《机械基础》课件-第4章平面连杆机构

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日连接学习目标了解运动副的组成及其分类。会绘制平面机构的运动简图，会计算平面机构的自由度。认识平面连杆机构。熟悉铰链四杆机构的基本类型。了解铰链四杆机构的演化类型。掌握铰链四杆机构类型的判断方法。了解平面连杆机构的运动特性。4.1平面机构的运动简图和自由度平面运动副1．运动副使两构件组合而相互接触，并沿一定路径产生相对运动时，此两构件称为一个运动副。根据两构件接触形式的不同，运动副分为低副和高副。（1）低副低副是指两构件之间作面接触的运动副，主要包括移动副、转动副和螺纹副三种。平面运动副（2）高副高副是两机件间以点或线接触的运动副。如点接触的球轴承（图4-3）和线接触的摩擦轮（图4-4）。平面运动副2．平面运动副的表示方法1）两构件组成移动副的表示方法如图4-5所示，其导路必须与相对移动方向一致。平面运动副2）两构件组成转动副时，其表示方法如图4-6所示。图面垂直于回转轴线时用图4-6a表示；图面不垂直于回转轴线时用图4-6b表示。表示回转副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。平面运动副3）用符号表示高副时，一般需把两构件在接触点处的曲线轮廓画出，但对于齿轮机构，习惯上只画出两齿轮的节圆,如图4-7所示。平面机构的运动简图1．平面机构运动简图的定义在不考虑构件的外形、截面尺寸和运动副的实际结构情况下，用简单的线条和符号表示的构件和运动副，并按一定的比例画出各运动副间相对位置的图形，称为机构运动简图。表4-1列出了构件和运动副的常用表示方法。平面机构的运动简图2．构件的分类组成机构的构件按其运动性质可分为固定件、主动件和从动件。（1）固定件固定件也称机架，是用来支承活动构件的构件，如图4-8中所示的颚式破碎机座，它是用来支承带轮、偏心轴、肘板等构件的。（2）主动件主动件是运动规律已知的活动构件。平面机构的运动简图（3）从动件从动件是受主动件影响而产生相应运动的构件。在机构中除了机架与主动件之外，其他构件都是从动件。而在从动件中按预期的规律向外界输出运动或动力的构件称为输出构件，如图4-8中所示的动颚。平面机构的自由度1．平面机构自由度的定义假设一对运动副中的一个构件固定，而另一构件相对于此固定件的位置所允许的自由运动空间，称为自由度。一个自由刚体（未受任何约束的刚体）具有六个自由度，即三个坐标方向的平移与三个坐标轴的旋转，如图4-9a所示。平面机构的自由度一构件与另一构件组成运动副之后，即受到某种约束而丧失其中一个或多个自由度，故运动副的自由度最多为5，但最少为1，即至少维持一个空间的相对运动。如图4-9b所示的运动副，A被限制在B内作平面运动，A沿x、y轴各有相对平衡及z轴有相对旋转运动，故自由度为3。平面机构的自由度图4-9c所示为圆球与平面的运动副，圆球沿x、y轴各具有相对平衡与旋转及z轴有相对旋转运动，故自由度为5。平面机构的自由度成为低副的两构件，必定是面接触，但面接触的两构件未必是低副，还需要视其相对自由度而定。图4-10所示为具有3个旋转自由度的圆球副，虽是面接触，但是是高副。又图4-11所示为具有2个自由度的圆柱副，同样是高副。平面机构的自由度2．机构具有确定运动的条件机械的自由度必须大于零才能保证除机架之外的其他构件能够运动。如果机构的自由度等于零，所有构件就不能运动，因此也就构不成机构。通常用具有一个独立运动的构件作主动件，因此，机构具有确定运动的充分必要条件为构件系统的自由度必须大于零，且主动件的数目必须等于自由度数。4.2铰链四杆机构及其演化概述机构是由若干构件组成的，所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。平面连杆机构是用销轴、滑道等方式连接起来的，各构件间在同一平面或相互平行的平面内，如图4-12所示。平面连杆机构能够实现一些较为复杂的平面运动，在生产中应用很广泛。最常见的平面连杆机构是由四个杆件组成的，简称演化铰链四杆机构。平面四杆机构中，以所有运动副都是转动副的铰链机构和含有一个移动副的滑块机构应用最为广泛。铰链四杆机构的基本形式1．铰链四杆机构的组成如图4-13所示，在铰链四杆机构中，其各构件的名称如下。1）机架：固定不动的构件，如图4-13中所示的构件4，又称静件。2）连杆：不与机架直接连接的构件，如图4-13中所示的构件2。3）连架杆：与机架直接连接的构件，如图4-13中所示的构件1、3。4）曲柄：能绕固定轴作整周旋转运动的连架杆。5）摇杆：能绕固定轴按照一定角度摆动的连架杆。铰链四杆机构的基本形式2．铰链四杆机构的基本类型及应用根据其两个连架杆的运动形式的不同，可以将平面四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。（1）曲柄摇杆机构两个连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构，如图4-14所示。铰链四杆机构的基本形式如图4-15所示的缝纫机踏板机构，是一个曲柄摇杆机构，摇杆CD为主动件并作往复摆动，曲柄AB为从动件，作连续的回转运动，再通过带传动驱动机头工作。铰链四杆机构的基本形式（2）双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图4-16所示。如图4-17所示的惯性筛机构，这是双曲柄机构在生产实际中的一个典型应用。铰链四杆机构的基本形式在平面四杆机构中，若对边的长度相等而且平行时，该机构称为平行四边形机构。如图4-18所示，不论以哪个构件为机架，平行四边形机构都是双曲柄机构。因此，可将平行四边形机构视为双曲柄机构的特例。铰链四杆机构的基本形式图4-19所示为土木工程所使用的铲斗机，AD与机身相连，AB、CD与铲斗BC连接，形成一平行四边形。当铲斗上升或下降时，能确保BC与AD平行，以维持铲斗的平度。平行四边形机构的四个铰链中心处于同一直线时，机构将处于运动不确定状态，可能会出现图4-20所示的反向双曲柄机构。铰链四杆机构的基本形式（3）双摇杆机构两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，如图4-21所示。图4-22所示的鹤式起重机中的四杆机构ABCD即为双摇杆机构。当主动件AB摆动时，从动件摇杆CD也随之摆动。铰链四杆机构的演化形式及应用除铰链四杆机构的三种基本类型外，在工程实际中，还广泛应用着其他类型的四杆机构。本节介绍的具有一个移动副的平面四杆机构就是由铰链四杆机构演化而来的。1．曲柄滑块机构曲柄滑块机构是曲柄摇杆机构的一种演化形式，是具有一个曲柄和一个滑块的平面连杆机构。当摇杆变成滑块，曲柄摇杆机构即变为图4-24所示的曲柄滑块机构。铰链四杆机构的演化形式及应用曲柄滑块机构的运动特点是将曲柄的连续转动转化为滑块的往复移动（图4-25），或将滑块的往复移动转化为曲柄的连续转动（图4-26）。铰链四杆机构的演化形式及应用曲柄滑块机构广泛地应用于往复式机械中，如内燃机、压缩机、往复式水泵和压力机等。图4-27所示就是曲柄滑块机构在压力机中的应用。铰链四杆机构的演化形式及应用2．导杆机构如图4-24所示，当以构件2为机架时，就演化为导杆机构。构件2的长度大于构件3时为摆动导杆机构，如图4-28a所示。构件2的长度小于构件3时称为转动导杆机构，如图4-28b所示。图4-29所示为曲柄导杆机构在电器开关中的应用。铰链四杆机构的演化形式及应用3．摇块机构如图4-24所示，当以构件3为机架时，就演化为摇块机构，又称摆动滑块机构，如图4-30所示。铰链四杆机构的演化形式及应用3．摇块机构图4-31所示为应用摇块机构的摆动发动机，当曲柄AB绕固定轴回转时，气缸4在轴承支持的筒耳上绕固定轴摆动。铰链四杆机构的演化形式及应用4．定块机构如图4-24所示，当以构件4为机架时，就演化为定块机构，又称移动导杆机构，如图4-32所示。连杆3为绕固定轴摆动的摇杆，2为连杆，绕A点转动，使连杆1作上下往复运动。如图4-33所示的手压抽水机，即为此机构的应用。4.3铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构类型的判断1．判定条件平面四杆机构是否存在曲柄，取决于各杆的相对长度和机架的选择，具体判别条件如下。1）若最短杆与最长杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和，则：①当最短杆为连架杆时，该机构是曲柄摇杆机构。②当最短杆为机架时，该机构是双曲柄机构。③当最短杆为连杆时，该机构是双摇杆机构。2）若最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不论以哪一杆为机架，都是双摇杆机构。铰链四杆机构类型的判断2．结论平面四杆机构存在曲柄，必须同时满足以下两个条件。1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。2）最短杆是连架杆或机架。平面四杆机构的运动特性1．急回特性在图4-34所示的曲柄摇杆机构中，当以曲柄AB为主动件并作整周转动时，摇杆CD作往复摆动。平面四杆机构的运动特性2．压力角和传动角在图4-35所示的曲柄摇杆机构中，曲柄经连杆传递到摇杆上C点的力F与受力点运动速度vC之间所夹锐角α，称为机构在该位置的压力角。压力角α的余角γ称为传动角。压力角和传动角在机构运动过程中是变化的。平面四杆机构的运动特性3．死点(止点)（1）死点位置的产生在图4-36所示的曲柄摇杆机构中，若以摇杆CD为主动件，则当CD处于两极限位置C1D或C2D时，对应连杆与曲柄出现两次共线。此时无论施加多大的驱动力，均不能使曲柄转动。当主动件处于两极限位置时，连杆与从动件处于两次共线的位置，机构的这个位置称为止点位置。如图4-36中的AB1C1、AB2C2