第三章-平面连杆机构

第三章平面连杆机构【知识目标】明确平面四杆机构的主要形式及其用途；了解铰链四杆机构的组成，掌握铰链四杆机构曲柄存在的条件，掌握铰链四杆机构类型的判别；了解平面四杆机构的工作特性及其运动设计；了解构件内力、应力、许用应力及应变等概念,了解低碳钢、铸铁拉压时的力学性质，掌握轴向拉伸和压缩的内力、应力、变形及强度计算。【能力目标】能判断平面四杆机构的基本类型；能根据所学知识，分析实际生产、生活中平面连杆机构的工作原理；能利用拉压强度条件解决简单工程结构的强度问题。请观察刮雨器是怎样工作的？钢料输送机【观察与思考】图示钢料输送机是怎样实现钢料输送的？汽车刮雨器机构一、平面连杆机构：若干个构件用低副联接而成的平面机构。二、平面连杆机构的特点1.优点（1）构件间为面接触,比压小、易润滑、磨损轻、寿命长（2）机构中运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度（3）能够实现多种运动形式的转换、各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹。（2）运动构件产生的惯性力难以平衡，高速时会引起较大的振动，因此常用于速度较低的场合2.缺点：（1）只能近似地满足给定的运动规律和轨迹，设计比较复杂平面连杆机构的用途：3.实现运动形式的转换。2.实现一定的动作。1.实现一定的轨迹。第一节平面四杆机构的类型及应用平面四杆机构：由四个构件组成的平面机构平面四杆机构含有移动副的四杆机构铰链四杆机构一、铰链四杆机构的基本形式1234ABCD连杆连架杆连架杆机架连杆连架杆曲柄摇杆(摆杆)机架铰链四杆机构组成：铰链四杆机构铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构铰链四杆机构中，固定不动的构件与机架相联的构件连接两连架杆且不与机架直接相连的构件只能在一定角度范围内往复摆动的连架杆能绕机架作整周转动的连架杆铰链四杆机构(全转动副)曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构根据两个连架杆能否成为曲柄1.曲柄摇杆机构两连架杆一为曲柄，一为摇杆(1)特点：既能将曲柄的整周转动变换为摇杆的往复摆动，又能将摇杆的往复摆动变换为曲柄的连续回转运动。(2)应用实例：（单击图片演示动作）雷达天线机构缝纫机等搅拌机钢料输送机汽车刮雨器机构2.双曲柄机构(1)特点：能将等角速度转动转变为周期性的变角速度转动。两连架杆均是曲柄(2)应用实例：（单击图片演示动作）惯性筛机构(3)双曲柄机构的特例特点：两曲柄转向相同且角速度相等，连杆作平动特点：两曲柄转向相反、角速度不相等应用实例：（单击图片演示动作）应用实例：（单击图片演示动作）机车车轮升降平台车门平行四边形机构：四杆中对边杆两两相等且相互平行反平行四边形机构：四杆中对边杆两两相等，但连杆与机架不平行3.双摇杆机构(1)特点：将主动摇杆的往复摆动经连杆转换为从动摇杆的往复摆动。也可将连杆的整周转动转换为两摇杆的往复摆动。(2)应用实例：（单击图片演示动作）两连架杆均是摇杆起重机车辆转向机构二、铰链四杆机构类型的判断（1）最短杆与最长杆的长度之和，小于或等于其余两杆长度之和；（2）连架杆和机架中必有一个是最短杆。铰链四杆机构的类型与机构中是否存在曲柄有关，因此研究铰链四杆机构的类型首先需研究存在曲柄的条件。1.铰链四杆机构存在曲柄的条件可以论证，铰链四杆机构存在曲柄的条件是：只有两条件同时满足时，该连架杆才成为曲柄。①铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和，则不论取何杆为机架时均无曲柄存在，而只能得双摇杆机构。2.铰链四杆机构类型的判断②铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和时，则取与最短杆相对的杆为机架时，得双摇杆机构,演示。取最短杆的相邻杆为机架时，得曲柄摇杆机构,演示；取最短杆为机架时，得双曲柄机构,演示；由此可知，（1）各杆长度保持不变，取铰链四杆机构中不同构件作机架，将成为不同类型的机构。演示（2）改变各杆长度，铰链四杆机构类型也将改变。判断演示三、含有移动副的四杆机构演化方法4.扩大回转副各种四杆机构，都是从铰链四杆演化而来的。了解四杆机构的演化，对机构分析和机构创新很有帮助。（一）四杆机构的演化1.变更机架2.改变各杆件长度3.用移动副取代回转副在上节已讨论1.用移动副取代回转副ABCRABCR曲柄滑块机构RABCD当曲柄AB绕轴A回转时，铰链C将沿圆弧往复运动将摇杆CD作成滑块形式，此时铰链四杆机构已演化为具有曲线导轨的曲柄滑块机构将曲线导轨半径增至无穷大，则铰链C及滑块的运动轨迹将变为直线，铰链四杆机构将演化成为曲柄滑块机构C点的运动轨迹未发生改变２这时杆1（销钉）看上去是一个“圆盘”，它与机架的转动中心仍在A处，杆1实际上成了一个偏心轮这种结构尺寸的演化并没有影响机构的运动性质杆2端部做成与圆盘配合的大套环，与杆1形成的转动副中心仍在圆盘几何中心Ｂ处滑块的工作行程(左右极限位置的距离)S=2r,要求S很小时，曲柄长度r也很小。要在很短的曲柄两端设计两个转动副，曲柄强度受到限制为此，将B铰处的小销钉的半径扩大扩大至超过曲柄长度r2.转动副的销钉扩大（二）含有一个移动副的平面四杆机构含有移动副的平面四杆机构曲柄滑块机构曲柄导杆机构曲柄摇块机构移动导杆机构1.曲柄滑块机构铰链四杆机构中，扩大转动副，使转动副变成移动副演化而成。根据滑块往复移动的导路中心线是否通过曲柄转动中心，曲柄滑块机构可分为：对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构(1)特点：可以实现转动和往复移动的变换。(2)应用实例：（单击图片演示动作）活塞式内燃机2.曲柄导杆机构导杆机构可以视为改变曲柄滑块机构中的机架演变而成。在图示的曲柄滑块机构中，如果把杆件2固定为机架，此时构件1起引导滑块移动的作用，称为导杆。构件3都作整周转动，成为曲柄。1234(a)曲柄滑块机构(c)摆动导杆机构23413124(b)转动导杆机构导杆若，导杆1作往复摆动，称为摆动导杆机构。23ll若，导杆1作整周运动，称为转动导杆机构23ll曲柄导杆机构应用实例插床机构（转动导杆机构）牛头刨床的机构（摆动导杆机构）取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当曲柄2为原动件转动时，滑块4绕机架3上的铰链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构或称为摆动滑块机构。3.曲柄摇块机构广泛应用于各种摆动式原动机和工作机中。1234(b)曲柄摇块机构（单击图片显示运动）应用实例：汽车车箱自动翻转卸料机构1234(a)曲柄滑块机构取曲柄滑块机构中的滑块4为机架而得到的。当曲柄2转动时，导杆1可在固定滑块4中往复移动，故该机构称为移动导杆机构（或定块机构）。4.移动导杆机构应用实例：1234(a)曲柄滑块机构1234(b)移动导杆机构手压抽水机第二节平面四杆机构的工作特性一、急回特性机构的急回特性：原动件作匀速转动，从动件作往复运动时，空回行程的速度比工作行程的速度大的特性。1.极位夹角θ：（以曲柄摇杆机构为例，运动演示）对应从动杆的两个极限位置,主动件两相应位置所夹锐角。2.分析：AB1AB2：AB的转角C点摆过弧长(C1C2)—工作行程C1C2时间t1C的平均速度tCCv1211AB2AB1：t2C2C1(C2C1)—回程tCCv2212∵曲柄作匀速转动tt2121t11t22∴1800118002∴t1t2v1v2取C1C2为工作行程，故回程速度大——急回特性C2C1为回程，3.行程速度变化系数指空程速度与工作行程速度的比值——急回强弱的度量，即：K=180+180-K值的大小反映了急回运动特性的显著程度。K值的大小取决于极位夹角，角越大，K值越大，急回运动特性越明显；反之，则愈不明显。当时，K=1，机构无急回特性。0180180002112121212tcctccvvk4.其它机构急回特性分析（１）对心曲柄滑块机构ABIC1B2C2，无急回特性0（2）偏置曲柄滑块机构θ≠0，有急回特性2341（3）摆动导杆机构θ≠0，有急回特性利用四杆机构的急回特性可节省空回行程的时间。如刨床的刨刀在切削时，为保证切削质量而速度较慢；回刀时刀具不切削，利用四杆机构的急回特性使速度快些，提高生产效率。11180KK若在设计机构时先给定K值，则:二、压力角与传动角costFFsinnFF压力角愈小（传动角愈大），有效分力Ｆt越大，机构的传力效果愈好。所以，可用压力角、传动角是衡量机构传力性能的标志。CvtFnFF压力角α：从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向所夹的锐角。传动角γ:压力角的余角。即连杆与从动件间所夹的锐角。min机构运转过程中，传动角是变化的，机构出现最小传动角的位置正好是传力效果最差的位置，也是检验其传力性能的关键位置。设计要求：50~40min运动演示有害分力有效分力曲柄摇杆机构，以曲柄为原动件时，其最小传动角发生在曲柄与机架两次共线位置之一。minABCD１.曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角min曲柄滑块机构，以曲柄为原动件时，最小传动角出现在曲柄与滑块导路垂直的位置，且在曲柄位于与偏距相反方向一侧时的位置。2.曲柄滑块机构的最小传动角曲柄滑块机构的最小传动角运动中，ΔBCD中，γ角随ＢＤ边变化而变化摆动导杆机构的最小传动角摆动导杆机构，曲柄为原动件时，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90º，这说明导杆机构具有很好的传动性能。3.摆动导杆机构的最小传动角F,vCγ=900三、死点0连杆与从动件共线的位置，即传动角（即）的位置称为死点位置。90机构处于死点位置，从动件会出现卡死（机构自锁）或运动方向不确定的现象。措施和应用２.夹紧、压紧机构：利用死点位置。１.传动机构：消除死点位置的停顿和运动不确定的现象。（１）利用惯性：安装质量较大的轮（２）组合机构措施：缝纫机机车联动机构夹紧机构飞机起落架第三节平面四杆机构运动设计简介平面四杆机构的运动设计：根据给定的设计条件（运动条件、几何条件等），确定机构有关的尺寸参数和各构件的相对位置，而不涉及构件的具体结构。设计方法：图解法、实验法和解析法一、按连杆的给定位置设计四杆机构1.按给定连杆两个位置及连杆长度设计平面四杆机构要求：炉门BC能位于图示关闭（B1C1）和开启（B2C2）两位置加热炉门四杆机构步骤：（1）选取适当的长度比例尺，画出连杆BC（炉门）的两个已知位置B1C1、B2C2。（2）连接B1B2、C1C2，分别作B1B2、C1C2的中垂线b12、c12，则A点、D点应分别在b12和c12上，且有无穷多解。（3）根据实际情况提出的附加条件来确定A、D两点的位置若设计的附加要求为希望A、D两铰链均安装在炉的正壁面上即图中yy位置,则yy直线分别与b12、c12相交点A和D即为所求。（4）按比例尺算出各杆件的真实长度lABABl1lCDDCl12.按给定连杆三个位置及连杆长度设计平面四杆机构解题思路和方法与前一种问题基本相同，但由于有三个确定位置，所以一般情况下，、位置就是两中垂线交点，因而有确定解二、按给定行程速度变化系数K设计四杆机构问题的实质：确定曲柄回转中心A的位置分析：摇杆的两极限位置为C1D和C2D，设所求曲柄回转中心位置为A点，AC1、AC2则为曲柄和连杆两次共线的位置，显然为其极位夹角。若过C1、C2以及曲柄回转中心A作一辅助圆L，则该圆周L（角及其对顶角所对的两段圆弧除外）上任意一点，均能满足给定的行程速度变化系数的要求，此时亦有无穷多个解。21ACC设计步骤：（1）计算极位夹角得两直线C1O与C2O的交点O以为O圆心，C1O为半径作辅助圆L在该圆周上允许范围内任选一点A，连接AC1，AC2，则11180KK（2）作摇杆的两极限位置C1D和C2D901221OCCOCC（3）连接C1C2，作21ACC由于A点是任选的，所以可得无穷多解当附加某些辅助条件，即可确