机械设计基础第三章-平面连杆机构

2020/5/27机械设计基础1第3章平面连杆机构3-1平面机构的运动简图和自由度3-2平面四杆机构的基本类型3-3平面四杆机构的特点及设计基本要求:掌握基本概念熟练掌握机构运动简图的绘制熟练掌握机构自由度的计算方法掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法掌握平面四杆机构的工作特性机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础23-1平面机构的运动简图和自由度一、构件二、运动副三、机构四、平面机构的运动简图五、平面机构的自由度机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础3一、构件构件：独立影响机构功能并能独立运动的单元体（实物、刚体、运动的整体）机架、原动构件、从动构件零件：单独加工的制造单元体通用零件、专用零件构件可以由一个零件组成也可以由几个零件组成原动件1234从动件机架机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础4与动力源组合机器的组成(从运动观点看)由构件组成(从制造观点看)由零件组成机械机器机构构件零件通用零件专用零件原动构件从动构件机架零件构件机构机器静联接动联接(运动副)机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础5xyo二、运动副运动副:两构件直接接触而形成的可动联接运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分接触形式:点、线、面机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础6运动副分类按接触形式分类按相对运动分类机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础7按接触形式分类：接触形式:点、线、面低副：面接触高副：点、线接触平面低副空间低副xyo高副高副空间低副平面低副平面低副机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础8按相对运动分类：运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相对运动按相对运动分类：转动副：相对转动——回转副、铰链移动副：相对移动螺旋副：螺旋运动球面副：球面运动机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础9运动副类型小结平面低副:转动副、移动副（面接触）平面高副:齿轮副、凸轮副（点、线接触）空间低副:螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）空间高副:球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)运动副特性:运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动,只与运动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。工程上常用一些规定的符号代表运动副机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础10平面副低副：转动副、移动副(面接触)高副：齿轮副、凸轮副(点、线接触)xyoxyottnnnt机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础11空间副高副：点、线接触球面副螺旋副了解机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础12机构是由构件通过运动副连接而成的原动件：按给定运动规律独立运动的构件从动件：其余的活动构件机架：固定不动的构件原动件1234从动件机架闭链开链机构三、机构机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础131概述2构件的表示方法3运动副的表示方法4运动简图的绘制方法5例题四、平面机构的运动简图机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础141概述机构各部分的运动，取决于：原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸)机构运动简图:（表示机构运动特征的一种工程用图）用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较：机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图用途：分析现有机械，构思设计新机械机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础152构件的表示方法杆、轴类构件机架同一构件两副构件三副构件机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础163运动副的表示方法转动副移动副高副（齿轮副、凸轮副）２机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础174运动简图的绘制方法步骤：确定构件数目及原动件、输出构件各构件间构成何种运动副？（注意微动部分）选定比例尺、投影面，确定原动件某一位置，按规定符号绘制运动简图标明机架、原动件和作图比例尺绘制路线：原动件中间传动件输出构件观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误区：构件外形机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础185例题：内燃机机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础19试绘制如图所示机构的运动简图1、气缸体2、活塞3、进气阀4、排气阀5、连杆6、曲轴7、凸轮8、顶杆9、10齿轮2020/5/27机械设计基础20绘出图所示泵结构的构件图1、偏心圆盘2、带环的柱塞3、摆动盘4、机架2020/5/27机械设计基础212020/5/27机械设计基础222020/5/27机械设计基础23ABCEFDG例题：破碎机机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础241234ABC141223A14B12C23432414例题：机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础251平面机构自由度的计算2机构具有确定运动的条件3几种特殊结构的处理复合铰链局部自由度虚约束4小结五、平面机构的自由度机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础261平面机构自由度的计算(1)平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动)(2)平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制)xyＯ21与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后,运动副引入约束,原自由度减少xyoxyottnnR=2R=2R=1结论：平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础27(3)平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：n低副数：pl高副数：phxyＯ21未连接前总自由度：3n连接后引入的总约束数：2pl+phF=3n-(2pl+ph)机构自由度F：F=3n-2pl-ph机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础28机构自由度举例：1234F=3n－2pl－ph=3－2－340=112345F=3n－2pl－ph=3－2－450=2F=3n－2pl－ph=3－2－221=1BCAF=3n－2pl－ph=3－2－340=1F=3n－2pl－ph=3－2－451=1机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础29F=3n－2pl－ph=34－25－0=2F=3n－2pl－ph=33－25－0=-1F=3n－2pl－ph=32－23－0=02机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动原动件数小于F,各构件无确定的相对运动原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏结论：机构具有确定运动的条件：1机构自由度02原动件数＝机构自由度数BCABCADEAEBCD机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础30m个构件(m2)在同一处构成转动副m-1个低副(1)复合铰链412356F＝3n－2pl－ph＝3－2－560＝3F＝3n－2pl－ph＝3－2－570＝1412356②错对—计算在内5232351m个构件,m-1个铰链3几种特殊结构的处理机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础31F＝3n－2pl－ph＝3－2－331＝2F＝3n－2pl－ph＝3－2－221＝1错对—排除(2)局部自由度定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输出运动的自由度局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础32不影响机构运动传递的重复约束在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束虚约束经常发生的场合处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉结论F＝3n－2PL－PH＝3－2－123F＝3n－2PL－PH＝3－2－231＝-1错221＝1对—排除之一为虚约束(3)虚约束机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础33虚约束经常发生的场合A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础34A两构件之间构成多个运动副时两构件组合成多个转动副，且其轴线重合两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数123123目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH＝3－2－221＝1机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础35B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算412351234F＝3n－2PL－PH＝3－2－340F＝3n－2PL－PH＝3－2－460＝0BA错对＝1F＝3n－2PL－PH＝3－2－340＝1机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础36C两构件上联接点的轨迹重合在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH＝3－2－340＝1动画机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础37D机构中对运动不起作用的对称部分在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH＝3－2－332＝112345机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础38虚约束——结论机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件123机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础394自由度计算小结自由度计算公式:F＝3n－2pl－ph机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)计算步骤:确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链计算、验证自由度几种特殊结构的处理:1、复合铰链—计算在内2、局部自由度—排除3、虚约束--重复约束—排除机械设计基础——平面连杆机构2020/5/27机械设计基础40机构自由度计算举例例1图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，已达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？12342020/5/27机械设计基础41解：首先计算设计方案草图的自由度0624323HPPnFL改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件；2、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修