机械设计基础(专科)第2章平面连杆机构ppt课件

1、第第2章平面连杆机构章平面连杆机构2.1 平面机构的运动简图及其自在度平面机构的运动简图及其自在度2.2 平面连杆机构的类型及运用平面连杆机构的类型及运用2.3 四杆机构的根本特性四杆机构的根本特性2.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计2.1 2.1 平面机构运动简图及其自在度平面机构运动简图及其自在度 机构是具有确定相对运动的构件组合，假设机构中一切运动部分均在同一平面或相互平行的平面内运动那么称为平面机构，否那么称为空间机构。2.1.1 运动副及其分类 一个作平面运动的自在构件有3个独立运动的能够性： 沿轴x、轴y和绕垂直于xoy平面的轴的转动。 构件的自在度：构件所具有的这种独立运

2、动的数目。 一个作平面运动的自在构件有三个自在度 。自在度动画自在度动画 平面机构的每个活动构件在未构成运动平面机构的每个活动构件在未构成运动副之前都是三个自在度副之前都是三个自在度自在构件。自在构件。 但当这些构件之间以一定的方式联接起但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自在来成为构件系统时，各个构件不再是自在构件。构件。 两相互接触的构件间只能作一定的相对两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自在度减少。运动，自在度减少。 约束约束: 对构件独立运动所加的限制称为对构件独立运动所加的限制称为约束。每引入一个约束，构件就失去一个约束。每引入一个约束，构件就失去

3、一个自在度。自在度。 运动副分类运动副分类 按接触方式分：按接触方式分：1.低副：面接触的运动副。低副：面接触的运动副。 1 挪动副：挪动副： 两构件间只能产生相对挪动的运动副。两构件间只能产生相对挪动的运动副。 2 转动副：转动副： 两构件间只能产生相对转动的运动副。两构件间只能产生相对转动的运动副。 一个低副引人两个约束，一个低副引人两个约束，即减少二个自在度。即减少二个自在度。挪动副动画挪动副动画(3D)转动副动画转动副动画(3D)转动副动画转动副动画(3D)(3D)2高副：点或线接触的运动副。高副：点或线接触的运动副。一个高副引人一个约束，即减少一个自在度。一个高副引人一个约束，即减少

4、一个自在度。高副动画高副动画高副动画高副动画2.2.2 2.2.2 机构中构件的分类机构中构件的分类 固定件机架：用来支承活动构件的构件。如固定件机架：用来支承活动构件的构件。如内燃机中的气缸体就是固定件，它用来支承活塞、内燃机中的气缸体就是固定件，它用来支承活塞、曲轴等。曲轴等。 原动件：运动规律知的活动构件。例如内燃机中原动件：运动规律知的活动构件。例如内燃机中的活塞就是原动件，它的运动是由外界输入的。的活塞就是原动件，它的运动是由外界输入的。 从动件：随原动件的运动而运动的其他活动构件。从动件：随原动件的运动而运动的其他活动构件。如内燃机中的连杆、曲轴等都是从动件。如内燃机中的连杆、曲轴

5、等都是从动件。2.2.3 2.2.3 平面机构的运动简图平面机构的运动简图机构运动简图：用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副的相对位置。这种可以表示构件间相对运动关系的简单图形称为机构运动简图。运动副表示： a 转动副 b 挪动副 c 高副构件的表示：ab表示参与组成两个运动副的构件，表示参与组成两个运动副的构件，cd表示参与组成三个运动副的构件。表示参与组成三个运动副的构件。机构运动简图绘制机构运动简图绘制 1.分析机械的构造和动作原理，确定构件分析机械的构造和动作原理，确定构件的数目。的数目。 2.分析构件间的相对运动，确定运动副的分析构件间的相对运动，确定

6、运动副的数目和类型。数目和类型。 3.选定视图投影面及比例尺选定视图投影面及比例尺L=实践尺寸实践尺寸/图上尺寸图上尺寸(m/mm)，顺序确定转动副和挪动，顺序确定转动副和挪动副导路的位置，根据原动件的位置及各杆副导路的位置，根据原动件的位置及各杆长等绘出各构件，得到机构运动简图。长等绘出各构件，得到机构运动简图。例1-1：试绘制内燃机的机构运动简图气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮10解：1分析运动，确定构件的类型和数量 2确定运动副的类型和数目 3选择视图平面 4选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置 5画出

7、各运动副和机构符号，并表示出各构件内燃机的机构运动简图内燃机的机构运动简图内燃机凸轮动内燃机凸轮动画画2.2.4 2.2.4 机构的自在度机构的自在度机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件： 1、对于四杆机构、对于四杆机构; 假设只需一个原动件假设只需一个原动件1，机构具有确定的运动。，机构具有确定的运动。 假设有两个原动件假设有两个原动件2，构件破坏。，构件破坏。 2、对于五杆机构、对于五杆机构; 假设只需一个原动件假设只需一个原动件1，机构运动不确定。，机构运动不确定。 假设有两个原动件假设有两个原动件 2，机构具有确定的运动。，机构具有确定的运动。 3、对于三杆构件，没有相对运动

8、。、对于三杆构件，没有相对运动。根据上述实例分析，可以得出：1F0时，机构蜕化成刚性桁架，构件间不能够产生相对运动。2 F0时，原动件数大于机构自在度，机构遭到破坏；原动件数小于机构自在度，机构运动不确定，只需当原动件数等于机构自在度时机构才具有确定的运动。机构具有确定运动的条件：机构的自在度F0，且原动件数等于机构的自在度。四杆机构一个自在度动画四杆机构一个自在度动画四杆机构二个自在度动画四杆机构二个自在度动画 五杆机构一个自在度动画五杆机构一个自在度动画例： 试判别以下图构件组成的系统，是不是机构。 经分析，该系统的自在度F=0，所以不是机构。1、平面机构的自在度计算、平面机构的自在度计算

9、机构的自在度： 机构中各构件相对与机架所具有的独立运动的数目。 机构自在度计算公式: F=3n-2PL-PH 式中：n运动构件数 PL低副数 PH高副数 破碎机动画破碎机动画2、计算平面机构自在度时应留意的几个问题、计算平面机构自在度时应留意的几个问题1复合铰链复合铰链: 两个以上的构件同时在一处以转动两个以上的构件同时在一处以转动副相联接副相联接, 就构成了复合铰链。假设就构成了复合铰链。假设m个个 构件以复合铰链相联接时，构件以复合铰链相联接时， 其构成的转动副数应等于其构成的转动副数应等于 (m-1)个。个。 复合铰链动画复合铰链动画计算钢板剪切机的自在度，并断定其运动能否确定。 解：由

10、图知 、 、 ，其中B处为复合铰链，含两个转动副。得机构自在度323 52 701LHFnPP 机构中原动件只需一个，等于机构的自在度数，所以机构具有确定的相对运动。5n 7LP 0HP 2部分自在度部分自在度: 某些构件所产生的部分某些构件所产生的部分运动并不影响其他构件的运动运动并不影响其他构件的运动, 这种部分运这种部分运动的自在度称为部分自在度。在计算机构动的自在度称为部分自在度。在计算机构自在度时自在度时, 应将机构中的部分自在度除去不应将机构中的部分自在度除去不计。计。 右图中的部分自在度经上述处置后，那么机构自在度：323 22 2 11LHFnPP 部分自在度动画部分自在度动画

11、3 3 虚约束虚约束: : 对机构运动实践上不起约束作用的约对机构运动实践上不起约束作用的约束称为虚约束。束称为虚约束。1转动副轴线重合的虚约束转动副轴线重合的虚约束 转动副轴线重合的虚约束动画转动副轴线重合的虚约束动画2 2挪动副导路平行的虚约束挪动副导路平行的虚约束 当两构件在多处构成挪动副，并且各挪动副的导路相互平行，那么其中只需一个挪动副起实践的约束作用，而其他挪动副均为虚约束。 多个挪动副虚约束动画多个挪动副虚约束动画多个挪动副虚约束动画多个挪动副虚约束动画3 3机构对称部分的虚约束机构对称部分的虚约束 机构中对传送运动不起独立作用的对称部分，会构成虚约束。如以下图所示的行星轮系，二

12、个对称布置的行星轮中只需一个起实践的约束作用，另一个为虚约束。机构对称部分的虚约束动画机构对称部分的虚约束动画4 4轨迹重合的虚约束轨迹重合的虚约束 机构中联接构件上点的轨迹和机构上联接点的轨迹重合，会构成虚约束。如以下图图中序号1-5均指构件所示的平行四边形机构中，联接构件5上E点的轨迹就与机构连杆2上E点的轨迹重合。 轨迹重合的虚约束动画计算平面机构的自在度举例计算平面机构的自在度举例 计算以下图所示的筛料机构的自在度。筛料机构动画筛料机构动画解：解： 1检查机构中有无上述三种留意情况：检查机构中有无上述三种留意情况： 由图中可知，机构中滚子自转为部分自在度；顶由图中可知，机构中滚子自转为

13、部分自在度；顶杆杆DF与机架组成两导路重合的挪动副与机架组成两导路重合的挪动副E、E， 故其中之一为虚约束；故其中之一为虚约束；C处为复合铰链。去除处为复合铰链。去除部分自在度和虚约束以后，应按图部分自在度和虚约束以后，应按图b计算自在度。计算自在度。 2计算机构自在度计算机构自在度 机构中的可动构件数为机构中的可动构件数为n=7, PL=9，PH=1，故，故该机构的自在度为该机构的自在度为 F=3n2PLPH=372911=2 2.2 2.2 平面连杆机构的类型及运用平面连杆机构的类型及运用 平面连杆机构是由假设干个构件用转动副或挪动副联接组成的平面机构。 由于低副是面接触，故传力时压强低，

14、磨损小，寿命长；另外，低副的接触面为平面或圆柱面，便于加工制造和保证精度。 2.2.1 铰链四杆机构铰链四杆机构：四个运动副都是转动副的四杆机构。各个构件称号： 机架固定不动的构件。连架杆直接与机架相连的构件。曲柄：能整周回转；摇杆：不能整周回转。 连杆不直接与机架相连的构件。铰链四杆机构动画铰链四杆机构动画铰链四杆机构极位动画铰链四杆机构极位动画1、铰链四杆机构的根本类型：、铰链四杆机构的根本类型：1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 ：两个连架杆一为曲柄，一为：两个连架杆一为曲柄，一为摇杆。摇杆。 如：缝纫机踏板机构如：缝纫机踏板机构 搅拌机搅拌机构构 2、双曲柄机构：两个连架杆都是曲柄。、双曲

15、柄机构：两个连架杆都是曲柄。 如：插床机构如：插床机构 惯性筛机构惯性筛机构正平行四边形机构正平行四边形机构 其运用：车辆联动机构其运用：车辆联动机构反平行四边形机构反平行四边形机构 其运用：其运用： 车门机构车门机构曲柄摇杆机构动画曲柄摇杆机构动画缝纫机踏板机构动画缝纫机踏板机构动画缝纫机动画缝纫机动画(3D)缝纫机跳线机构动画缝纫机跳线机构动画缝纫机刺布机构动画缝纫机刺布机构动画3D)搅拌机动画搅拌机动画雷达天线俯仰机构动画雷达天线俯仰机构动画双曲柄机构动画双曲柄机构动画惯性筛动画惯性筛动画升降台动画升降台动画3D)正平行四边形动画正平行四边形动画机车车轮动画机车车轮动画(3D)机车车轮联

16、动机构动画机车车轮联动机构动画反平行四边形动画反平行四边形动画车门启闭机构动画车门启闭机构动画车门启闭动画车门启闭动画(3D)(3D)3、双摇杆机构：两个连架杆都是摇杆。、双摇杆机构：两个连架杆都是摇杆。 其运用：鹤式起重机其运用：鹤式起重机 飞机起落架飞机起落架 双摇杆机构动画双摇杆机构动画 飞机起落架动画飞机起落架动画鹤式起重机动画鹤式起重机动画车轮转向机构动画车轮转向机构动画3D)刮雨器机构动画刮雨器机构动画2铰链四杆机构方式的判别曲柄存在的条件：曲柄存在的条件：1曲柄为最短构件；曲柄为最短构件；2最短杆与最长杆之和小于或等于其他最短杆与最长杆之和小于或等于其他两杆之和。两杆之和。杆长之

17、和条件。杆长之和条件。最短杆的两端都是回转副。最短杆的两端都是回转副。机构演化：取不同构件为机架机构演化：取不同构件为机架 取不同构件为机架的四杆机构演化。取不同构件为机架的四杆机构演化。1最短杆为机架最短杆为机架-双曲柄机构；双曲柄机构；2最短杆的邻边为机架最短杆的邻边为机架-曲柄摇杆机构；曲柄摇杆机构；3最短杆对边为机架最短杆对边为机架-双摇杆机构。双摇杆机构。llll maxmin取不同构件为机架的四杆机构的动取不同构件为机架的四杆机构的动画画2.2.2 2.2.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化1曲柄滑块机构改动构件的外形及相对尺寸的演化改动构件的外形及相对尺寸的演化 曲柄摇杆曲

18、柄滑块曲柄摇杆曲柄滑块以下图为铰链四杆机构的演化。以下图为铰链四杆机构的演化。曲柄滑快机构动画曲柄滑快机构动画对心曲柄滑块动画对心曲柄滑块动画偏置曲柄滑块动画偏置曲柄滑块动画2 2、导杆机构、导杆机构 取不同构件为机架，可以获得如下机构：摆动导杆机构；转动导杆机构；曲柄摇块机构；挪动导杆机构； (a转动导杆机构 (b摆动导杆机构 (c牛头刨床主体机构其运用：牛头刨床机构转动导杆机构动画转动导杆机构动画牛头刨机构动画牛头刨机构动画牛头刨床动画牛头刨床动画(3D)(3D)挪动导杆机构动画挪动导杆机构动画3摇块机构 在对心曲柄滑块机构中，假设取构件2作机架，即得到以下图所示的摇块机构。这种机构广泛用

19、于摆缸式内燃机和液压驱动安装等机械中。 翻斗车机构动画翻斗车机构动画3D)3D)摇块机构动画摇块机构动画4 4定块机构定块机构 在曲柄滑块机构中，假设取构件3作机架，即可得到如以下图所示的定块机构。这种机构常用于手动抽水唧筒和抽油泵中。手摇唧筒动画手摇唧筒动画(3D)(3D)定快机构动画定快机构动画5 5偏心轮机构偏心轮机构 在平面四杆机构中，假设需曲柄很短，或要求滑块行程较小时，通常都把曲柄做成盘状，因圆盘的几何中心与转动中心不重合也称为偏心轮，即得到如以下图所示的偏心轮机构。 偏心轮动偏心轮动画画 按同样的演化方式，假设将铰链四杆机构中两杆长度趋于无穷大时，那么两个转动副由两个挪动副替代，

20、并分别取不同构件作机架，可演化出以下机构： 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构正旋机构动画正旋机构动画滑块联轴器滑块联轴器 椭圆仪椭圆仪双转块机构动画双转块机构动画3D3D椭圆规动画椭圆规动画双滑块机构动画双滑块机构动画3D)3D)2.3 2.3 四杆机构的根本特性四杆机构的根本特性2.3.1 2.3.1 急回特性与行程速比系数急回特性与行程速比系数1曲柄摇杆机构：极位夹角：摇杆位于两极限位置时曲柄两位置所夹的锐角。急回特性:从动摇杆往复摆动的平均角速度不等，空回行程的平均速度大于正行程的平均速度。 行程速比系数：00212112122112180180/tttCCtCCvvK11180kk2

21、曲柄滑块机构偏置的曲柄滑块机构： 有急回特性。对心的曲柄滑块机构： 无急回特性。3摆动导杆机构： 有急回特性。1, 0K1, 0K1,K2.3.2 2.3.2 压力角与传动角压力角与传动角 压力角压力角a：从动件所受的力与力作用点的速度方向之间所：从动件所受的力与力作用点的速度方向之间所夹的锐角。夹的锐角。 传动角传动角 g：压力角的余角。：压力角的余角。 a愈小，愈小， g愈大，对传动愈有利。愈大，对传动愈有利。 设计时限制最小传动角：设计时限制最小传动角： 普通普通 高速、重载高速、重载5040minmin 最小传动角运动演示动画最小传动角运动演示动画 最小传动角最小传动角min的位置：的位置：1曲柄摇杆机构：曲柄与机架共线。曲柄摇杆机构：曲柄与机架共线。 1当自动件与机架重叠共线时当自动件与机架重叠共线时(=0) 2当自动件与机架拉直共线时：当自动件与机架拉直共线时：(=180) 在上述两个传动角中取小值。在上述两个传动角中取小值。bcadcb2)(arccos222bcadcb2)(arccos180222 2曲柄滑块机构： 在曲柄与导路垂直的位置。3导杆机构曲柄滑块机构的压力角曲柄滑块机构的压力角导杆机构的传动角导杆机构的传动角90, 02.3.3 2.3.3 死点位置死点位置死点：机构的传动角为零的位置。死点：机构的传动角为零的