平面连杆机构的设计幻灯片.ppt

1、1,第五章 平面连杆机构的设计,51 连杆机构及其传动特点,52 平面四杆机构的类型和应用,53 有关平面四杆机构的一些基本知识,54 平面四杆机构的设计,内容提要,2,1.应用实例,51 连杆机构及其传动特点,内燃机、鄂式破碎机机构、鹤式起重机、牛头刨床、车门、机械手爪、折叠伞等。,2. 定义（连杆机构或称低副机构） 由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。特点是：运动件的运动都要经过一个机架直接相连的中间构件才能传动从动件。,3,3. 分类： 分为空间连杆机构和平面连杆机构,平面连杆机构,4,空间连杆机构,5,4. 连杆机构的特点（优缺点） 优点： 1）采用低副：面接触、承载大、便于润滑、

2、不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,3）连杆曲线丰富。可满足不同要求。,缺点： 1）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,2）产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。,3）设计复杂，难以实现精确的轨迹。,6,本章重点内容是介绍平面四杆机构,5. 命名（常以构件数命名） 四杆机构、多杆机构（齿凸连组合压力机）。,7,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释： 曲柄(crank)作整周定轴回转的构件；,连杆(coupler)作平面运动的构件；,连架杆(side link)与机架相联的构件；,摇杆

3、(rocker)作定轴摆动的构件；,周转副能作360 相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,52 平面四杆机构的类型和应用,1. 平面四杆机构的基本型式,机架,8,有三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism),特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周连续回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线等。,9,雷达天线俯仰机构 曲柄主动,缝纫机踏板机构,10,11,（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：如火车轮、 惯性筛等。,12,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平

4、行， 连杆作平动且始终与机架平行，两曲柄以相同速度 同向转动。,摄影平台,天平,播种机料斗机构,13,返回,14,反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行。,-车门开闭机构,注：平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,火车轮,15,（3）双摇杆机构(double crock mechanism),特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,风扇、起重机、炉门、飞机起落架、夹紧机构,16,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,17,(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 (slider-crank me

5、chanism),双滑块机构,正弦机构,=l sin ,2.平面四杆机构的演化型式,18,偏心曲柄滑块机构,返回,19,对心曲柄滑块机构,返回,20,双滑块机构,返回,21,(2)改变运动副的尺寸（偏心轮机构）,22,23,(3)选不同的构件为机架（情况1）,（导杆4作摆动）,（导杆4作转动）,24,摆动导杆机构,转动导杆机构,25,牛头刨床(摆动导杆机构),应用实例:,26,27,(3)选不同的构件为机架（情况二）,28,(3)选不同的构件为机架（情况三）,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,29,平面四杆机构具有周转副可能存在曲柄。,b(d a)+

6、 c,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,a+d b + c,c(d a)+ b,AB为最短杆, a+b c + d,83 有关平面四杆机构的一些基本知识,1.平面四杆机构有曲柄的条件,d- a,设ad,且连架杆a能整周回转，则必有两次与机架共线, a+ c b + d,若设ad，同理有： da, db, dc,AD为最短杆,将以上三式两两相加得： a b, ac, ad,30,（2）连架杆或机架之一(组成该周转副的两杆之一）为最 短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。,曲柄存在的条件：,（1）最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为周转副。

7、,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。,称为杆长条件。,31,曲柄摇杆机构运动特点的观察,特点：曲柄与连杆出现一次共线、一次重合,(avi),32,特点： 1. 摇杆与连杆均未出现重合(或共线)现象； 2. 固定铰链均为整周回转铰链；连杆上两活动铰链均为非整周回转铰链。,双曲柄机构运动特点的观察,(avi),33,34,（1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。 a：以最短杆的相邻杆为机架为曲柄摇杆机构 b：以最短杆为机架为双曲柄机构 c：以最短杆的相对杆为机架为双摇杆机构,分析说明（判断机构类型的步骤）,最短杆为连架杆,最短杆为机架,最

8、短杆为连杆,35,双曲柄,曲柄摇杆,双摇杆,铰链四杆运动链,36,37,（2）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。,38,例：判断图示两个铰链四杆机构的类型,解：对图(a)，有： 30 + 70 40 + 55 该机构为双摇杆机构。 对图(b)，有： 20 + 80 40 + 70， 且机架为最短杆的相邻杆， 该机构为曲柄摇杆机构。,39,例：若要求该机构为曲柄摇杆机构，问AB杆尺寸应为多少？,解：1.设AB为最短杆 即 LAB+11060+70,LAB20,2.设AB为最长杆 即 LAB+60110+70,110 LAB120,3.设AB为之间杆 即 11

9、0+60LAB+70,100LAB 110,所以AB杆的取值范围为：LAB 20，100LAB120,40,当主动曲柄等速转动时，作往复运动的从动件，在工作行程有较慢的平均速度，而在回程有较快的平均速度。这种运动性质称为急回运动。,2. 急回运动与行程速比系数,41,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位.,(1) 当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1 , 平均速度为V1 , 那么有：,180,此两处曲柄之间的所夹的锐角 称为极位夹角 摇杆之间的夹角称 为摆角 （C1DC2）,42,作者：潘存云教授,(2) 当曲柄以继续转

10、过180-时，摇杆从C2D位置摆到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 , 那么有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,急回特性：在曲柄等速回转的情况下，从动件往复运动速度并不相等，这种现象称为机构的急回特性。,B2,43,K为行程速比系数,2)且越大，K值越大，急回性质越明显。,说明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回运动。K的取值范围：1K3.,3)设计新机械时，往往先给定K值，于是:,44,急回作用的意义： 1.机构的急回作用，在机械中常被用来节省空回行程的时间，以提高劳动生产率。例如在牛头刨床中采用摆动导杆机构就有这种目的。急回作用有方向性，当原动件的回转方向改变，急回的

11、行程也跟着改变。故在牛头刨床等设备上都用明显的标志标出了原动件的正确回转方向。 2.对某些颚式破碎机，采用快进慢退。 3.有些设备正反行程均在工作，故无急回要求如：雷达天线俯仰转动时不应有急回现象,45, 对心式曲柄滑块机构,结论：对心式曲柄滑块机构无急回特性。, 偏置式曲柄滑块机构,结论：偏置式曲柄滑块机构有急回特性。,推广到曲柄滑块机构:,46,推广到导杆机构:,结论：有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即,47,3.压力角和传动角,(1)压力角(pressure angle)： 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- 50,切向分力: F= Fcos,法

12、向分力: F”= Fcos, F,对传动有利。,= Fsin (+ =90),(2)传动角(transmission angle) 可用的大小来表示机构传力性能的好坏。,(Vc),48,当BCD90时， BCD,(3)min出现的位置：,当BCD90时，,180- BCD,可以证明：此位置一定是：曲柄与机架两次共线位置之一。,当BCD最小或最大时， 都有可能出现min,(Vc),49,证明：由余弦定律有： (第一次共线) B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a),B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc),若B1C1D90,则,若B2C2D90,

13、 则,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共线),50,4.机构的死点位置,(1)定义 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.,称此位置为：,“死点”,0,0,0,51,2). 死点位置的确定 在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合时，机构处于死点位置。 曲柄摇杆机构中曲柄为主动件时,结论：无死点位置存在,52, 曲柄摇杆机构中摇杆为主动件时,结论：当a= 90(=0)时，即连杆与曲柄出现共线和重合时，机构出现死点位置。,53, 双曲柄机构和双摇杆机构,结论：双曲柄机构无论哪个曲柄做原动件，都无死点位置存

14、在；双摇杆机构无论哪个摇杆做原动件，都有死点位置存在；,(avi),54,55,机构是否出现死点的判断： 若原动件作往复运动，则一定会出现死点位置；其处于连杆与从动件共线和重合之处。,导杆机构（曲柄为主动件）,导杆机构（摇杆为主动件）,FB1,56,3)避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构;,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,57,钻孔夹具,飞机起落架,4)利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,58,极位与死点的异同： 相同点：都是机构中曲柄和连杆共线的 位置， 不同之处： 在于极点出现在曲柄为原动件时，而死点 出现在以摇杆为原动件，曲柄为从 动件时。,59,1. 在图示铰链四杆

15、机构中，各杆长度分别为,=28mm，,=52mm，,=50mm，,=72m (1) 若取,为机架，求该机构的极位夹角,，杆,的最大摆角,和最小传动角,(2) 若取,为机架，该机构将演化成何种类型的机构?为什么?请说明这时 C 、D,两个转动副是周转副还是摆转副?,60,61,62,63,64,54 平面四杆机构的设计,一、 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。,1. 基本问

16、题,65,飞机起落架,2. 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,66,2) 满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。即要求连杆能占据一系列的预定位置称为刚体导引问题(body guidance),要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,3) 满足预定的轨迹要求，即要求连杆上某点能实现预定的轨迹。如右图所示搅拌机。,搅拌机,67,3. 给定的设计条件：,1) 几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2) 运动条件（给定K）,3) 动力条件（给定min）,4. 设计方法：图解法、解析法、实验法,6

17、8,(1) 已知连杆位置及活动铰链找固定铰链 a. 分析,几何特点：活动铰链轨迹圆上任意两点连线的垂直平分线必过回转中心(固定铰链点),b. 设计,A点所在线,D点所在线,69, 已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置,B2,唯一解 已知连杆四位置,无解,70,2 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杆长为c，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;取l=c/CD,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。(C2AC1=),C2C1P=90,

18、交于P;,选定A，设曲柄为a ，连杆为b ，则:（为方便取l=1）,以A为圆心，AC2为半径作弧交AC1于E,得： a =EC1/ 2 b =AC1EC1/ 2,AC2=b-a,= a =(AC1-AC2)/ 2，b =(AC1+AC2)/ 2,AC1=a+b,说明：显然任取A点有无穷解，可由min等来限定；FG为劣弧段，A点应远离G（F）点。,71,(2) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。即求曲柄长a、连杆长b。,计算: 180(K-1)/(K+1);,作C1C2 H,作射线C2O使C1C2O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，AC2为半径作弧交AC1于E，得：（为方便取l=1） AC1=a+b AC2=b-a 从而得,作射线C1O使C2C1 O=90。,作偏距线e/C1C2 ，交圆弧于A，即为所求。(C2AC1=),a=EC1/ 2,b= AC1EC1/ 2,有唯一解。,72,(3) 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(