常用机构设计

第3章常用机构,平面机构：各构件的相对运动平面互相平行（常用的机构大多数为平面机构）。,空间机构：至少有两个构件能在三维空间中相对运动。,机构：传递运动、动力或改变运动形式、轨迹等。,1、运动副的概念,画机构的运动简图；,2、计算机构的自由度和机构具有确定运动的条件；,本章学习要点：,3、能判别四杆机构的类型和运动特性分析；,4、能设计简单四杆机构；,5、能分析凸轮机构的运动特性；,机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。是由零件装配而成。零件：是机器中不可拆卸的制造单元。构件：一个零件，或是若干个零件的组合体。机构：用运动副将若干个构件连接起来以传递运动和力的系统。运动副：构件与构件直接接触所形成的可动联接。,复习：,3-1机构的结构分析,3.1.1平面机构的组成,可动联接：既保持直接接触，又能产生一定的相对运动。,从运动的角度看：由构件用运动副组成的可动联接,1.机构的组成,运动视图,高副：点、线接触,3.运动副：,2）接触元素：点、线、面,1）定义：构件间直接接触所组成的可动联接,3）类型,低副：面接触,(1)低副：,转动副(铰链):两构件间只能作相对转动；,移动副:两构件间只能作相对移动；,运动视图,运动视图,高副：施加1个约束，还剩2个自由度。,（2）高副：,凸轮副,齿轮副,总结：约束1个相对转动而保留2个独立移动的运动副不可能存在，故没有其他运动副形式。,运动视图,运动视图,（3）空间运动副：,分析以下运动副的类型,（1）机架:1个,（3）从动件:要有确定的运动规律，由主动件运动规律、运动副类型、机构的运动尺寸确定。,（2）主动件:一个或数个,输入独立的确定运动规律,机构的组成,3.1.2平面机构运动简图,1.定义：用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。,2.绘制：,1）运动副的符号,（1）转动副：,（2）移动副：,（3）齿轮副：,（4）凸轮副：,2）构件的符号,3）机构运动简图的绘制,（1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；,（2）确定所有运动副的类型和数目；,（3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；,（4）确定比例尺；,（5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画),用“1、2、3”标明不同的构件；用“A、B、C”标明不同的转动副；用箭头表明原动件和转向；用多条斜短线标明机架。,4）机构运动简图的绘制要求,例1:试绘制如图所示偏心轮机构的运动简图,例2:画出图示柱塞油泵机构的运动简图,注意：绘制机构运动简图时，原动件位置不同，所绘运动简图的图形也不同。若原动件位置选择不当，构件可能互相重叠或交叉，使图形不易辨认。可见，要清晰表达各构件的相互关系，应当选择恰当的原动件位置来绘图。,运动视图,例3:试绘制内燃机的机构运动简图,刨床的机构运动简图,3-2平面连杆机构,3.2.1铰链四杆机构的类型及应用,1.基本概念,1)平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构。,特点：运动副为低副，面接触承载能力大；便于润滑，寿命长;几何形状简单便于加工，成本低。,2）铰链四杆机构：运动副都是转动副的四杆机构。,铰链四杆机构：,4机架,1，3连架杆定轴转动,2连杆平面运动,曲柄：作整周转动的连架杆,摇杆：非整周转动的连架杆,动画,组成,2.基本类型:根据两连架杆的运动形式,1）曲柄摇杆机构2）双曲柄机构3）双摇杆机构,连架杆,应用1,应用2,应用1,应用4,应用3,应用2,应用1,应用2,3.2.2铰链四杆机构的演化,1、扩大转动副:偏心轮机构,2、转动副转化成移动副：曲柄滑块机构,e=0，对心曲柄滑块机构,曲柄滑块机构（偏距e）,e0，偏置曲柄滑块机构,运动视图,3.导杆机构与摇块机构,曲柄滑块机构,定块机构,摇块机构,导杆机构,摆动导杆机构,转动导杆机构,应用,视图,视图,视图,3.3.1铰链四杆机构有曲柄的条件,若1能绕A整周转动，则存在两个特殊位置,a+db+c(1),bc+d-a即a+bc+d(2),cb+d-a即a+cb+d(3),(2)+(3)得ad,(1)+(2)得2a+b+d2c+b+d即ac,(1)+(3)得ab,如:ad,4d,3-3平面机构的工作特性,a+db+c(1),bc+(a-d)即d+bc+a(2),c其余两杆长度之和,故为双摇杆机构.,50,200,100,例1:判断下图所示四杆机构的类型,解:,160,最长杆与最短杆长度之和其余两杆长度之和,且最短杆的相邻杆为机架,故为曲柄摇杆机构.,如下图所示铰链四杆机构ABCD中，BC=50mm，CD=35mm，AD=30mm，取AD为机架）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB是曲柄，求AB的取值范围；）如果该机构能成为双曲柄杆构，求AB的取值范围；）如果该机构能成为双摇杆机构，求AB的取值范围,例3,若该机构为双曲柄机构，则AB杆的取值范围为：45AB55,解:,1）该机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，则AB应为最短杆。,已知BC杆为最长杆BC=50。,AB+BCAD+CD,0AB15,2）该机构如为双曲柄机构，同样应满足曲柄存在的条件，,应以最短杆为机架。现AD为机架，则最短杆为AD30，,最长杆可能为BC杆，也可能是AB杆。,若AB杆为最长杆(AB50)：AD+ABBC+CD,AB55即50AB55,若BC杆为最长杆(AB50)：AD+BCAB+CD,AB45即45AB50,ABAD+CD+BCAB11555AB115,3）欲使该机构为双摇杆机构,(1)最短杆与最长杆之和应大于另外二杆之和。现在的关键是谁是最短、最长杆？,若AB杆最短(AB30)，则最长杆为BC：,AB+BCCD+AD15AB30,若AD杆最短,AD+BCAB+CD30AB45,.AB杆最长：AD+ABBC+CDAB55,综上分析：AB杆的取值为：15AB45或者55AB115,.BC杆最长(30AB50),(2)满足长度条件,但BC不为最短杆,推论3不成立,3.3.2铰链四杆机构的基本特性,1.急回运动,1）极位夹角（C2AC1）:摇杆处于极限位置时曲柄所夹锐角。,工作行程:,从动件,空回行程:,AB1AB2,AB2AB1,原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件工作（正）行程和空回（反）行程的平均速度不相等。,2）机构的急回运动特性：,3)行程速比系数,2.压力角和传动角,1）压力角:从动件上点c的受力方向与速度方向所夹的锐角。,2）传动角：压力角的余角，F与Fn夹角，,切向分力：,法向分力：,3）最小传动角min,为了保证机构的传力性能良好：,传递大功率的机构（冲床）：,最小传动角出现在曲柄与机架两次共线的一处。,经常用衡量机构的传动质量,传动角愈大，压力角愈小，机构传力性能愈好，传动角=90，传动最有利。,3.死点,机构停在死点位置，不能起动。运转时，靠惯性冲过死点。,运动视图,利用死点实例,下图所示六杆机构中,各构件的尺寸为:lAB30mm,lBC55mm,lAD=50mm,lCD=40mm,lDE20mm,lEF60mm.滑块为运动输出构件.试确定：）四杆机构ABCD的类型）作滑块的行程？）求机构的最小传动角min？,例4:,）四杆机构ABCD中，最短杆AB，最长杆BC因为lABlBClCDlAD且以最短杆AB的邻边为机架故四杆机构ABCD为曲柄摇杆机构,答案：,3)机构的最小传动角min出现在CD杆垂直于导路时（即ED导路）COSminED/EFCOSmin1/3min78.4o,2),3-6凸轮机构,3.6.1凸轮机构的组成、应用和分类,1.组成：,凸轮：一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触,从动件：平动，摆动,机架,工程实例1,工程实例2,工程实例3,工程实例4,2.应用：,当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用凸轮机构。,3.分类：,1）按凸轮的形状：,盘形凸轮机构平面凸轮机构,移动凸轮机构平面凸轮机构,圆柱凸轮机构空间凸轮机构,2）按从动件的型式：,平底从动件：用于高速。,尖底从动件：用于低速；,滚子从动件：应用最普遍；,3）按从动件的运动形式：,直动从动件：往复直线运动,对心直动从动件,摆动从动件：往复摆动,偏置直动从动件,4）按锁合的方式：,力锁合（重力、弹簧力）,几何锁合,运动视图,3.6.2凸轮机构工作过程及从动件常见运动规律,1.凸轮机构工作过程,偏距e：,1)几个概念,尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构,基圆：凸轮轮廓上最小向径为半径的圆,偏距圆,2）凸轮机构工作过程,近休止角：S=AOD,从动件位移线图(从动件速度线图，加速度线图),行程：h(最大位移),上升停降停,推程运动角：=BOB=AOB1,远休止角：S=BOC=B1OC1,回程运动角：=C1OD,2.从动件常见运动规律,刚性冲击：由于加速度发生无穷大突变而引起的冲击称为刚性冲击。,1）匀速运动规律（推程段）,行程起始位置：,行程终止位置：,2）等加速等减速运动规律,柔性冲击：加速度发生有限值的突变（适用于中速场合）,定义：从动件在一个推程或回程中，前半程作等加速运动，后半程作等减速运动。,加速度=减速度,3）余(简)弦运动规律,运动特征：若为零，无冲击，若不为零，有冲击,3.6.3盘形凸轮轮廓曲线设计,设计方法：作图法，解析法,反转法,1、尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓设计：,已知转向,步骤：,1.作基圆、偏距圆和从动件导路；,2.将推程、回程运动角作若干等分；,3.以oc0开始，将基圆按推程、远休止、回程、近休止角分别画出，并将推程、回程角分成相应等分的点C；,4.过相应点作偏距圆的切线；,5.沿切线自基圆开始取从动件相应的位移量得到一系列点B；,6.用光滑的曲线将B点串联即得；,（3）在理论轮廓上画出一系列滚子，画出滚子的内包络线实际轮廓曲线。,设计滚子从动件凸轮机构时，凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的基圆半径。,2、滚子从动件,（1）去掉滚子，以滚子中心为尖底。,（2）按照上述方法作出轮廓曲线理论轮廓曲线,计算机辅助设计,3.6.4凸轮工作轮廓的校核,1.运动失真,滚子半径rT必须小于理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径min.,回程=7080,2.凸轮机构的压力角和自锁,1）压力角：接触点法线与从动件作用点速度方向所夹的锐角。,2)自锁,3）许用压力角,压力角，有效分力，有害分力，到一定程度将卡死。,直动从动件,推程=3040,4）压力角的影响因数,压力角，基圆半径，结构尺寸,为保证结构紧凑，压力角不宜过小。,凸轮轴半径,3.7间歇运动机构,3.7.1棘轮机构,1.棘轮机构的工作原理,摆杆1左右摆动，当摆杆左摆时，棘爪4插入棘轮3的齿内推动棘轮转过某一角度。,当摆杆右摆时，棘爪4滑过棘轮3，而棘轮静止不动，往复循环。制动爪5防止棘轮反转,这种有齿的棘轮其进程的变化最少是1个齿距，且工作时有响声。,动画,2.棘轮机构的其它类型,1)摩擦棘轮（无声棘轮）,组成:外套筒1、内套筒3之间装有受压缩弹簧作用的滚子2。,当外套筒顺时针转动，滚子楔紧，内套筒转动。,当外套筒逆时针转动，滚子松开，内套筒不动。,由于摩擦传动会出现打滑现象，不适于从动件转角要求精确的地方。,工作原理,2)双向棘轮,动画,双动式