机械设计原理-连杆机构

第四章连杆机构连杆机构：由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。平面连杆机构：所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构。空间连杆机构：所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构。由于平面连杆机构不仅应用广泛，而且还往往是多杆机构的基础；所以这里重点介绍平面连杆机构.4.1平面连杆机构的类型4.1.1平面四杆机构的基本型式全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构连杆连架杆机架视频:2平面四杆机构的基本型式曲柄——作整周运动的构件摇杆——作摆动的构件。铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为：○曲柄摇杆机构（视频1）○双曲柄机构（视频2）○双摇杆机构（视频3）铰链四杆机构的三种基本型式曲柄摇杆机构：指两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。惯性筛双曲柄机构：指两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构。若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。双摇杆机构：指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构。4.1.2平面四杆机构的演化由四杆机构的基本型式通过演化可以得到其它多种结构型式。常用的演化方法有1、转动副变移动副曲柄摇杆机构→曲柄滑块机构→双滑块机构视频11曲柄摇杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构①曲柄滑块机构导杆机构摇块机构定块机构(直动滑杆机构)②3.变换构件形态两个移动副的四杆机构①若选择构件2或4为机架时，就是正弦机构；②若改取构件3为机架,则为双滑块机构;③当取构件1为机架时，便演化为双转块机构。视频134扩大移动副的尺寸曲柄摇杆机构偏心盘机构（视频8）機械原理視頻连杆（1-2）.avi4.2平面连杆机构的工作特性平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力的传递和变换功能，前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。了解了这些特征，对于正确选择连杆机构的类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。4.2.1运动特性1.转动副为整转副的条件-----铰链四杆机构有曲柄的条件AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3在ΔB1C1D中，根据三角形任意两边之差必小于等于第三边，可得：)1(14321423llllllll)2(34212431llllllll移项可得：AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3在ΔB2C2D中，根据三角形任意两边之和必大于等于第三边，可得：)3(3241llll)4(413121llllll以上三式两两相加并化简可得：铰链四杆机构曲柄存在条件：1、曲柄为最短杆；2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3)2(34212431llllllll满足上述条件时，取不同的构件为机架时，可得三种不同性质的铰链四杆机构取最短杆的邻杆为机架－－－曲柄摇杆机构取最短杆的对杆为机架－－－双摇杆机构取最短杆为机架－－－双曲柄机构图10“最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件长度之和”是必要条件，如果不满足此条件，无论取那个构件作为机架，都不存在曲柄。2.急回运动特性在曲柄等速回转情况下，由于α1=180°+θ，α2=180°-θ，所以t1t2,摇杆往复摆动的平均速度为V2V1.把摇杆的这种往复摆动快慢不同的运动称为急回运动。急回运动的程度可以用行程速比系数K来衡量：AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3θψφ2φ1行程速比系数11180180180//212112122112kktttcctccvvk＝或：－结论：当θ≠0时，机构具有急回运动特性，θ角愈大，K值愈大，急回运动特性愈显著。3.运动连续性1、运动连续性：当主动件连续运动时，从动件也能连续占据预定的各个位置，称为机构具有运动的连续性。在不计重力、摩擦力、惯性力的条件下，机构中输出件所受主动力的方向线与该受力点的绝对速度方向线所夹的锐角。压力角的余角，γ=900-α。1、压力角α2、传动角γminFF1F21ABCD1234Vα越小，γ越大，则机构传力性能越好。4.2.2传力特性常用传动角的大小和变化来衡量机构传力性能的好坏。设计时通常要求γmin≥40°，对于高速和大功率的传动机械，γmin≥50°。最小传动角的确定F1vcDF1CABF21234abcdcos2222addaBDBCDbccbBDcos2222bcaddacbBCD2cos2cos22221则图示铰链四杆机构中，原动件为AB。各杆长度为：a、b、c、d。由图可见，γ与机构的∠BCD有关。在ΔABD和ΔBCD中，由余弦定理得：1）当∠BCD900时，γ=∠BCD，则γmin=∠BCDmin，由公式可知，当φ=00时，有∠BCDmin。即曲柄与机架重合共线时，机构将出现最小值。F1vcDF1CABF21234abcdfbcaddacbBCD2cos2cos22221C1DA视频12）当∠BCD900时，γ=1800-∠BCD，则γmin=1800-∠BCDmax，由公式可知，当φ=1800时，有∠BCDmax。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现最大值。4vcABCD1F123bcaddacbBCD2cos2cos22221DAC2maxB2视频1机构的死点位置1．死点图示曲柄摇杆机构，摇杆CD为主动件，当机构处于连杆与从动曲柄共线的两个位置时，出现了传动角γ＝o。的情况。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，所以不能使构件AB转动而出现“顶死”现象。机构的此种位置称为死点。在下图所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当连杆与曲柄共线，机构的传动角为零，机构此位置就称为死点。而对于图示的曲柄滑块机构，当以滑块为主动件，机构也处于死点位置。机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。2.死点的利用：B2AB1C1DC2地面飞机起落架机构若以夹紧、增力等为目的，则机构的死点位置可以加以利用。图6－1对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施使其顺利通过。3.死点的克服措施：加装飞轮，增大惯性；安装辅助连杆；几组机构错位安装。vBB2C2踏板缝纫机主运动机构脚AB1C1DFB蒸汽机车车轮联动机构，由两组曲柄滑块机构组成，曲柄位置错开90度，使死点位置错开（图9）。機械原理視頻连杆（3-5）.avi4.3平面连杆机构的特点及功能1)连杆机构中的运动副一般均为低副（正因为如此，所以又把连杆机构称为低副机构），低副两元素为面接触，故在传递同样载荷的条件下，两元素间的压强较小，可以承受较大的载荷。低副两元素间便于润滑，故两元素不易产生大的磨损。这些条件都能较好的满足重型机械的要求。此外，低副两元素的几何形状也比较简单，便于加工制造。2）构件运动形式具有多样性；3)在连杆机构中，当原动件以同样的运动规律运动时，如果改变各构件的相对长度关系，便可是从动件得到不同的运动规律4.3.1平面连杆机构的特点4)在连杆机构中，连杆上个不同点的轨迹是各种不同形状的曲线（特称为连杆曲线），而且随着各构件相对长度关系的改变，这些连杆曲线的形状也将改变，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。此外，连杆机构还可以很方便地用来达到增力，扩大行程和实现较远距离的传动的目的。由于连杆机构由上述优点，所实在各种机械和仪表中得到了广泛的应用。连杆机构缺点1)由于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递，因而连杆机构一般具有较长的运动链（即较多的构件和较多的运动副），所以各构件的尺寸误差和运动副中的间隙将使连杆机构产生较大的积累误差，同时也会使机械效率降低。2)在连杆机构的运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，他们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构一般不易于高速传动。4.3.2平面连杆机构的功能1.实现有轨迹位置或运动规律要求的运动2.实现从动件运动形式及运动特性的改变3.实现较远距离的传动4.调节、扩大从动件的行程5.获得较大的机械增益4.4平面连杆机构的运动分析机构的运动分析:机构的运动分析就是根据原动件的已知运动规律,来确定其它构件或构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数。机构运动分析的目的：1、通过机构的位移分析，可以确定机构运动所需的空间或某些构件及构件上某些点能否实现预定的位置或轨迹，并可判断它们在运动中是否发生干涉；2、通过速度和加速度分析，了解从动件的运动变化规律能否满足工作要求，并可据此对机构进行动力学分析。4.4.1瞬心法及其应用1、速度瞬心瞬时速度中心(瞬心):互相作平面相对运动的两构件,在任一瞬时都可以认为它们是绕某点做相对转动，称该点为瞬心。2、瞬心表示方法：用P加下标表示。图示构件1和2的瞬心为P12或P212.机构中瞬心的数目N=n(n-1)/23.机构中瞬心位置的确定1、通过运动副直接相联的两构件的瞬心(1)以转动副联接的两构件,其转动中心即为瞬心(2)以移动副联接的两构件,其瞬心在垂直导路方向的无究远处,所示。(3)以平面高副联接的两构件,若高副元素之间为纯滚动时,则两元素的接触点即为两构件的瞬心所示；(4)若高副元素之间既滚动又滑动,则瞬心在高副接触点处的公法线上，具体位置要由其它条件来确定所示。三心定理:三个彼此作平面平行运动的构件共有三个瞬心,而且必定位于同一直线上。瞬心在速度分析中的应用2/4=P14P24/P12P244.4.2杆组法及其应用结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架和若干个基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的级别。机构结构分析的步骤是：(1)计算机构的自由度并确定原动件。(2)拆杆组。4.5.1平面连杆机构设计的基本问题问题一：刚体导引机构设计引导一个刚体实现一系列给定位置4.5平面连杆机构设计满足预定的连杆位置要求问题二：函数生成机构设计主、从动连架杆运动规律具有给定的函数关系满足预定的运动规律要求问题三：轨迹生成机构设计机构中某点可以实现预期的运动轨迹满足预定的轨迹要求图解法解析法实验法平面连杆机构设计方法：4.5.2刚体导引机构的设计要求：设计四杆机构，使得连杆通过I、II、III三个位置第1步：选定B、C点位置第2步：找A、D点位置刚体导引机构的设计第3步：联接A、B1、C1、D，获得四杆机构三点唯一确定一个圆，B、C确定后，A、D是确定的；已知固定铰链点A、D，设计四杆机构，使得两个连架杆可以实现三组对应关系函数生成机构刚体导引机构？4.5.3函数生成机构的设计刚化反转法以CD杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当于把以AD为机架时观察到的ABCD的位置刚化，以D轴为中心转过得到的。21低副可逆性；机构在某一瞬时，各构件相对位置固定不变，相当于一个刚体，其形状不会随着参考坐标系不同而改变。函数生成机构的设计第1步：选B点，以I位置为参考位置，DF1为机架第2步：用刚化反转法求出B2、B3的转位点第3步：做中垂线，找C1点第4步：联接AB1C1D函数生成机构设计——解析法已知行程速比系数K，以及从动件两个极限位置，设计四杆机构4.5.4急回机构的设计4.5.5轨迹生成机构的设计设计一个四杆机构，使得机构上M点实现给定轨迹轨迹生成机构的设计——解析法M（x，y）a,c,d,e,f,g,h,0连杆机构自由度少、约束多设计灵活度受到限制减少约束增加自由度轨迹生成机构的设计——实验法连杆曲线（定义）：四杆机构运动时，连杆作为平面复杂运动，对其上面任意一点都能描绘出一条封闭曲线，这种曲线称为连杆曲线。原理：连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和构件的相对长度的不同而不同。方法与步骤：借用已编成册的连杆曲线图谱，根据预定运动轨迹从图谱中选则形状相近的曲线，同时查得机构各杆尺寸及描述杆在连杆上的位置，再用缩放仪求出图谱曲线与所需轨迹曲线的缩放倍数，即可求得四杆机构的结构及运动尺寸。平面连杆机构设计小结一、刚体