华北理工机械原理课件第5章 连杆机构设计

第五章平面连杆机构及其设计§5-1平面连杆机构的应用及传动特点§5-2平面四杆机构的类型和应用§5-3平面四杆机构的一些共性问题§5-4平面四杆机构的设计1）低副便于加工、润滑；构件间压强小、磨损小、承载能力大、寿长；2）连杆机构型式多样，可实现转动、移动、摆动、平面复合运动等运动形式间的转换。如：锻压机肘杆机构，单侧曲线槽导杆机构，汽车空气泵，可变行程滑块机构，等。一、平面连杆机构的优点和应用平面连杆机构:各构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）.例如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。曲柄滑块机构摆动导杆机构常见平面连杆机构：铰链四杆机构（雷达天线，飞剪，搅拌机）锻压机肘杆机构单侧曲线槽导杆机构汽车空气泵可变行程滑块机构3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘机等。4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构，鹤式起重机等。搅拌机构鹤式起重机挖掘机二、平面连杆机构的缺点1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。2）多杆机构设计复杂，效率低。3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。本章介绍四杆机构的分析和设计。六杆机构及六杆机构的实际应用一、铰链四杆机构的基本型式和应用铰链四杆机构：全部用回转副联接而成的四杆机构。连架杆——与机架相联的构件；周转副——组成转动副的两个构件作整周相对转动的转动副；连杆2——不与机架直接相连的构件。常作平面复合运动；曲柄1——作整周定轴回转的构件；摇杆3——作定轴摆动的构件；转动副摆转副（C、D）周转副（A、B）铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。1.曲柄摇杆机构铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。实现转动和摆动的转换。雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构（摇杆为原动件）（曲柄为原动件）应用（动画演示）：雷达天线俯仰角调整机构，飞剪机构，搅拌机构，摄影机抓片机构、缝纫机踏板机构等。2.双曲柄机构两连架杆都能整周回转，故为双曲柄机构。应用（实例动画演示）：惯性筛机构，摄影机平台升降机构，车门启闭机构等。惯性筛机构不等长双曲柄机构平行四边形机构存在运动不确定位置。可采用两组机构错开排列的方法予以克服，如机车联动机构。机车车轮联动机构摄影平台升降机构特例：平行四边形机构特例：反平行四边形机构反平行四边形机构车门启闭机构3.双摇杆机构两连架杆都不能整周回转，故为双摇杆机构。两摇杆等长时，称为等腰梯形机构。应用（动画演示）：飞机起落架，鹤式起重机，汽车前轮转向机构，电风扇摇头机构等。鹤式起重机特例：等腰梯形机构汽车前轮转向机构运动偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构正弦机构↓∞二、铰链四杆机构的演化机构和应用1.改变构件的形式和运动尺寸演化为单滑块机构或双滑块机构演化途径：改变构件的形式和尺寸、改变运动副的尺寸、改变机架等2.改变运动副的尺寸演化为偏心轮机构和内置偏心轮机构ADCB2143ADCB12344A1B2D3C曲柄摇杆机构演化为偏心轮机构偏心轮机构扩大转动副扩大移动副内置偏心轮机构曲柄滑块机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构3.选择不同的构件作机架（机构的倒置）1）曲柄摇杆机构的倒置2）曲柄滑块机构的倒置及应用曲柄滑块机构转动（摆动）导杆机构曲柄摇块机构移动导杆机构牛头刨床的摆动导杆机构小型刨床的转动导杆机构液压泵（曲柄摇块机构）唧筒（移动导杆）3）双滑块机构的倒置滑块为机架——正弦机构连杆为机架——双转块机构导路为机架——双滑块机构椭圆仪压缩机十字滑块联轴器4.运动副元素的逆换5.演化机构及现场应用摆动导杆机构曲柄摇块机构一、四杆机构存在曲柄的条件1）最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和；（杆长条件）2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。2.铰链四杆机构存在曲柄的条件2）最短杆为连架杆或机架。1.周转副存在的条件（以曲柄摇杆机构为例，周转副的存在条件是曲柄摇杆机构存在曲柄的必要条件，与机构的几何尺寸有关，亦称作杆长条件）1）各杆长度应满足杆长条件；结论：如果各杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，此时不论以何杆为机架，机构均为双摇杆机构。若铰链四杆机构各杆长度满足杆长条件，当最短杆为连架杆时，则机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则机构为双曲柄机构；当最短杆的相对杆为机架时，机构为双摇杆机构。3.铰链四杆机构类型的判别1）各杆长度满足杆长条件（存在两个周转副）2）各杆长度不满足杆长条件4.曲柄滑块机构存在曲柄的条件根据曲柄摇杆机构的演化过程及曲柄摇杆机构曲柄存在的条件，机架为无穷大+偏距e，则有：①a＋e≤b；②a为最短杆。若偏距=0，则得对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：①a≤b；②a为最短杆。偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：ab解：ABCD若为曲柄摇杆机构，则AB必为最短杆，由杆长条件得lAB+lBC≤lCD+lAD所以，lAB≤lCD＋lAD－lBC=(35＋30－50)mm=15mm即lAB≤15mm时，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。例5-1图示铰链四杆机构，lBC=50mm，lCD=35mm，lAD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构，试讨论lAB的取值范围。二、急回运动1.摇杆的极位、摆角主动曲柄与连杆两次共线时，从动件所处的位置为从动件的极限位置。（C1D、C2D）从动件两极位间的夹角称为摇杆的摆角。2.极位夹角从动件位于两极限位置时，主动曲柄相应一个位置与另一位置反向延长线间的夹角，称为极位夹角θ。原动件匀速转动时，从动件往返的平均速度不同。以曲柄摇杆机构为例。从动件空回行程平均速度与工作行程平均速度的比值称为行程速比系数，用K表示：（2）当0°时，K1，机构有急回运动。因此（1）当=0°时，K=1，机构无急回运动。3.曲柄摇杆机构的行程速比系数K4.偏置曲柄滑块机构急回运动分析5.曲柄摆动导杆机构急回运动分析θ0，有急回特性曲柄摆动导杆机构有急回运动，且θ=θ=0，无急回特性三、机构运动的连续性曲柄摇杆机构运动的连续性分析从动件不能在两个不连通的可行域内连续运动，这种运动的不连续一般称为错位不连续。从动件不能违反运动顺序，否则称为错序不连续。四、压力角和传动角不计重力、惯性力和摩擦力时，机构输出件所受驱动力的方向与输出构件上受力点的绝对速度方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用表示。压力角的余角称为传动角，用表示。即+=90˚。有效分力有害分力压力角越小（传动角越大），机构传力性能越好，min要求大于等于许用值，即：FFnvFtcosFFtsinFFnFABCDmin≥[],[]常取40°当∠BCD≤90°时，＝∠BCD当∠BCD＞90°时，＝180°-∠BCD（传动角为锐角）1.定义2.min出现的位置判定1）曲柄摇杆机构min出现的位置当BCD为钝角时，min＝min(B1C1D,180°-B2C2D）；当BD最长或最短时，即主动曲柄与机架共线的位置之一，出现min，即当BCD为锐角时，min＝min(B1C1D,B2C2D)结论：对于曲柄摇杆机构，γmin出现在曲柄与机架共线的两位置之一。2）偏置曲柄滑块机构——最小传动角出现在曲柄与导路垂直的两个位置之一。（图5-20）为什么？过程自己推导。图5-20曲柄摇杆机构处于曲柄和连杆共线的两个位置时，若以摇杆为原动件，则摇杆通过连杆传给曲柄的力通过曲柄的回转中心，不能运动，处于死点位置，此时=0°，=90°。五.死点1.死点位置:曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、导杆机构a）机构顶死，不能运动。b）运动不确定。2.死点位置的危害机构的压力角为90（传动角为0）的位置。C1C2DPAB1B24.利用“死点”位置进行工作3.克服“死点”位置的方法1）依靠惯性力、外力等借惯性作用使机构闯过死点。（如缝纫机踏板机构5-25、工件夹紧装置5-27等）。2）相同机构错开排列，如内燃机。图5-27图5-25例如：飞机起落架收放装置、工件夹紧（5-27）等。“自由度F小于等于零”表明该运动链不是机构，而是一个各构件间根本无相对运动的桁架。5.死点、自锁和自由度F小于等于零辨析以上三种情况机构都不能动，但死点、自锁是从力的角度分析机构的运动情况，而自由度是从机构组成的角度分析机构的运动情况。“死点”是在不计摩擦的情况下机构所处的有效驱动力为零的特殊位置。借助惯性或其它方法，机构可以通过死点位置而正常运动。“自锁”是指由于摩擦的原因，机构有效驱动力总是小于等于其摩擦力，使得机构无法运动的现象。这种机构的自由度大于零。一、平面连杆机构设计的基本问题与方法▲方案设计——根据给定的运动要求选择确定机构的类型（型综合）。▲尺度综合——确定各构件的尺寸，一般还要同时满足其他辅助条件。a)结构条件（要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;b)动力学条件（如γmin）;c)运动连续性条件等。▲画出机构运动简图1.平面连杆机构设计的任务1）实现构件预定位置的设计也称作刚体导引问题。要求机构中的某个构件能占据一些有序的预定位置。2.平面连杆机构设计的基本问题平面四杆机构的设计要求：连杆BC震实时位于B1C1，起模时位于B2C2位置。例2小型电炉炉门的开闭机构例1.造型机翻转机构a)实现主、从动件的角位移或线位移之间给定的关系，如要求两连架杆的转角满足预定的对应关系，如下图流量计；平面四杆机构的设计2）实现预定运动规律的设计也称为函数生成问题流量计指示机构b)实现给定的行程速比系数K等运动规律。3）实现预定轨迹的设计也称为轨迹生成问题。搅拌机构平面四杆机构的设计通常要求连杆上某点能精确或近似的通过若干给定的点。如搅拌机构，就要根据E点的轨迹要求来设计四杆机构。二、平面四杆机构的设计（一）按给定的行程速比系数K设计四杆机构1）曲柄摇杆机构已知：摇杆长度，摆角，行程速比系数，设计该曲柄摇杆机构。平面四杆机构的设计Ø求出铰链A的位置，依据C1AC2=。1.图解法设计分析：Ø求AB、BC的长度AC2=AB+BCAC1=BC-AB设计步骤如下：综上整理设计过程：①计算θ＝180°(K-1)/(K+1);②取比例尺L，任取一点D，作腰长为CD的等腰三角形，顶角为ψ;③作C1F⊥C1C2，作C2F使∠C1C2F=（90-θ）,两线交于F;④作△FC1C2的外接圆，A点必在此圆上。⑤选定A，设曲柄为a，连杆为b，以A为圆心，AC1为半径作弧交AC2于E,得：2)偏置曲柄滑块机构设计方法已知K，滑块行程H，偏距e，设计该偏置曲柄滑块机构。①计算θ＝180°(K-1)/(K+1)；②作C1C2＝H；③作射线C2M，使∠C1C2M=90°－θ，④以C2P为直径作圆；⑥以A为圆心，AC1为半径作弧交于E,得出a和b：作射线C1N垂直于C1C2，⑤作与C1C2平行且偏距为e的直线，交圆于A或A，即为所求。两条射线交于P点；设计步骤：平面四杆机构的设计3）曲柄摆动导杆机构已知机构的行程速比系数K，机架长lAD，设计该导杆机构。①计算极位夹角；②作机架AD,过D点作与AD的夹角为θ/2的直线DM；③过A点作AC2垂直DM，得曲柄AC的长。设计步骤：2sin22cos1cos12222122cCCba2sin2sin24cos2221221bacabcbaCCabCC2．解析法设计具有急回特性的曲柄摇杆机构已知曲柄摇杆机构的摇杆长lCD=c和其摆角，行程速比系数K，曲柄的长度a。求：连杆长b和机架长d。解：根据余弦定理，连杆长b满足cos222baccbad290又若已知最小传动角，则d为min222cos2bccbad平面四杆机构的设计3.按给定连杆的位置设计四杆机构ABCD固定铰链A、D：活动铰链B、C：圆心圆或圆