第五部分平面连杆机构教学ppt课件

1、第五章 平面连杆机构 第一节 概述 第二节 铰链四杆机构的根本型式及其演化 第三节 平面四杆机构曲柄存在的条件和几 个根本概念 第四节 平面四杆机构的设计1 1由假设干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆机由假设干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆机构构 连杆机构又称为低副机构连杆机构又称为低副机构一、定义与分类一、定义与分类第一节 概述平面连杆机构平面连杆机构: : 构件用低副衔接组成的平面机构构件用低副衔接组成的平面机构. .平面四杆机构平面四杆机构: : 四个构件组成的最简单的平面机构四个构件组成的最简单的平面机构. .铰链四杆机构：全部用回转副组成的平面四杆机构铰链四杆机构：全部用回

2、转副组成的平面四杆机构. .2 2连杆机构可分为连杆机构可分为 空间连杆机构和空间连杆机构和 平面连杆机构平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构平面连杆机构平面连杆机构二、连杆机构的优点二、连杆机构的优点 接受载荷大，便于光滑接受载荷大，便于光滑 制造方便，易获得较高的精度制造方便，易获得较高的精度 两构件之间的接触靠几何封锁实现两构件之间的接触靠几何封锁实现 实现多种运动规律和轨迹要求实现多种运动规律和轨迹要求三、连杆机构的缺陷三、连杆机构的缺陷 惯性力不易平惯性力不易平衡衡 不易精确实现各种运动规不易精确实现各种运动规律和轨迹要求律和轨迹要求一、平面四杆机构的根本类型及运用一、平面四杆机构的

3、根本类型及运用 曲柄摇杆曲柄摇杆机构机构根本类型：根本类型：第二节 铰链四杆机构的根本型式及其演化 曲柄摇杆机曲柄摇杆机构构机架机架连架杆连架杆曲柄曲柄连架杆连架杆摇杆摇杆连杆连杆周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副 双曲柄双曲柄机构机构 双摇杆双摇杆机构机构二、铰链四杆机构的演化二、铰链四杆机构的演化人们以为一切的四杆机构都是由四杆机构的根本方式演化来得。人们以为一切的四杆机构都是由四杆机构的根本方式演化来得。1 1、曲柄摇杆机构的演化、曲柄摇杆机构的演化改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副e改动构改动构件相对件相对尺寸尺寸改动构件相对尺寸改动构件相对尺寸

4、e e0 0偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构2 2、双曲柄机构的演化、双曲柄机构的演化改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副转动导杆机构转动导杆机构改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副双转块杆机构双转块杆机构改动构改动构件相对件相对尺寸尺寸0改动构改动构件相对件相对尺寸尺寸3 3、双摇杆机构的演化、双摇杆机构的演化改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副挪动导杆机构挪动导杆机构改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副双滑块机构双滑块机构0改动构改动构件相对件相对尺寸尺寸00改动

5、构改动构件相对件相对尺寸尺寸4 4、曲柄滑块机构的演化、曲柄滑块机构的演化改动运动副类型改动运动副类型转动副变成挪动副转动副变成挪动副改动构改动构件相对件相对尺寸尺寸正弦机构正弦机构改动机架改动机架定为机架定为机架双滑块机构双滑块机构平面四杆机构的演化方式平面四杆机构的演化方式(2) (2) 改动相对杆长改动相对杆长(3) (3) 选不同构件作机架选不同构件作机架 改动运动副类型改动运动副类型 转动副转动副 挪动副挪动副 一、曲柄存在的条件一、曲柄存在的条件1 1、铰链四杆机构有曲柄的条件、铰链四杆机构有曲柄的条件aabc bcd蓝色三角构成立蓝色三角构成立bdaccdabcbda红色三角构成

6、立红色三角构成立ba-dcca-dbcba-dda 第三节 平面四杆机构曲柄存在的条件和几个根本概念cbdaca-dbba-dcca ba da a最最短短abcd该机构中构件该机构中构件a a最短，最短，构件构件a a能否整周回转？能否整周回转？最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和最短杆是连架杆或机架最短杆是连架杆或机架cbdaca-dbba-dcca ba da a a最最短短cbdacdbabdca最短杆与最长杆之和小于等最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和于其它两杆长度之和讨论讨论最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和最短杆与最

7、长杆之和小于等于其它两杆长度之和这是铰链四杆运动链有周转副的几何条件这是铰链四杆运动链有周转副的几何条件abcddcba当最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和即当最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和即该式阐明铰链四杆运动链有两个周转动副该式阐明铰链四杆运动链有两个周转动副, ,并且这两个周转副在最短杆的两端。并且这两个周转副在最短杆的两端。最短杆是连架杆或机架最短杆是连架杆或机架a ab bc cd d周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副最短杆最短杆a a是机架时，连架杆是机架时，连架杆b,db,d都是曲柄都是曲柄最短杆最短杆a a是连架杆时，是连架杆时，b b或者或者

8、d d是机架，是机架，a a是曲柄是曲柄c c是机架时，无曲柄是机架时，无曲柄双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构假设满足：假设最短杆邻边为固定杆假设满足：假设最短杆邻边为固定杆-曲柄摇杆曲柄摇杆机构机构 假设最短杆为固定杆假设最短杆为固定杆-双曲柄机构双曲柄机构 假设最短杆对边为固定杆假设最短杆对边为固定杆-双摇杆机构双摇杆机构 假设不满足：假设不满足： - -双摇杆机构双摇杆机构先判别能否满足杆长条件：先判别能否满足杆长条件：二、压力角和传动角二、压力角和传动角FVScosSFW

9、压力角：力压力角：力F的作用线与力作用点绝对速度的作用线与力作用点绝对速度V所夹的锐角所夹的锐角称为压力角。称为压力角。传动角：压力角的余角传动角：压力角的余角称为传动角称为传动角cosSFW在其它条件不变的情况下压力角在其它条件不变的情况下压力角越小，作功越小，作功W W越越大大压力角是机构传力性能的一个重要目的，它是力的利用率压力角是机构传力性能的一个重要目的，它是力的利用率大小的衡量目的。大小的衡量目的。bccoscbBDadcosdaBD22222222ABCDabcdFFtFncVminmax2bc2adcosda-cbcos222290曲柄摇杆机构的压力角曲柄摇杆机构的压力角901

10、80ABCDabcdFFtFncVminmax 越小，越小， 越大，传力性能越好。越大，传力性能越好。因机构运转时，传动角是变化的，所以应限制传动角的最小值。因机构运转时，传动角是变化的，所以应限制传动角的最小值。设计中，对普通机械：设计中，对普通机械： 大功率机械：大功率机械： 小功率的控制机构和仪表：小功率的控制机构和仪表： min min 可略小于可略小于4040min min 出如今曲柄与机架共线的位置。出如今曲柄与机架共线的位置。40min50min三、急回运动和行程速比系数三、急回运动和行程速比系数1. 1. 极位夹角极位夹角 当机构从动件处于两极限位置时，自动件曲柄当机构从动件处

11、于两极限位置时，自动件曲柄在两相应位置所夹的角在两相应位置所夹的角CADabdBBCC曲柄摇杆机构的极位夹角曲柄摇杆机构的极位夹角eABBCC曲柄滑块机构的极位夹角曲柄滑块机构的极位夹角dABBD摆动导杆机构的极位夹角摆动导杆机构的极位夹角2. 2. 急回运动急回运动 当曲柄等速回转的情当曲柄等速回转的情况下，通常把从动件往况下，通常把从动件往复运动速度快慢不同的复运动速度快慢不同的运动称为急回运动。运动称为急回运动。Dabd1B2B1C2Cccab12A自动件自动件a a21ABAB 时间：时间：1t转角：转角：1运动：运动：从动件从动件c c21DCDC 1t12ABAB 时间：时间：2t

12、转角：转角：2运动：运动：12DCDC 2t从动件从动件c c的的平均角速度：平均角速度：:DCDC2113t:DCDC1223t 1111180t1122-180t21tt 33 通常把从动件往复运动平均速度的比通常把从动件往复运动平均速度的比值值( (大于大于1)1)称为行程速比系数，用称为行程速比系数，用K K表示。表示。1K1K180180180K3. 3. 行程速比系数行程速比系数K K33K 度从动件慢速行程平均速度从动件快速行程平均速13t23t 1111180t1122-180t四、机构的死点位置四、机构的死点位置所谓死点位置就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于所谓死点位置

13、就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于9090 时机构所处的位置。时机构所处的位置。1. 1. 死点位置死点位置Dabd1B2B1C2CccabABC如何确定机构如何确定机构的死点位置？的死点位置？分析分析B B、C C点的压力角点的压力角曲柄摇杆机构曲柄为自动件的死点曲柄摇杆机构曲柄为自动件的死点无死点存在无死点存在DABCMBvBFCFCvC0BABMFB曲柄摇杆机构摇杆为自动件的死点曲柄摇杆机构摇杆为自动件的死点ABAB与与BCBC共线时共线时90B或者或者0B机构有死点存在机构有死点存在曲柄滑块机构曲柄为自动件的死点曲柄滑块机构曲柄为自动件的死点eABCMBFBvCFCvABMFB0

14、BCeABCBFBvCFCvB0C无死点存在无死点存在曲柄滑块机构滑块为自动件的死点曲柄滑块机构滑块为自动件的死点有死点存在有死点存在2. 2. 死点位置的运用死点位置的运用飞机起落架飞机起落架夹具夹具 利用死点夹紧工件利用死点夹紧工件落地后作用力不会使起落架反转保证飞机平安可靠降落 开关机构 保证融点可靠接触 火车轮火车轮2. 2. 防止死点位置的危害防止死点位置的危害加虚约加虚约束的平束的平行四边行四边形机构形机构 多套机构交错陈列多套机构交错陈列加虚约束的平行四边形机构加虚约束的平行四边形机构 把几组一样机构相互错位陈列，各组机构死点位置不同时出现。对从动曲柄施加外力对从动曲柄施加外力/

15、 /飞轮及构件本身的惯性飞轮及构件本身的惯性义务义务: :根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数参数1 1、按照给定从、按照给定从动件的运动规律动件的运动规律设计设计2 2、按照给定轨、按照给定轨迹设计迹设计)(13f1301031234第四节 平面四杆机构的设计两类问题：两类问题：方法：图解法、解析法、实验法方法：图解法、解析法、实验法一、图解法一、图解法u按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K K设计四杆机构设计四杆机构1. 1. 铰链四杆机构铰链四杆机构设知行程速比系数设知行程速比系数K，摇杆长度，摇杆长度Lc，摇杆摆角，摇杆摆角，试

16、求曲柄摇杆机构的，试求曲柄摇杆机构的尺寸。尺寸。1 1求出极位夹角求出极位夹角1801K1-Kb-aAC 1abAC21C2C90AADE212AC-ACa212ACACb2. 2. 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构u按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K K设计四杆机构设计四杆机构知滑块行程S，便距e及行程速度变化系数K，设计此偏置曲柄滑块机构。图示为要求设计的偏置曲柄滑块机构的两个极限位置。 同前述铰链四杆机构的设计方法，作出过 点且圆周角等于的圆，并由偏距e确定铰链A的位置即可 u按给定连杆的两个或三个位置设计四杆机构按给定连杆的两个或三个位置设计四杆机构知连杆BC的三个位置，设计此

17、四杆机构 设计的本质是确定固定铰链A、D的位置分析： B1B2B3所在圆的圆心即为铰链A位置。同理 C1C2C3 所在圆的圆心即为铰链D的位置。 假设仅知道连杆BC的二个位置，可经过其它条件确定A、D位置u按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构知:四杆机构曲柄AB，机架AD的长度，AB的三个位置, 构件CD上某直线DE的三个位置。 要求设计此四杆机构分析：本设计的本质是求活动铰链C的第一个位置C1。可经过连架杆AB对CD的相对运动来确定铰链C的位置，即,将连架杆CD上某直线DE的第一个位置DE1当作机架不动，连架杆AB看作连杆,采用反转法实现AB对CD的相对运

18、动。 步骤：将四边形 分别刚性地绕D点反转，使 分别与 重合，那么得到构件AB对机架CD相对运动的三个位置 图中 未画出。 此时问题转化为给定连杆三个位置设计四杆机构。作 的中垂线，那么交点为 。DDEAB3322EAB、32DE、DE1DE33221ABABAB、32AA 、3221BBBB、1C 1 1、传动特性、传动特性 二、解析法二、解析法u铰链四杆机构的传动特性及设计铰链四杆机构的传动特性及设计自动杆AB的转角和从动杆CD的转角之间的关系称为铰链四杆机构的传动特性由式由式5-7，铰链四杆机构具有非线性特性，铰链四杆机构具有非线性特性，传动比与几何参数及位置参数等诸多要素有关，传动比与

19、几何参数及位置参数等诸多要素有关，计算繁琐。计算繁琐。 2 2、近似线性铰链四杆机构的设计、近似线性铰链四杆机构的设计 当机构处于特定位置附近任务时，铰链四杆机当机构处于特定位置附近任务时，铰链四杆机构具有近似线性特征：构具有近似线性特征：u铰链四杆机构的传动特性及设计铰链四杆机构的传动特性及设计此时cai 2. 近似线性铰链四杆机构设计原理假设机构传动特性是线性的，其特性线为直线AB。实践机构是非线性的，特性线为曲线 。由图b可知机构在切点c处没有误差，而在其他位置均有误差。在任务的两极限位置误差最大，需验算 设计时： 切点C对应任务的中点，此时机构两连架杆与连杆垂直，切点C对应的c为此时自

20、动杆与机架的夹角，仪表指针应处于标尺刻度的中间位置。 1 1、传动特性、传动特性 表示滑块位移表示滑块位移s s与曲柄角位移与曲柄角位移之之间的关系间的关系s = f (s = f () )，见式，见式5-105-10 曲柄滑块机构的传动特性和传动比曲柄滑块机构的传动特性和传动比取决于机构的尺寸及曲柄的转角。取决于机构的尺寸及曲柄的转角。 相对位移和相对传动比与机构的相相对位移和相对传动比与机构的相对参数有关，与绝对尺寸无关。对参数有关，与绝对尺寸无关。u曲柄滑块机构的传动特性及设计曲柄滑块机构的传动特性及设计22)(cossin)(coscos1ai可见曲柄滑块机构是非线性机构 为了便于曲柄

21、滑块机构的设计任务，将各尺寸参数变为对曲柄长度的相对量。 滑块相对位移 连杆相对长度 相对偏距 asabae 由相对传动比公式可得不同和条件下的 相对传动比曲线，为设计曲柄滑块机构提供方便 2222(sinsin)coscossa221(cos)sincos(cos)ai2 2、近似线性特性曲柄滑块机构的设计、近似线性特性曲柄滑块机构的设计设计此类曲柄滑块机构的知条件是：曲柄任务转角g和对应的滑块位移Smax，以及允许的机构非线性度误差f设计的关键是选定机构的和值。由此确定一条ia 曲线。任务转角g应分布在此曲线极值角 极左右 即： 初始角 终止角 这样使机构特性接近于线性 由特性方程计算出曲

22、柄长度a 根据选定的相对系数 和 ，即可求得b和e b= a e= a2g极g2z极 最后必需进展误差校验，校验不同角时的非线性度误差: s1 :滑块的实践位移，由特性式求得 s2 ：理想线性位移max21sssf1正弦机构的传动特性 s=a sin i= 是非线性机构 2) 正切机构的传动特性 s=a tg i= 是非线性机构 cos1adsd2cos1adsd原理误差 度盘为线性刻度的仪器仪表，假设采用非线性特性的正弦、正切机构而引起的误差称为原理误差 1) 正弦机构原理误差 将sin 展开，取前两项得 = sinaas63aas63a 正切机构原理误差 =a - atg 同理 s3)3(

23、33aaas设计原那么 (1) 高精度仪器仪表中，多采用正弦机构， 精度较低时普通采用正切机构。1)条件一样时，正弦机构的原理误差是正切机构的1/2。2)测杆挪动副的间隙对正弦机构精度没有影响，但对正切机构影响大。 3)正切机构的构造工艺性比正弦机构好 (2) 把任务角度限制在很小范围内，尽量增大参数a的长度 1)正弦机构和正切机构的原理误差均与任务角度 的立方成正比。 如奥式测微仪，摆杆长度a=5mm 示值范围s=0.05mm, sin = , 原理误差 示值范围s=0.5mm， 0.1rad， 原理误差 =0.0008mm 可见任务转角增大10倍，原理误差增大1000倍radas01. 0mmas0000008. 063