第五章常用机构PPT课件

.,1,第五章,常用机构,.,2,绪论一、本章研究的对象及内容1研究对象机械应用实例：内燃机机械是机构和机器的总称。机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息,.,3,（1）机构指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等等（2）机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息。由实例可看出，各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以可以说，机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合体。（3）机器的结构传统的机器由如下三个部分组成：原动件传动部分执行部分现代机器一般由如下四个部分组成原动件传动部分执行部分控制部分,.,4,2研究内容1）机构的组成及其自由度的计算2）机构的运动分析3）机构的力分析和机器动力学分析4）常用机构的分析与设计5）机构的选型与组合*3学习的目的为学习后续课程和掌握专业知识打好基础为毕业设计提供机械设计知识其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。,.,5,二、械设计基本要求和一般程序1.机器应该满足的基本要求(1)使用性要求实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求（功能性要求）(2)经济性要求这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。(3)安全性要求有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。,.,6,(4)工艺性要求这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。(5)可靠性要求要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。2.机械零件设计的基本准则及一般步骤(1)根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。(2)分析作用在零件上的载荷（拉力、压力，剪切力）。(3)根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。,.,7,(4)分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。(5)按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。(6)绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。,.,8,第一节平面机构运动简图及自由度,1-1平面机构的组成1.构件从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件。构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。,.,9,2.运动副1）运动副定义机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。2）运动副的分类（1）按两个构件运动关系分为：平面运动副和空间运动副（2）按其接触形式分：高副点线接触的运动副和低副面接触的运动副。（3）按其相对运动形式分：转动副（回转副或铰链）、移动副、螺旋副、球面副。,.,10,低副：两构件通过面接触组成的运动副。（约束了两个自由度，保留了一个自由度）有转动副和移动副两种。高副：两构件通过点或线接触组成的运动副。（约束了一个自由度，保留了两个自由度）,低副(1)转动副:组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动。约束了2个移动，保留了1个转动。,.,11,(2)移功副:组成运动副的两个构件只能沿某个轴线相对移动约束了1个移动，保留了1个转动。,2、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副,.,12,3运动链由两个或两个以上的构件通过运动副连接构成的系统称为运动链4.机构具有固定构件的运动链称为机构。机架：机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动；原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件；从动件：机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛,.,13,1-2平面机构运动简图一、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。二、绘制：1、运动副的符号,.,14,.,15,.,16,2、构件符号：,表1-2,.,17,3、机构运动简图的绘制（模型：鄂式破碎机）1）分析机构，观察相对运动；2）找出所有的构件与运动副；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间图。（从原动件开始画）【例】如图5-7所示为以颚式碎矿机。当曲轴2绕其轴心O连续转动时，动颚板3作往复摆动，从而将处于动颚板3和固定颚板6之间的矿石7轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,.,18,解：（1）运动分析右图所示此碎矿机由原动件曲轴2（构件1为固装于曲轴2上的飞轮）、动颚板3、摆杆4、机架5等4个构件组成，固定颚板6是固定安装在机架上的。,图5-7鄂式破碎机主体机构,.,19,曲轴2于机架5在O点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴2与动颚板3也构成转动副，其轴心在A点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆4分别与动颚板3和机架5在B、C两点构成转动副。其运动传递为：电机皮带曲轴动颚板摆杆所以，其机构原动件为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。（2）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定O、A、B、C四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。由图可以看出，O、C在同一垂直线上。量取OA=3mm，AB=25mm，BC=14mm，OC=22mm.,.,20,1-3平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副）F=3n-2PL-PH二、机构具有确定运动的条件（原动件数F，机构破坏）铰链四杆机构F=3*3-2*4-0=1原动件数=机构自由度铰链五杆机构,.,21,a,b,F=3*4-2*5-0=2原动件数机构自由度原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）,.,22,机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。三、计算机构自由度时应注意的问题1复合铰链三个或三个以上构件在同一处构成共轴线转动副的铰链，我们称为复合铰链（如图所示）。若有m个构件组成复合铰链，则复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。,复合铰链,.,23,2局部自由度机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部自由度。对于含有局部自由度的机构在计算自由度时，不考虑局部自由度。如图凸轮机构：如认为：F=3x3-2x3-1=2是错误的。n=2，Pl=2，Ph1，由公式得：F=3x2-2x2-1=1。,.,24,（3）虚约束：在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。,虚约束1,虚约束2,虚约束2,虚约束1,.,25,习题：1.求图示机构的自由度。,.,26,2.计算图示机构的自由度，并判定其是否具有确定的运动。,.,27,第二节平面连杆机构一、定义：若干构件通过低副（转动副或移动副）联接所组成的机构称作连杆机构。连杆机构中各构件的相对运动是平面运动还是空间运动，连杆机构又可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。,.,28,2.1平面四杆机构的类型及应用在此机构中，AD固定不动，称为机架；AB、CD两构件与机架组成转动副，称为连架杆；BC称为连杆。在连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，而只能在一定角度范围内摆动的构件称为摇杆。一、铰链四杆机构基本类型,.,29,根据机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四杆机构又有三种基本形式：1曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。雷达调整机构缝纫机踏板机构当曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图中的雷达天线机构；反之，当摇杆为原动件时，可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动，如图所示的缝纫机踏板。,雷达调整机构,缝纫机踏板机构,.,30,2双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。可将原动曲柄的等速转动转换成从动曲柄的等速或变速转动，如图所示的惯性筛驱动机构；构的相对两杆平行且相等时，则成为平行四边形机构，如图所示。注意：平行四边形机构在运动过程中，当两曲柄与机架共线时，在原动件转向不变、转速恒定的条件下，从动曲柄会出现运动不确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排列。,.,31,3双摇杆机构：两连架杆都是摇杆的机构，如图所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。,.,32,二、机构的演化机构的演化方法有三种：1）通过改变构件的形状和相对尺寸进行演化，如图28的演化；2）通过改变运动副尺寸进行演化；3）通过选用不同构件作为机架进行演化。1滑块机构如图所示，当构件1能整周回转成为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构；否则该机构称为摆杆滑块机构。,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,.,33,2导杆机构在图a所示的对心曲柄滑块机构中，若改取构件1为机架，则机构演化为导杆机构。图b。3曲柄摇块与曲柄转块机构在图a中若改取构件2为机架，当l1l2时，则滑块3可作整周转动，我们称为曲柄转块机构。4移动导杆机构在图a中，如取滑块3为机架，则该机构演化成移动导杆机构,.,34,2.2四杆机构特性一、四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲柄。而且一般原动件为曲柄。而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。设ad，若AB杆能绕A整周回转，则AB杆应能够占据与AD共线的两个位置AB和AB”。由图可见，为使AB杆能转至位置AB，各杆长度应满足：,.,35,a+db+c而为使AB杆能转至AB”，各杆长度关系应满足b(d-a)+cc(d-a)+b可得：a+bd+ca+cd+b由可以得出铰链四杆机构曲柄存在条件为：1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆；2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。（称为杆长条件）上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄。二、急回特性和行程速比系数1）当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回特性,.,36,2）行程速比系数K当机构存在极位夹角时，机构便具有急回运动特性。且角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著例牛头刨床机构,.,37,三、压力角与传动角连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角称为四杆机构在此位置的传动角。显然越大，有效分力Pt越大，Pn越小，对机构的传动就越有利。所以，在连杆机构中也常用传动角的大小及变化情况来描述机构传动性能的优劣。为了保证机构传力性能良好，应使min4050最小传动角的确定：对于曲柄摇杆机构，min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。,.,38,三、死点如图：当以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角0，这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为“死点”在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采用适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。,.,39,但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如下图,飞机起落架,.,40,2.3四杆机构设计连杆机构的设计方法有：作图法、实验法及解析法。图解法和实验法比较直观易懂，但设计精度要低。解析法精度高，但计算要复杂，有时利用手工几乎无法完成。一、按连杆预定位置设计四杆机构,.,41,二、按给行程速比系数K设计四杆机构如图2-21所示，已知摇杆CD长度及摆角，行程速比系数K。要求设计曲柄摇杆机构。步骤如下：1）由公式，求出极位夹角。2）任选固定铰D的位置，并作出摇杆两极限位置C1D和C2D，夹角为。3）连接C1C2，作C1C2O=C2C1O=90-，得交点O，以O为圆心，OC1为半径作圆。4）在圆上任取一点A为固定铰。5）连接AC1、AC2，则AC1、AC2分别为曲柄与连杆重迭拉直共线位置，即：AC1=BC-ABAC2=BC+AB可分别求得AB与BC,.,42,第三节凸轮机构,3.1凸轮机构的应用和分类一凸轮机构的应用凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。如图所示为以内燃机的配气凸轮机构，凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往复摆动，从而使气门3开启和关闭，以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。由上述例子可以看出，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的。,.,43,二、凸轮分类1按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮：如上图所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当他绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。（2）移动凸轮：当盘状凸轮的径向尺寸为无穷大时，则凸轮相当于作直线移动，称作移动凸轮。（3）圆柱凸轮：这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动。,.,44,2按从动件的形状分类可分为三类：（1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适用于传力不大的低速凸轮机构中。（2）滚子从动件：由于滚子与凸轮间为滚动摩擦，所以不易磨损，可以实现较大动力的传递，应用最为广泛。（3）平底从动件：这种从动件与凸轮间的作用力方向不变，受力平稳。而且在高速情况下，凸轮与平底间易形成油膜而减小摩擦与磨损。其缺点是：不能与具有内凹轮廓的凸轮配对使用；而且，也不能与移动凸轮和圆柱凸轮配对使用。,.,45,此外，按维持高副接触分（锁合）；1）力锁合弹簧力、重力2）几何锁合：等径凸轮；等宽凸轮三、凸轮机构的特点：优点：结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。缺点：1）点、线接触易磨损；2）凸轮轮廓加工困难；3）行程不大。,.,46,3.2凸轮从动件的运动规律凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律基圆凸轮理论轮廓曲线最小矢径所作的圆。行程从动件由最低点到最高点的位移h（式摆角）推程运动角从动件由最低运行到最高位置，凸轮所转过的角。回程运动角高低凸轮转过的转角。远休止角从动件到达最高位置停留过程中凸轮所转过的角。近休止角从动件在最低位置停留过程中所转过的角。,.,47,从动件位移线图从动件位移S与凸轮转角（或时间t）之间的对应关系曲线一、等速运动规律从动件开始和最大行程加速度有突变则有很大的冲击。这种冲击称刚性冲击。实质材料有弹性变形不可能达到，但仍然有强烈的冲击。只适用于低速轻载。,.,48,二、等加速度、等减速度加速度有有限突变，柔性冲击，适用于中等速度轻载三、余弦加速,.,49,当推杆作停、升、停型运动时，推杆在O、A两点位置加速度有突变也有柔性冲击产生。但对降、升、降型运动规律，则无冲击出现。,.,50,3.3凸轮轮廓曲线设计设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度，使其绕凸轮轴心o转动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O转动，同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。可见，推杆在复合运动中，其尖顶的轨迹就是凸轮廓线。利用这种方法进行凸轮设计的称为反转法，,.,51,一、利用作图法设计凸轮廓1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构（1）选取适当的比例尺，取为半径作圆；（2）先作相应于推程的一段凸轮廓线。为此，根据反转法原理，将凸轮机构按进行反转，此时凸轮静止不动，而推杆绕凸轮顺时针转动。按顺时针方向先量出推程运动角，再按一定的分度值（凸轮精度要求高时，分度值取小些，反之可以取小些）将此运动角分成若干等份，并依据推杆的运动规律算出各分点时推杆的位移值S。,.,52,（3）确定推杆在反转运动中所占据的每个位置。为此，根据反转法原理，从A点开始，将运动角按顺时针方向按一个分点进行等份，则各等份径向线01，02，08即为推杆在反转运动中所依次占据的位置。（4）确定出推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。根据表中所示数值s，沿径向等分线由基圆向外量取，得到点，即为推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。（5）用光滑曲线连接，即得推杆升程时凸轮的一段廓线。（6）凸轮再转过时，由于推杆停在最高位置不动，故该段廓线为一圆弧。以O为圆心，以为半径画一段圆弧。,.,53,2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转动时滚子（滚子半径）与凸轮的相切点不一定在推杆的位置线上，但滚子中心位置始终处在该线，推杆的运动规律与滚子中心一致，所以其廓线的设计需要分两步进行。（1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶，按前述方法设计出廓线，这一廓线称为理论廓线。（2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子半径为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线即为所求凸轮的实际廓线，如图所示。,.,54,3.4凸轮机构轮廓校核一、凸轮机构的压力角和自锁有用力有害力压力角凸轮机构从动件速度方向与该点受力方向的夹角称为压力角，机构传动不利。，则机构自锁，所谓自锁即无论凸轮施加多大的力都无法使机构运动，这种现象必须避免。为之必须规定一个许用的对直动从动件凸轮机构=3038摆动从动件凸轮机构=4050工作行程=7080回程,.,55,二、滚子半径的选择：滚子从动件凸轮的实际轮廓曲线，是以理论轮廓上各点为圆心作一系列滚子圆的包络线而形成，滚子选择不当，则无法满足运动规律。对于图b中的外凸轮，则实际轮廓的曲率半径为零实际轮廓上将出现尖点。当时，这时实际的轮廓出现交叉，从动轮将不能按照预期的运动规律运动，这种现象称为“失真”因此，对于外凸的凸轮，应使滚子的半径小于理论轮廓的最小曲率半径。另一方面，