机械设计基础平面连杆机构

信息管理与信息系统-工业工程FundamentalsofMachineDesign第3章平面连杆机构预热：什么是平面连杆机构？特点及研究内容是什么？定义:全由低副（转动副、移动副）构成的平面机构称为平面连杆机构特点：面接触，承载能力强，耐磨损；易于制造和获得较高的制造精度；能实现多种运动规律。缺点：效率低；累计运动误差较大；高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。内容：类型、应用及其特性，平面四杆机构的设计平面四杆机构的类型及其应用3.1铰链四杆机构的传动特性3.3铰链四杆机构的演化3.4铰链四杆机构曲柄存在条件3.2内容平面四杆机构的设计3.53.1平面四杆机构的类型及其应用一、基本概念1、铰链四杆机构：全部用转动副相连的平面四杆机构。它是平面四杆机构的基本型式，其它型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。2、机架：机构的固定构件，如杆4。3、连杆：不直接与机架连接的构件，如杆2。4、连架杆：与机架用转动副相连接的构件，如杆1、3。连架杆可分为：5、曲柄：能绕机架作整周转动的连架杆，如杆1；6、摇杆：只能绕机架作小于360°的某一角度摆动的连架杆，如3。2314二、铰链四杆机构的基本形式在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动，可将铰链四杆机构分为：铰链四杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构1.曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。曲柄1为主动件时，可以实现由曲柄1的整周回转运动到摇杆3往复摆动的运动转换。摇杆3为主动件时，则可以将摇杆3的摆动转换为曲柄1的整周回转运动。①雷达天线俯仰机构②缝纫机的踏板机构③搅拌器中搅拌机构应用举例雷达天线俯仰机构(回转运动→摆动)缝纫机踏板机构(摆动→回转运动)搅拌器中搅拌机构(实现所需运动轨迹)2.双曲柄机构2.双曲柄机构当主动曲柄作匀速转动时,从动曲柄作周期性的变速运动,以满足机器的工作要求。①惯性筛②机车驱动轮联动机构③摄影车座斗升降机构应用举例DABC3412两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。惯性筛惯性筛特例平行双曲柄机构：双曲柄机构中，组成四边形的对边长度分别相等，。当两曲柄转向相同时，它们的角速度时时相等，连杆始终与机架平行，四根杆形成一平行四边形，可得到正平行四边形机构。另：反平行四边形机构。ADBCCDAB,正平行四边形机构蒸汽机车的车轮联动机构反平行四边形机构车门启闭机构机车驱动轮联动机构摄影车座斗升降机构3.双摇杆机构3.双摇杆机构①港口起重机②飞机起落架③可逆式座椅④电风扇摇头机构⑤轮式车辆转向机构应用举例两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。DABC3412港口起重机港口起重机港口起重机飞机起落架飞机起落架飞机起落架可逆式座椅轮式车辆转向机构（等腰梯形机构）三、铰链四杆机构类型的判别♣若最短构件为连架杆，则该机构一定是曲柄摇杆机构。♣若最短构件为机架，则该机构一定是双曲柄机构。♣若最短构件为连杆，则该机构一定是双摇杆机构。在中①②在中整理得③dacaba将式①、②、③中的三个不等式两两相加，化简后得④④DCB11DCB22bdcadcbabadccadbcbda)()(3.2铰链四杆机构曲柄存在条件若不满足①？该机构只能是双摇杆机构。曲柄存在条件：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连架杆与机架中必有一杆为最短杆。双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构cbda以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架NYdcba、、、判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长其余三杆长度之和。推论：①如果四杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，此时不论取哪个构件为机架，机构均为双摇杆机构；②如果四个构件的长度满足杆长之和条件，则最短杆所联接的两个转动副均为整转副，另两个转动副均为摆动副。此时若取最短杆为机架，则得双曲柄机构；而取最短杆的任一相邻杆为机架，则得曲柄摇杆机构；又若取最短杆的相对杆为机架，则得双摇杆机构。③如果四杆中有两个构件长度相等且均为最短，若另两杆长度不相等，则不存在整转副；若两杆长度也相等，则两最短杆相邻时，有三个整转副，当两最短杆相对时，有四个整转副。取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构1.根据图中注明的尺寸判断各铰链四杆机构的类型计算实例双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构3.3铰链四杆机构的传动特性一、急回特性和行程速比系数如图所示曲柄摇杆机构，原动件曲柄1在转动一周的过程中，有两次与连杆2共线（即AB1C1，AB2C2）；此时摇杆3分别处于C1D和C2D两个极限位置，摇杆在两个极限位置间的夹角ψ称为摇杆的最大摆角；曲柄与连杆两共线位置间所夹的锐角θ，称为极位夹角。摆角θψC1C2DAB1B2B1C2∵12,∴t1t2,⌒v2=C1C2/t21=180°+θ,⌒v1=C1C2/t1曲柄转角2=180°-θC1C2C2C1铰链C的平均速度：v1v2表明摇杆具有急回运动特性。慢行程快行程=K=v2/v1（C2C1/t2）/（C1C2/t1）t1/t21/2（180°+θ）/（180°-θ）===曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用V2和V1的比值K来衡量，称为行程速比系数。oo180180K11180oKKθ↑，↑，急回程度↑。θ=0时，=1时，机构无急回运动。KK若在设计机构时先给定K值，则:在生产实际中，常利用机构的急回运动来缩短非生产时间，提高生产率，如牛头刨床、往复式运输机等。二、压力角和传动角costFFsinnFF压力角愈小，机构的传力效果愈好。所以，衡量机构传力性能，可用压力角作为标志。CvtFnFF压力角：从动件受力方向与受力点线速度方向之间所夹的锐角。传动角:压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。,Ft在连杆机构中，为度量方便，常用压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角(传动角)检验机构的传力性能。min传动角愈大，机构的传力性能愈好，反之则不利于机构中力的传递。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。CvtFnFF设计要求：在△ABD和△BCD中，分别有cos2cos2222222bccbladdalBDBD式中，。BCD联立求解得bcaddacb2cos2cos2222。有最小值（或最大值）），（或－）时，（或11cos1800oo如何确定铰链四杆机构的最小传动角？min可能发生在主动曲柄与机架两次共线（AB′，AB″）的位置之一处，即处。）（或oo1800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ABCD三、死点位置死点的概念在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，当连杆与从动曲柄共线时，机构的传动角γ＝0°，此时主动件CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件AB转动的顶死现象，机构的这种位置称为死点位置或死点。BDACFDABCF死点的缺陷对于传动机构，存在死点位置是一个缺陷，常采用下列措施使机构顺利通过死点位置：①利用系统的惯性；②利用特殊机构。利用惯性利用机构错位排列死点死点的利用在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、飞机起落架等。具夹速快飞机起落架3.4铰链四杆机构的演化通过用移动副取代转动副、变更杆件长度，变更机架和扩大转动副等途径，可得到铰链四杆机构的其它演化形式。曲柄滑块机构：改变构件的形状和运动副导杆机构：选用不同的构件为机架摇块机构和定块机构：选用不同的构件为机架双滑块机构：改变构件的形状和运动副偏心轮机构：扩大转动副一、曲柄滑块机构摇杆长转动副Dββ→∞→直线→滑块摇杆3→移动副改变构件的形状和运动尺寸运动特性运动特性运动特性运动特性运动特性运动特性运动特性对心曲柄滑块机构e—称为偏距e≠0，偏置曲柄滑块机构e=0，对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构运动特性实例实例曲柄滑块演化杆4称为导杆4滑块3沿导杆移动并绕C点转动当l1≤l2，杆2、杆4能作整周转动，称为转动导杆机构。二、导杆机构当l1l2，杆2能作整周转动，杆4只能往复摆动，称为摆动导杆机构。选用不同的构件为机架运动特性运动特性运动特性运动特性运动特性实例实例三、摇块机构和定块机构摆动滑块机构自卸卡车车箱的举升机构选用不同的构件为机架运动特性实例实例固定滑块机构或定块机构ACB4321ACB4321手动抽水机实例四、双滑块机构4HACD321Hф4l1ABD321ф双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构。正切机构正弦机构改变构件的形状和运动副4AD321实例五、偏心轮机构杆1变为圆盘，其几何中心为B，运动时，圆盘绕偏心A转动，故称为偏心轮。A、B之间的距离称为偏心距e，即为曲柄的长度。扩大转动副B的半径使之超过曲柄的长度23411234扩大转动副（a）等效曲柄滑块机构（b）曲柄滑块机构（c）等效曲柄摇杆机构（d)曲柄摇杆机构(a)曲柄滑块机构;(b)转动导杆机构;（c)摆动导杆滑块机构(摇块机构）;(d)移动导杆机构（定块机构）3.5平面四杆机构的设计设计目标根据给定的几何条件、运动条件，确定机构的运动尺寸。①按给定的行程速比系数设计四杆机构；②按给定的连杆位置设计四杆机构。设计方法图解法、实验法和解析法等。曲柄摇杆机构设计具有急回特性的四杆机构，关键是要抓住机构处于极限位置时的几何关系，必要时还应考虑其他辅助条件。已知条件：行程速比系数K、摇杆的长度lCD和摇杆的摆角Ψ一、按给定的行程速比系数设计四杆机构计算步骤1）计算极位夹角2）任选固定铰D的位置，并作出摇杆两极限位置C1D和C2D，夹角为ψ。3）连接C1C2，作∠C1C2O=∠C2C1O=90˚-θ，得交点O，以O为圆心，OC1为半径作圆。4）在圆上任取一点A为固定铰。5）连接AC1、AC2，则AC1、AC2分别为曲柄与连杆重迭拉直共线位置，即：AC1=BC-ABAC2=BC+AB可分别求得AB与BC11180oKKDC2C190-AB1B2O90-计算步骤计算实例已知摇杆长度L=100，摆角ψ=50°和行程速比系数k=1.4，试设计曲柄摇杆机构。解：由给定的行程速比系数求出极位夹角:11180KK=304lDC2C190-A以A为圆心，AC1为半径作圆弧交AC2与E，平分EC2得曲柄长度lAB。再以A为圆心，lAB为半径作圆，交C1A的延长线和C2A于B1和B2，连杆长度lBC=lB1C1=lB2C2EB1B2二、按给定的连杆位置设计四杆机构分析：根据设计要求，铰链四杆机构在运动过程中，其连杆必须能依次通过预定位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，……。显然，此类机构设计的实质就是确定两固定铰链A、D点的位置。由铰链四杆机构运动可知，连杆上B、C两点的运动轨迹分别是以A、D两点为圆心的圆或圆弧，而连杆相邻位置对应点的连线B1B2、B2B3、C1C2、C2C3……分别为对应圆或圆弧上的弦长。所以，A、D两点必然分别位于上述对应弦长的垂直平分线上。这样，此类连杆机构的设计就变得比较简单了。给定连杆两个位置设计四杆机构设计步骤：①根据已知条件，选取适当的比例尺μl，绘出连杆的两个位置；②连接，并分别作它们的垂直平分线；③在和上分别任取两点A、D（一般也可根据其它辅助条件选取）；④连接AB1C1D即为所求四杆机构的一个位置。注意：在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，由于A、D两点可在b12和c12上任意选取，因此可得无穷多组解。一般还应该考虑其他辅助条件，例如，满足合理的结构要求，使机械在运转中的