铰链机构和滑块机构（课堂PPT）

第2篇常用机构,机构是由两个以上构件以机架为基础，由运动副以一定方式联接而成的，并具有确定相对运动的构件系统。本篇叙述连杆机构、凸轮机构、轮系和间歇运动机构等常用机构，及其组合机构的类型、工作原理、运动特性、应用特点和运动设计等有关问题。,1,第4章平面连杆机构,平面连杆机构是由平面低副（转动副和移动副）联接而成的机构。由于低副机构是面接触，压强低，磨损小，构成运动副的圆柱面或平面制造方便，容易获得较高的精度。它们常用来实现转动、摆动或移动等运动形式之间的相互转换和动力传递，在实际中应用极为广泛。但是，这种机构运动副磨损后的间隙不能自动补偿，容易累积运动误差。另外，它们也不能用于准确地实现复杂的运动。,2,由低副所联接的两个构件之间的相对运动关系，不会因为哪个构件是否固定而改变，这一特性称为低副运动可逆性。机构运动分析的任务是，根据原动件已知运动规律，确定其它构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度等运动参数。在连杆机构的原动件运动规律保持不变的情况下，通过改变各个构件之间的相对长度，就可以使连杆上点的轨迹曲线或从动件实现不同的运动规律要求。机构运动设计的任务是，根据机构给定的构件尺寸参数和运动规律，确定未知构件的运动尺寸。,3,教学目标：1.知识目标掌握运动副分类、结构和相对运动特点。熟悉基本平面四杆机构的类型。掌握平面四杆机构中曲柄存在的几何条件和机架条件。熟悉平面连杆机构型式的演化途径。掌握平面连杆机构的基本特性。熟悉平面连杆机构运动设计的图解法。了解平面连杆机构运动分析和设计解析法的基本知识。了解多杆机构的应用实例。,4,2.能力目标具有判别平面四杆机构基本类型的能力。能通过运动副变换和机架变换实现连杆机构型式演化。能够分析和应用平面连杆机构的基本特性。具有图解设计平面连杆机构的能力。具有应用平面连杆机构设计解析法的初步能力。,5,4.1平面连杆机构的类型和应用,平面连杆机构中最基本的是由四个构件组成的四杆机构。四杆机构分为铰链四杆机构（机构的运动副都是转动副铰链）和滑块四杆机构（机构含有1个或2个移动副）。在转动副中，根据两个构件之间的相对运动关系，将它分为周转副（一个构件相对于另一个构件能做整周转动）和摆转副（一个构件相对于另一个构件只能做小于360摆动）根据两个构件中是否有一个构件与机架固定联接的情况，将它分为固定铰链（一个构件与机架固定联接）和活动铰链（两个构件都是活动的）。,6,在四杆机构中，固定不动的构件称为机架；两端都是以活动铰链与其它构件联接的是连杆，它在机构运动时作平面复杂运动；有一端是以固定铰链与机架联接的是连架杆。如果连架杆与机架联接的固定铰链是周转副，则该连架杆称为曲柄，如果连架杆与机架联接的固定铰链是摆转副，则该连架杆称为摇杆，如图4-1所示。,7,曲柄的常见结构形式如图4-2所示。在组成移动副的两个构件中，习惯上将长度较短的构件称为滑块，将较长的构件称为导杆或导槽，如图4-3所示。,8,4.1.1铰链四杆机构,铰链四杆机构有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构等三种基本型式。1.曲柄摇杆机构（两个连架杆：曲柄、摇杆）,9,2.双曲柄机构（两个连架杆都是曲柄）,10,3.双摇杆机构（两个连架杆都是摇杆）,11,讨论：构件具有两个周转副的条件和铰链四杆机构类型的判别构件具有两个周转副的条件：在铰链四杆机构中，机构有无周转副及其配置状态（周转副是否固定铰链），决定了机构的类型。在图4-7所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄转动一周的过程中，曲柄必定与连杆有两个共线的位置。根据三角形两边之和大于第三边的几何定理，经过整理得到以下不等式。,12,杆长之和条件：曲柄是最短杆；并且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。,13,铰链四杆机构类型的判别：由于曲柄实际上就是以周转副与机架联接的连架杆。因此，在判定一个铰链四杆机构的类型时：如果机构满足杆长之和条件，则在最短杆上有两个周转副。其次，判定周转副是否配置为固定铰链（这与机架的选取有关）。如果有一个周转副是固定铰链时，机构有一个曲柄，是曲柄摇杆机构；如果有两个周转副是固定铰链时，机构有两个曲柄，是双曲柄机构；如果没有周转副是固定铰链时，机构没有曲柄，是双摇杆机构。当机构不满足杆长之和条件时，机构没有周转副。这时不论选取哪一构件作为机架，都是双摇杆机构。,14,能力训练案例4-1:如图4-8所示的铰链四杆系统中，各杆长度为：a=50、b=100、d=150。试问：CD杆长度c取什么值时，以及如何选取机架，可分别获得曲柄摇杆机构、双曲柄机构或双摇杆机构?,15,解：机构存在周转副时，应满足杆长之和条件。现分三种情况来讨论：设为AB最短杆，AD为最长杆，则有即设CD为最长杆，则有即设CD为最短杆，则有即因此，CD杆不可能为最短杆。,16,综上分析，可知：当CD杆的长度为，铰链四杆机构满足杆长之和条件，最短杆AB其上的铰链A、B为周转副。当取AD杆或BC杆作机架时，周转副A或周转副B是固定铰链，则获得曲柄摇杆机构；取AB杆作机架时，周转副A与B都是固定铰链，则获得双曲柄机构；取CD杆为机架时（摆转副C和D是固定铰链），周转副A与B都是活动铰链，则获得双摇杆机构。当杆长度范围为或时，不满足杆长之和条件，机构没有周转副，因而不存在曲柄。所以，取任何一杆为机架，都只能获得双摇杆机构。,17,4.1.2滑块四杆机构,滑块四杆机构的运动副中包括移动副和转动副。根据其中移动副的数目，分为单滑块四杆机构和双滑块四杆机构两类(图4-9)。,18,1单滑块四杆机构的构件具有两个周转副的条件在图4-10（a）所示的单滑块四杆运动链中，如果构件1是最短杆，那么它与相邻构件间作整周转动的几何条件是如果构件2是最短杆，那么它与相邻构件间作整周转动的几何条件是单滑块四杆机构的最短杆上有两个周转副。,19,根据对机架的选取不同：如果最短杆上有一个周转副是固定铰链时，机构就有一个曲柄，是曲柄滑块机构、摇块机构或摆动导杆机构；如果有两个周转副是固定铰链时，机构就有两个构件可以绕机架作整周转动，是转动导杆机构；如果没有周转副是固定铰链时，机构没有绕机架作整周转动的构件，是移动导杆机构（也称为定块机构）。,20,2.曲柄滑块机构、曲柄摇块机构和摆动导杆机构曲柄滑块机构：当曲柄较短时，常将它制成偏心轮的形式。将曲柄上转动副的半径扩大到超过曲柄的长度时，曲柄就演化成偏心轮（其转动中心与几何中心不重合）。因此，偏心轮可简化为长度等于其转动中心到几何中心距离的两转动副构件。,21,曲柄摇块机构：对心曲柄滑块机构中，构件长度，如果取构件2作为机架，则周转副是固定铰链，得到曲柄摇块机构。,22,摆动导杆机构：在图4-10（b）的对心曲柄滑块机构中，假设构件长度，则最短杆2上有两个周转副与。如果选取构件1作为机架，则周转副是固定铰链，得到摆动导杆机构。,23,3.转动导杆机构和移动导杆机构（定块机构）转动导杆机构：在图4-10（b）的对心曲柄滑块机构中，构件长度，则最短杆1上有两个周转副A与B。如果选取构件1作为机架，则两个周转副A与B都是固定铰链，连架杆2和4可以绕机架1作整周转动，这是转动导杆机构。,24,移动导杆机构（定块机构）：在图4-10（b）的对心曲柄滑块机构中，如果取构件3（滑块）作为机架，得到移动导杆机构（定块机构）。,25,4.1.3运动副变换,在铰链四杆机构的基础上，可以通过运动副变换，演化出多种多样的平面连杆机构型式。如图4-14所示，如果铰链四杆机构中的转动副变换成移动副（即用滑块代替摇杆3，图4-14（b），并且将摇杆的长度无限增大（即铰链移到无穷远处），则得到如图4-14（c）所示的单滑块四杆机构（曲柄滑块机构）。,26,27,从表4-1可以归纳如下：曲柄摇杆机构通过机架变换，获得双曲柄机构或双摇杆机构（表4-1第列机构简图）；也可以通过转动副变成移动副，获得曲柄滑块机构。曲柄滑块机构通过机架变换，获得转动导杆机构、摆动导杆机构、摇块机构和移动导杆机构（表4-1第列机构简图），其中转动导杆机构和摆动导杆机构是由机架是否最短杆来决定的。曲柄滑块机构通过也可以通过转动副变成移动副，获得双滑块机构（表4-1第列机构简图）。曲柄滑块机构还可以通过扩大转动副，获得偏心轮机构（图4-11）。,28,能力训练案例4-2：试分析图4-16(a)所示的单滑块机构四杆机构的类型。,29,解：机构中原动件2是偏心轮，它与机架1构成中心在的转动副（固定铰链），与从动件3构成中心在的转动副（活动铰链）。构件4与机架1构成中心在的转动副（固定铰链）。构件3与4构成移动副，其导路过点并绕其摆动。若将构件3表示成导杆，将构件4表示成滑块，则得到曲柄摇块机构，如图4-16(b)所示。若将构件3表示成滑块，将构件4表示成导杆，则得到摆动导杆机构，如图4-16(c)所示。,30,思考和实训习题4-14:在某铰链四杆机构中，已知两连架杆的长度a=80、c=120、连杆长度b=150，试讨论：当机架长度d是什么范围时，可以获得曲柄摇杆机构、双曲柄机构或双摇杆机构。,提示：d是最长