机械设计基础第五版高等教育出版第2章.ppt

第2章平面连杆机构 2 1平面四杆机构的基本型式和特性 2 2铰链四杆机构整转副存在条件 2 3铰链四杆机构的演化 2 4平面四杆机构的设计 应用实例 内燃机 起重机变幅机构 牛头刨床 翻箱机 椭圆仪 机械手爪等 优点 低副为面接触 承载能力大 便于润滑 耐磨性好 容易获得较高的制造精度 改变杆长 即可实现不同的从动件运动规律 连杆曲线丰富 可满足不同要求 2 1平面四杆机构的基本型式和特性 连杆机构 机构中所有的运动副均为低副 连杆 机构中做一般平面运动 非简单的转动或直线移动 的构件 缺点 构件和运动副多 累积误差大 运动精度低 惯性力难以平衡 不适合高速 难以精确实现复杂运动规律 分类 平面连杆机构 空间连杆机构 平面连杆机构常以构件数命名 四杆机构 多杆机构 本章重点介绍四杆机构 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 一 平面四杆机构的基本型式 四杆机构的基本型式是铰链四杆机构 连杆 曲柄 摇杆 曲柄 作定轴回转 连杆 作一般平面运动 摇杆 作定轴摆动 连架杆 与机架相联 构件1 3 整转副 被联接两构件能作整周回转 A B 摆转副 被联接两构件只能作有限角度摆动 C D 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 铰链四杆机构的三种基本型式 1 曲柄摇杆机构 组成 曲柄 连杆 摇杆 机架 作用 整周回转 往复摆动 雷达天线俯仰机构 曲柄主动 应用实例 雷达天线俯仰机构 缝纫机踏板机构等 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 2 双曲柄机构 组成 两个曲柄 连杆 机架 作用 缝纫机踏板机构 应用实例 叶片泵 惯性筛等 等速回转 变速回转 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 旋转式叶片泵 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 实例 火车驱动轮 特例 平行四边形机构 特征 相对两杆长度相等 两个曲柄同向回转 连杆作平动 摄影平台 天平 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 反平行四边形机构 两个曲柄反向回转 应用实例 车门启闭机构 平行四边形机构在四杆共线位置出现运动不确定 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 克服方法 两组平行四边形机构串联或错位并联 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 3 双摇杆机构 组成 两个摇杆 连杆 机架 应用举例 铸造翻箱机 特例 等腰梯形机构 汽车转向机构 风扇摇头机构 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 二 平面连杆机构的基本特性 从动件往复运动的速度不相等 例 曲柄摇杆机构 1 急回运动特性 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 极位和极位夹角 从动件 摇杆 的两个运动极限位置称极位 原动件 曲柄 两个对应位置之间所夹锐角称极位夹角 以 表示 V1 从动件正行程平均速度 V2 从动件反行程平均速度 V2 V1 则K 1 称机构有急回特性 推导可得 00时 K 1 K越大 急回特性越显著 公式推导 急回特性的应用 工程上 常利用机构的急回特性提高效率 如 牛头刨床 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 行程速比系数 定义 K 行程速比系数 1800 设原动件曲柄以 顺时针转动 曲柄 AB1 AB2 摇杆 C1D C2D C点平均运动速度为 曲柄 AB2 AB1 1800 摇杆 C1D C2D 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 K 行程速比系数 00 则K 1 越大 K越大 急回特性越显著 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 2 压力角和传动角 定义 从动件上 驱动力F与力作用点绝对速度V之间所夹锐角称压力角 常用 表示 压力角的余角称传动角 用 表示 900 意义 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 设计时要求 min 50 min出现的位置 F 传动效率 主动件与机架共线两位置之一 机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 当 BCD最小或最大 即原动件与机架共线 时 都有可能出现 min 180 BCD 当 BCD 90 时 当 BCD 90 时 BCD 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 B2C2D arccos b2 c2 d a 2 2bc AB1C1D位置 B1C1D最小 AB2C2D位置 B2C2D最大 1 B1C1D 2 180 B2C2D B1C1D arccos b2 c2 d a 2 2bc 或 min 180 B2C2D min B1C1D 2 1 平面四杆机构的基本型式和特性 3 死点位置 曲柄摇杆机构中 若以摇杆为主动件 当连杆与曲柄两次共线时 理论上 00 即 900 0 0 此时机构不能运动 称 死点位置 概念 死点位置 不利于机构运动 需设法克服 如 利用飞轮惯性克服 死点位置 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 克服方法 钻孔夹具 飞机起落架 利用机构的死点位置可实现夹紧功能 如 飞机起落架 钻夹具等 死点位置的利用 平面四杆机构的基本型式和特性 2 1 一 整转副存在条件 已知A为整转副 曲柄AB转一周 有两次与机架共线 由 B C D可得 l1 l4 l2 l3 2 2铰链四杆机构整转副存在条件 以曲柄摇杆机构为例 曲柄摇杆机构 由 B C D可得 l2 l4 l1 l3 l1 l2 l3 l4 l3 l4 l1 l2 l1 l3 l2 l4 将以上三式两两相加得 l1 l2 l1 l3 l1 l4 l4 l1 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 结论 当满足杆长条件时 最短杆参与构成的转动副都是整转副 综上 得到整转副存在条件 最长杆与最短杆的长度之和 其他两杆长度之和 杆长条件 若取BC为机架 结论相同 即 铰链B也是整转副 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 当杆长条件满足时 说明存在整转副 此时选择不同的构件为机架 可得不同的机构 以最短杆邻边为机架 曲柄摇杆机构 以最短杆为机架 双曲柄机构 以最短杆对边为机架 双摇杆机构 杆长条件不满足时 只能得到双摇杆机构 二 铰链四杆机构类型判断 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 举例 一 改变构件的形状和运动尺寸 偏置曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构 正弦机构 s lsin 2 3铰链四杆机构的演化 有急回特性 二 改变运动副的尺寸 三 选不同的构件为机架 偏心轮机构 导杆机构 摆动导杆机构 转动导杆机构 铰链四杆机构的演化 2 3 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构 有急回特性 00 牛头刨床 摆动导杆机构应用实例 铰链四杆机构的演化 2 3 铰链四杆机构的演化 2 3 应用实例 手摇唧筒 这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为 机构倒置 铰链四杆机构的演化 2 3 椭圆仪机构 例 选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构 铰链四杆机构的演化 2 3 两类主要设计问题 按照给定从动件运动规律 位移 速度 加速度 设计四杆机构 2 4平面四杆机构的设计 设计主要目的 根据给定运动条件 确定机构类型和运动尺寸 有时还需满足辅助条件 如 min 按照给定点的运动轨迹设计四杆机构 设计方法 解析法 图解法 实验法 一 按给定行程速比系数设计四杆机构 1 曲柄摇杆机构 已知 摇杆长lCD 摆角 速比系数K 基本步骤 计算 作出摇杆极限位置 作过C1 C2点 且圆周角为 的圆 选定A 作连线AC1 AC2 求曲柄长lAB AC1 AC2 2 得到机构一位置AB1C1D 及各杆尺寸 平面四杆机构的设计 2 4 2 摆动导杆机构 摆动导杆机构 设计此机构时 仅需要确定曲柄a 计算 180 K 1 K 1 选定C点 作出导杆两个极限位置 作角平分线 取A点 使AC d 已知 机架长度d 速比系数K 基本步骤 以A为圆心作一与导杆两极限位置相切的圆 得切点B1 AB1 a 平面四杆机构的设计 2 4 3 偏置曲柄滑块机构 已知速比系数K 滑块行程H 偏距e 计算 作C1C2 H 作一过C1 C2点 且圆心角为2 的圆O 根据偏距e在圆周上确定A点 AB2C2即为所求机构 连AC1 AC2 lAB AC2 AC1 2 基本步骤 平面四杆机构的设计 2 4 二 按给定连杆位置设计四杆机构 1 给定连杆两个位置 该条件下有唯一解 将铰链A D分别选在B1B2 C1C2连线的垂直平分线上任意位置 都能满足设计要求 2 给定连杆上铰链BC的三个位置 该条件下有无穷多解 平面四杆机构的设计 2 4 三 给定两连架杆对应位置设计四杆机构 设连架杆3和1满足以下位置关系 i f i i 1 2 3 n 建立直角坐标系 设构件长度为 l1 l2 l3 l4 在x y轴上分别投影 可得 设计此四杆机构 求各构件长度 四个构件构成封闭的矢量多边形 可得 平面四杆机构的设计 2 4 消去未知量 令 机构运动取决于各杆相对长度 可令l1 1 平面四杆机构的设计 2 4 化简得 上式含三个未知量 当给定两个连架杆三组对应位置时 有唯一解 当给定两个连架杆两组对应位置时 有无穷解 当给定两个连架杆对应位置超过三组时 无精确解 平面四杆机构的设计 2 4 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 1 AD取何值时分别得到曲柄摇杆机构 双曲柄机构和双摇杆机构 2 设AD 210mm 计算该机构的极位夹角 行程速比系数K和最小传动角 min 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 1 解 该机构为曲柄摇杆机构时 AB必为最短杆 分两种情况讨论 AD不是最长杆时 应有 AB BC CD AD AD AB BC CDAD 90 200 150 140 140 AD 200 AD为最长杆时 应有 AB AD BC CD AD BC CD ABAD 200 150 90 260 200 AD 260 140mm AD 260mm时 为曲柄摇杆机构 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 该机构为双曲柄机构时 AD必为最短杆 而BC则为最长杆 此时应有 AD BC AB CD AD AB CD BCAD 90 150 200 40 0 AD 40mm时 为双曲柄机构 该机构为双摇杆机构时 AD取上述区间以外的值 即 40mm AD 140mm 或 260mm AD 440mm AD AB BC CD 90 200 150 440 装配条件 铰链四杆机构整转副存在条件 2 2 2 解 C1AD C2AD C1AD arccos BC AB 2 AD2 CD2 2 BC AB AD C2AD arccos BC AB 2 AD2 CD2 2 BC