出现=0。摇杆通过连杆作用于曲柄上的力F通过其回转中心A。,因此，无论施加多大的力P也不能推动从动件曲柄回转。,当机构通过死点位置时，从动件可能卡死（不能运动），也可能出现运动不确定现象。,FtFcos=Fsin=0,2020/5/11,151,利用飞轮的惯性力。,在工程上，使机构顺利通过死点而正常运转的措施有（即克服死点不利的现象）：,内燃机,缝纫机,实例：内燃机曲柄上安装飞轮。,缝纫机脚踏驱动机构中的带轮兼有飞轮的作用。,缝纫机中死点的克服.rm,2020/5/11,152,利用机构的组合错开死点位置。,实例：机车车轮的联动装置,在工程上，使机构顺利通过死点而正常运转的措施有：,在工程上，有时也利用死点位置的特性来实现某些工作要求。如图所示为一种钻床连杆式快速夹具。当通过手柄（即连杆）施加外力；使连杆与连架杆成一直线，这时构件连架杆的左端夹紧工件，撤去手柄上的外力后，因机构处于死点位置而不能使其转动，从而保证了工件的可靠夹紧。当需要松开工件时，则必须向上扳动手柄，使机构脱出死点位置。,2020/5/11,154,飞机起落架中的死点应用,公车车门中的死点克服,弯边机中死点的应用,2020/5/11,157,第四节铰链四杆机构的演化,在生产实际中，除了上述三种类型的铰链四杆机构外，还广泛地采用其他形式的四杆机构，一般是通过改变铰链四杆机构某些构件的形状、相对长度或选择不同构件作为机架等方式演化而成。曲柄滑块机构曲柄滑块机构由曲柄、连杆、滑块和机架组成（下图）。它的结构简单，应用广泛。根据滑块的导路中心线是否通过曲柄回转中心，曲柄滑块机构又分为对心曲柄滑块机构（图）和偏置曲柄滑块机构（）。,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,e=0,2020/5/11,159,e=0,a.偏置曲柄滑块机构：,滑块导路中心线偏离曲柄的固定转动中心，即e0。,b.对心曲柄滑块机构：,滑块导路中心线通过曲柄的固定转动中心，即e=0。,运动链接,曲柄滑块机构分类：,曲柄滑块机构应用：,活塞式内然机、空气压缩机和冲床等。,2020/5/11,161,（2）扩大转动副,偏心轮机构的应用：,例如：曲柄摇杆机构,扩大转动副：加大转动副B的半径，使其超过曲柄的长度。,演化结果：曲柄偏心圆盘（偏心轮）,偏心轮的几何中心B与其转动中心A不相重合。,例如：冲床、剪床及颚式破碎机等。,多用于曲柄承受较大冲击载荷，或曲柄长度较短的机器中。,2020/5/11,162,（3）取不同构件为机架,理论依据：在同一低副机构中，不论取哪一个构件为机架，机构中各构件间的相对运动不变。,演化方式：在同一低副机构中，选取不同构件作机架，可得不同型式的机构。,倒置取不同构件为机架得到不同机构的演化方式。,2020/5/11,163,其它常用四杆机构的倒置：,应用实例,含有一个移动副的四杆机构,以构件1为机架（即以曲柄滑块机构中的曲柄为机架）,转动导杆机构,六缸回转式油泵,链接转动导杆机构.exe,2020/5/11,164,其它常用四杆机构的倒置：,应用实例,含有一个移动副的四杆机构,以构件2为机架,摇块机构,自动卸料卡车,以构件2为机架,2020/5/11,165,其它常用四杆机构的倒置：,应用实例,含有一个移动副的四杆机构,以构件3为机架,手动唧筒,定块机构,以构件3为机架,2020/5/11,166,应用实例,含有两个移动副的四杆机构,以构件4为机架,双滑块机构,椭圆仪,其它常用四杆机构的倒置：,2020/5/11,167,应用实例,含有两个移动副的四杆机构,以构件1为机架,其它常用四杆机构的倒置：,移动导杆机构,缝纫机下针机构,2020/5/11,168,应用实例,含有两个移动副的四杆机构,以构件2为机架,其它常用四杆机构的倒置：,十字滑块联轴器,双转块机构,2020/5/11,169,应用实例,含有两个移动副的四杆机构,以构件3为机架,其它常用四杆机构的倒置：,移动导杆机构,压缩机,小结,2020/5/11,170,第五节、机构参数图解法(Graphicalmethod)实例（不讲）,【例1】曲柄为主动时，行程速比系数K=1.4，偏距e=12mm；被推送的工件的长度l=25mm，滑块的行程H应比工件长度略大些，以保证料斗上的工件能顺利下落。试确定曲柄和连杆的尺寸。,解：对于有急回运动的四杆机构，通常由行程速比系数K求得极位夹角，并利用机构在极限位置的几何关系，再结合其它辅助条件来解题。,2020/5/11,171,（1）计算极位夹角,（2）选取比例尺、作辅助圆,作出滑块的行程线段C1C2=H=30mm（取H略大于l）；,取比例尺l=1mm/mm。作图：,作C1C2O=C2C1O=90=60，直线C1O和C2O交于O；,2020/5/11,172,作辅助圆：O为圆心、C1O（或C2O）为半径。则圆心角C1OC2=2=（1800-2（900-）,（2）选取比例尺、作辅助圆,作图：,作直线EFC1C2，且间距为e=12mm，交辅助圆于点A（有两个交点，仅取一个）。,点A曲柄的转动中心。,（3）确定曲柄的转动中心A,2020/5/11,173,连接AC1和AC2，此时必有C1AC2=30（为圆心角C1OC2的一半）（圆周角与圆心角的关系）。,AC1、AC2曲柄与连杆重叠、拉直共线位置。,（3）确定曲柄的转动中心A,量得：AC1=15mm；AC2=40mm,2020/5/11,174,由曲柄滑块机构在极限位置的几何关系可得：,（4）计算曲柄和连杆的长度lAB、lBC,lBC+lAB=lAC2,lBClAB=lAC1,解得：,曲柄长,连杆长,2020/5/11,175,【例2】,铸造车间振实造型机工作台的翻转机构。当翻台8在振实台上振实造型时，处于图示位置，此时连杆处于B1C1实线位置；而需要起模时，要求翻台8能转过180到达图示托台上方位置，以便托台10上升接触砂箱起模，此时连杆处于B2C2虚线位置。若已知连杆BC的长度lBC=0.5m及两位置B1C1和B2C2，并要求固定铰链中心A、D在同一水平线上，机座AD的长度lAD=lBC。试确定摇杆AB、CD的长度lAB、lCD。,2020/5/11,176,解：取比例尺l=0.1m/mm，则,作图：,在给定位置作B1C1和B2C2；,连接B1B2，作B1B2的中垂线b12。铰链中心A必定位于中垂线b12上；,连接C1C2，作C1C2的中垂线c12。铰链中心D必定位于中垂线c12上。,2020/5/11,177,连接AB1C1D得图示的翻转机构。可量得：,AB1=25mm；C1D=27mm,两摇杆长度分别为：,lAB=lAB1=0.125=2.5m,lCD=lC1D=0.127=2.7m,作水平线AD，与中垂线b12的交点为A；与中垂线c12的交点为D。且AD=BC=5mm。,2020/5/11,178,选择填空题1、铰链四杆机构是按照的不同形式分为三种基本类型的。A.摇杆B.连架杆C.连杆2、缝纫机的脚踏板机构是以为主动件的曲柄摇杆机构。A.曲柄B.连杆C.摇杆3、机车车轮机构是铰链四杆机构基本类型中的机构。A.曲柄摇杆B.双曲柄C.双摇杆4、铰链四杆机构中，当满足条件时，机构才有可能有曲柄。A.最短杆+最长杆其余两杆之和B.最短杆+最长杆其余两杆之和C.最短杆+最长杆其余两杆之和5、一对心曲柄滑块机构，若以连杆为机架时，则将演化成机构。A.转动导杆B.曲柄摇块C.曲柄移动导杆,答案：1、B，2、C，3、B，4、A，5、B导杆滑块.exe,2020/5/11,179,6、一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架时，机构将演化成机构。A.曲柄移动导杆B.定快机构C.摆动导杆7、一对心曲柄滑块机构，若以曲柄为机架时，机构将演化成机构。A.曲柄转动导杆B.曲柄移动导杆C.摆动导杆8、铰链四杆机构具有急回特性的条件是。A.0B.=0C.K=19、在条件下，曲柄滑块机构具有急回特性。A.偏距e0B.偏距e=010、在曲柄摇杆机构中，以为机架时，机构为双摇杆机构。A.最短杆B.最短杆相对杆C.最短杆相邻杆,答案：6、B，7、A，8、A，9、A，10、B,2020/5/11,180,11、在曲柄摇杆机构中，当以为主动件时，机构会有死点位置出现。A.曲柄B.摇杆C.连杆12、在曲柄滑块机构中，当处于共线位置时，出现最小传动角。A.曲柄与连杆B.曲柄与机架C.摇杆与机架13、当平面连杆机构在死点位置时，其压力角和传动角分别为。A.90、0B.0、90C.90、9014、摆动导杆机构中，当曲柄为主动件时，其导杆的传动角始终为。A.90B.0C.45,答案：11、B，12、B，13、A，14、A,2020/5/11,181,设计计算题：试画出下图中所示机构的传动角和压力角，并判断哪些机构在图示位置正处于死点位置。,F,F,图示b、c位置正处于死点位置,F,2020/5/11,182,单元二结束,2020/5/11,183,一、凸轮机构的基本类型及其应用,二、从动件的常用运动规律,四、凸轮机构基本尺寸的确定,三、图解法绘制凸轮轮廓,五、凸轮机构的材料与结构,单元三凸轮机构的组成与设计,2020/5/11,一、凸轮机构的基本类型及其应用,1.凸轮机构的组成和应用,凸轮具有曲线轮廓或沟槽的构件。传动时，凸轮用轮廓或沟槽驱动从动件运动。,内燃机配气凸轮机构,自动机床进刀凸轮机构,2020/5/11,冲床凸轮机构,绕线机凸轮机构