机械设计基础-第二章-平面连杆机构

第2章平面连杆机构,21平面连杆机构的特点及应用,23平面四杆机构的基本特性,24平面四杆机构的设计,22平面四杆机构的基本类型及其应用,本章学习要求,1、了解平面四杆机构的组成和特点2、了解铰链四杆机构的基本形式及应用3、了解铰链四杆机构的演化方法4、掌握平面四杆机构存在曲柄的条件5、掌握压力角、传动角、极位夹角与行程速比系数、死点位置等平面四杆机构的基本知识及特性6、了解平面连杆机构运动设计的基本设计命题，掌握根据不同设计条件采用合适的设计方法来解决四杆机构的设计问题。,本章重点难点,本章重点,1、铰链四杆机构的演化2、四杆机构存在曲柄的条件3、压力角、传动角、极位夹角与行程速比系数、死点位置4、四杆机构的运动设计,本章难点,四杆机构的运动设计,21平面连杆机构的特点及应用,连杆机构由若干刚性构件通过低副（转动副、移动副）连接组成的机构，又称为低副机构。,连杆机构的优点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损、运动副元素的几何形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,可实现多种运动变换和运动规律。,由几何形状实现接触，不需要附加压紧装置。,连杆曲线丰富，可满足不同运动轨迹的设计要求。,连杆机构的缺点：构件和运动副多，结构复杂，效率低。,运动时产生的惯性难以平衡，不适合高速。,一般只能近似满足运动规律的要求。,由于构件尺寸不可能绝对准确，运动副间有间隙，故运动传递的累积误差比较大。,应用实例：,内燃机、鹤式吊、牛头刨床、折叠桌、火车轮、椭圆仪、手动冲床、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,连杆机构分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍平面四杆机构。,22平面四杆机构的基本类型及其应用,定义：全部用转动副相连的平面四杆机构，其它平面四杆机构都可以由它演变得到。,名词解释：,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆与机架组成摆动副的连架杆。,周转副（整转副）组成转动副的两构件能作整周相对转动；,摆动副不能做整周转动的回转副；,曲柄与机架组成整转副的连架杆；,连架杆,连杆,连架杆,一、铰链四杆机构,设计：潘存云,设计：潘存云,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,（1）曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,运动转换：转动摇动,设计：潘存云,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,摄影平台,天平,播种机料斗机构,设计：潘存云,设计：潘存云,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,消除方法1：采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,车门开闭机构,消除方法2：添加虚约束,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,、风扇摇头机构,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,(1)改变构件的形状和运动尺寸,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=lsin,二、平面四杆机构的演化,设计：潘存云,(2)改变运动副的尺寸,偏心轮机构,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构,椭圆仪机构,正弦机构,演化式四杆机构的应用,双转块机构,例：选择曲柄摇杆中的不同构件作为机架可得不同的机构,23平面四杆机构的基本特性,设计：潘存云,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4l1)+l3,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,l1+l4l2+l3,l3(l4l1)+l2,AB为最短杆,1.铰链四杆机构有曲柄的条件,l4-l1,将以上三式两两相加得：l1l2,l1l3,l1l4,l1+l3l2+l4,l1+l2l3+l4,2)组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。,周转副存在的条件：,1)最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和,称为杆长条件(Grashof条件)。,2)最短杆为连架杆或机架。,铰链四杆机构有曲柄的条件：,1)各杆长度应满足杆长条件,最短杆为连架杆-曲柄摇杆机构,最短杆为机架-双曲柄机构,最短杆为连杆-双摇杆机构,例已知图示的四杆机，l2=70，l3=65，l4=60。求：l1在何范围内取值时，机构为曲柄摇杆机构，双曲柄机构，双摇杆机构？,解：1.要使机构为曲柄摇杆机构，则必须满足曲柄存在的条件，而且杆4为最短杆的邻杆。根据题意最短杆只能是杆1。有：,即：,l1+l2l3+l4,0l155,2.欲使机构为双曲柄机构，应满足曲柄存在的条件而且最短杆为杆4。根据题意杆1或杆2位最长杆，于是有,3.欲使机构为双摇杆机构，或在曲柄存在的条件最短杆的对边为机架，或者不存在曲柄。前一种情况不可能存在，根据前两种机构存在的结果得：,l4+l1l2+l3,l4+l2l1+l3,l175,65l1,65l175,55l175。,55l1V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,称K为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要0，就有K1,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,曲柄滑块机构的极位夹角,摆动导杆机构的极位夹角,设计：潘存云,当BCD90时，BCD,3.压力角和传动角,压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:min40,min出现的位置：,当BCD90时，,180-BCD,切向分力:F=Fcos=Fsin,法向分力:F”=Fcos,F,对传动有利。,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,设计：潘存云,由余弦定律有B1C1Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,B2C2Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,若B1C1D90,则,若B2C2D90,则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,设计：潘存云,设计：潘存云,4.机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,设计：潘存云,设计：潘存云,夹紧装置,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、夹紧装置等。,24平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,设计：潘存云,设计：潘存云,飞机起落架,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数y=logx,设计：潘存云,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,设计：潘存云,设计：潘存云,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。,设计方法：图解法、解析法,图解法直观性强、简单易行，缺点是设计精度不高。,解析法设计精度高，但计算量大，宜用计算机求解。,设计：潘存云,一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1)曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K，设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则:,以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得：l1=EC1/2l2=AC1EC1/2,AC2=l2-l1,l1=(AC1AC2)/2,C2C1P=90,交于P;,AC1=l1+l2,设计：潘存云,设计：潘存云,2)摆动导杆机构,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)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,设计：潘存云,3)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,计算:180(K-1)/(K+1);,作C1C2H,作射线C1O使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，AC1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1=EC2/2,l2=AC2EC2/2,设计：潘存云,二、按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,设计：潘存云,三、给定两连架杆对应位置设计四杆机构,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1coc+l2cos=l3cos+l4,l1sin+l2sin=l3sin,if(i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令：l1=1,代入移项得：l2cos=l4l3coscos,则化简为：cocP0cosP1cos()P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2sin=l3sinsin,coc1P0cos1P1cos(11)P2,coc2P0cos2P1cos(22)P2,coc3P0cos3P1cos(33)P2,可求系数:P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度:P0=1.533,P1=-1.0