第三章平面连杆机构及其设计

图解法速度瞬心法矢量方程图解法◆矢量方程图解法的基本原理◆同一构件上两点间的速度及加速度的关系◆两构件重合点间的速度和加速度的关系◆速度瞬心的定义◆机构中瞬心数目和位置的确定◆瞬心的应用第二章小结解析法复数矢量法、矩阵法、杆组法第3章平面连杆机构及其设计机械原理连杆机构及其特点平面连杆机构的类型及应用平面连杆机构的主要工作特性平面四杆机构的设计本章教学内容本章教学要求◆了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点;◆了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用；◆明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数等概念；◆对传动角、死点、运动连续性等有明确的概念；◆了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。重点：1.曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数；2.平面四杆机构设计的一些基本方法。难点：1.平面四杆机构最小传动角的确定；2.平面铰链四杆机构运动连续性的判断；3.根据已知条件设计平面四杆机构。一.连杆机构共同特点——原动件通过不与机架相连的中间构件传递到从动件上。连杆机构是由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。不与机架相连的中间构件——连杆（Linkage）具有连杆的机构——连杆机构连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为空间连杆机构平面连杆机构§3-1平面连杆机构的特点及其设计的基本问题优点：①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；②运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造；③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；④可以连杆曲线来满足不同运动轨迹的设计要求。缺点：①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；③只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计比较复杂。二、连杆机构的特点三．平面连杆机构设计的基本问题平面连杆机构设计包括选型（构件数目、运动副类型和数目）和运动尺寸是确定机构运动简图的参数（转动副中心之间的距离、移动副位置尺寸以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等）设计。可归纳为以下三个基本问题：1）实现构件给定位置。2）实现已知运动规律。3）实现已知运动轨迹。平面连杆机构运动设计方法：图解法、解析法、图谱法和模型法。四杆机构各部分的名称：构件机架相对固定连架杆曲柄摇杆整周回转往复摆动连杆平面运动转动副整周回转往复摆动周转副摆转副机构命名：原动件名+输出构件名（也可以几何特点命名）§3-2平面四杆机构的基本型式及其演化一、全转动副四杆机构（铰链四杆机构）——基本型式1.曲柄摇杆机构(Crank-RockerMechanism)铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。功能：连续转动往复摆动ABCD3214应用实例：飞机起落架机构缝纫机脚踏板机构雷达天线俯仰机构抽油机机构应用实例：搅拌机构拉胶片机构剪板机碎石机2.双曲柄机构(Double-CrankMechanism)——两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构功能：连续转动连续转动平行四边形机构特性：▲两曲柄同速同向转动▲连杆作平动特例：若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。ABCD3214应用实例：惯性筛机构机车车轮联动机构应用实例升降机构车门开闭机构应用实例——逆平行（反平行）四边形机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）3.双摇杆机构(Double-RockerMechanism)——两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构功能：往复摆动往复摆动特例：等腰梯形机构——两摇杆长度相等的双摇杆机构汽车前轮转向机构ABCD3214应用实例：推土机铲斗机构电风扇摇头机构飞机起落架机构低副运动的可逆性：在低副机构中，取不同构件作为机架时，任意两个构件间的相对运动关系不变。构件2为机架——曲柄摇杆机构构件4为机架——曲柄摇杆机构构件1为机架——双曲柄机构构件3为机架——双摇杆机构ABCD3214双曲柄机构ABCD3214双摇杆机构ABCD3214曲柄摇杆机构二、含有一个移动副的四杆机构——演化型式I变摇杆为滑块曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲线导轨曲柄滑块机构摇杆尺寸为无穷大e=01.曲柄滑块机构ABC3214对心(radial)曲柄滑块机构ABC3214偏置(offset)曲柄滑块机构功能：连续转动往复移动应用实例：压力机雨伞发动机车门开闭机构ABC3汽缸2车门14应用实例：空气压缩机应用实例：送料装置筛分机2.导杆机构ABC3214导杆★摆动导杆机构——导杆只能在一定的角度内摆动★回转导杆机构——导杆能作整周转动功能连续转动往复摆动连续转动连续转动应用实例回转柱塞泵牛头刨床3.曲柄摇块机构功能：连续转动往复摆动ABC3214摇块应用实例自卸车4.移动导杆机构ABC3214直动导杆定块功能：往复摆动往复移动应用实例手动抽水机炉门送料装置ABC3214三、含有两个移动副的四杆机构——演化型式II对心曲柄滑块机构变连杆为滑块正弦机构双滑块机构从动件3的位移与原动件1的转角成正比：sinABls移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来连杆尺寸为无穷大1.正弦机构AB123AB123从动件3的位移与原动件1的转角成正比sinABls应用实例压缩机缝纫机进针机构2.双滑块机构AB123AB123AB123(x,y)222)()(atgxyctgyx1sincos22ayax应用实例椭圆仪3.双转块机构AB123AB123AB123应用实例十字滑块联轴器平面四杆机构的演化方式1、改变构件的形状和相对尺寸：转动副移动副对心曲柄滑块机构变连杆为滑块双滑块机构ABC3214摇块ABC3214导杆偏心轮机构曲柄滑块机构2、改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮ADCB2143ADCB12344A1B2D3C扩大转动副B的半径超过曲柄长转动副B的半径扩大超过曲柄长3、选用不同构件为机架——倒置法机构的倒置：选运动链中不同的构件作机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。ABC3214曲柄滑块机构ABC3214导杆导杆机构ABC3214摇块曲柄摇块机构运动特性1.曲柄存在条件2.急回特性3.运动连续性动力特性1.压力角、传动角2.死点一、铰链四杆机构曲柄存在的条件曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构§3-3平面四杆机构的主要工作特性若1和4能绕A整周相对转动，则存在两个特殊位置，B1、B2点为形成周转副的关键点。a+d≤b+c(1)bc+d-a即a+b≤c+d(2)cb+d-a即a+c≤b+d(3)(1)+(2)得a≤c(1)+(3)得a≤b(2)+(3)得a≤d由此可见，两构件作整周相对转动的条件：（1）此两构件中必有一构件为运动链中的最短构件。（2）最短构件与最长构件的长度之和小于等于其它两构件长度之和。ABCDabcdB1C1B2C21324◆铰链四杆运动链中有整转副的充要条件：组成该转动副的两个构件中必有一个构件是机构中的最短构件；且四个构件满足杆长之和条件。（最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和——杆长之和条件）lmin+lmaxl4+l3最短杆两端的转动副均为周转副；其余转动副为摆转副。四个构件满足杆长之和条件，且连架杆或机架中必有一杆是最短杆。◆铰链四杆运动链有曲柄存在条件：当铰链四杆机构满足杆长之和条件时讨论1）最短杆的邻边杆为机架时ABCD3214——曲柄摇杆机构3）最短杆的对边杆为机架时l1+l2+l3l4?lmin+lmaxl4+l3?Y非机构N有两个周转副Y双摇杆机构Nlmin为机架?lmin邻边为机架?NN小结Y双曲柄机构曲柄摇杆机构Y——双摇杆机构ABCD32142）最短杆为机架时——双曲柄机构（含平行四边形机构）ABCD3214当铰链四杆机构不满足杆长条件时——双摇杆机构（无周转副）erlABCD例：偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件。解1：lmin=r；lmax=CD+eCDleCDrler解2：AD连线为机架方向，故B1、B2为r成为曲柄的关键点，所以erlB1C1B2C2lr+elr-e思考：对心曲柄滑块机构有曲柄的条件？ABCD3214曲柄摇杆机构ABCD3214双曲柄机构ABCD3214双摇杆机构一、铰链四杆机构曲柄滑块机构ABC3214对心曲柄滑块机构ABC3214偏置曲柄滑块机构二、含有一个移动副的四杆机构)01(kABC3214导杆2.导杆机构回转导杆机构ABC3214导杆摆动导杆机构ABC3214摇块3.曲柄摇块机构ABC3214直动导杆定块4.移动导杆（定块）机构)01(k)01(k三、含有两个移动副的四杆机构曲柄移动导杆（正弦）双滑块机构双转块机构AB1234AB12342AB1341、改变构件的形状和相对尺寸：转动副移动副3、改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮2、选用不同构件为机架——倒置法平面四杆机构的演化方式◆铰链四杆运动链中有整转副的充要条件：四个构件满足杆长之和条件，且连架杆或机架中必有一杆是最短杆。◆铰链四杆运动链有曲柄存在条件：组成该转动副的两个构件中必有一个构件是机构中的最短构件；且四个构件满足杆长之和条件。二、急回运动特性(Quickreturnproperty)1.概念极位夹角——当输出构件在两极位时，原动件所处两个位置之间所夹的角。极位——输出构件的极限位置摆角φ——两极限位置所夹的锐角原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的现象——急回运动(Quick-return)2.急回运动急回运动机理急回作用具有方向性,当原动件的回转方向改变时,急回的行程也随之改变。注意！a)曲柄转过1801摇杆上C点摆过：21CC所用时间：1111180tb)曲柄转过1802摇杆上C点摆过：12CC所用时间：1122180t2121ttc)设两过程的平均速度为V1、V2：21221211;tCCVtCCV21tt12VV回程速度大于正行程速度。正行程反行程对摇杆3.行程速比系数K为表明急回运动程度，用行程速度变化系数K(timeratio)来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度比，即212112122112//tttCCtCCvvK1180180K11180KK或：讨论：1)当θ≠0时，机构具有急回运动特性；2)θK，急回运动特性愈显著。曲柄摇杆机构的分类（1）Ⅰ型曲柄摇杆机构：A的D位于C1C2线的同侧，构件尺寸关系为a2+d2b2+c2有急回特性，慢行程与曲柄转向相同。机械原理)01(kABC32a41bcdB1B2C1C2D慢行程21曲柄摇杆机构的分类（2）Ⅱ型曲柄摇杆机构：A的D位于C1C2线的异侧或a2+d2b2+c2有急回特性，摇杆慢行程摆动方向与曲柄相反。机械原理ABC32a41bcdB1B2C1C2D慢行程)01(k21曲柄摇杆机构的分类（3）Ⅲ型曲柄摇杆机构：A位于C1C2线上或a2+d2=b2+c2。无急回特性机械原理ABC32a41bcdB1B2C1C2D对心曲柄滑块机构0，K=1，无急回运动偏置曲柄滑块机构0，K1，有急回运动例：曲柄滑块机构摆动导杆机构0，K1，有急回运动急回运动特性的应用sincosFFFF三、四杆机构的压力角与传动角1.压力角与传动角压力角——不考虑摩擦时，机构输出构件上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。VF,90传动角——压力角的余角sincosFFFF机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。()F机构传动越有利50~40min一般要求：DCBF