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第5章平面连杆机构及其设计§5.4连杆机构设计概论本章目录§5.2四杆机构的运动变换功能和性能指标§5.3多杆机构§5.1平面连杆机构的特点及应用§5.5连杆机构设计—解析法§5.6连杆机构设计—图解法连杆机构:全部构件都以低副联结而成的机构。平面连杆机构的特点优点:1能够实现多种形式的运动变换2低副连接承载能力强,易加工3运动副保证构件接触,不需外力锁合缺点:1连杆机构平衡困难,尤其对于高速运转的机构平面连杆机构中最基本的、最常用的是四杆机构§5.1平面连杆机构的特点及应用连续转动连续转动连续转动往复摆动往复移动连续转动岁月像极了一根盘根交错的藤,茂密而坚韧,即使曲曲折折,须子却扎的很深。翻一翻墙角的日历,好像只是一眨眼,大半年便过去了,我一直偏爱这老式的日历,过一天翻一张,日子久了,翻过去的纸张,侵着微微的黄晕,夹杂着丝丝缕缕的烟火味。这样的细数时光,让生活更多了回味与盼头。我总是怀念起年轻的时候,走过的路,去过的城市。那份所到之处都会带给我年轻的朝气与豪迈的热血与激情。走过了那么多的路,不禁感慨,年轻人如果条件允许,尽可能的要多迈开腿,走出去多看看,如果青春没那么多一往无前,老了又有多少回忆可做为茶余饭后的谈资?无数次在午夜梦回间,我仿佛再一次骑着俊马驰骋于草原,再一次轻摇浆板,放眼云烟于水墨江南。再一次领略西藏的神秘雄伟,再一次亲吻梦里的胡杨。我想在我美好的青春年华里,只要一抬腿就可以去自己想去的地方。待到暮年,我可以翻一翻老照片,寻找下自己年轻的影子。生活里那些布满青色苔藓的日子,终归会被一丝暖阳所照耀,人生的路就是如此,几度风雨几春秋。平面连杆机构的应用插床工作机构叉车的举升机构连续转动→往复移动引导一个构件按给定序列位置运动平面连杆机构的应用传送装置的主体机构使构件上指定点按预期轨迹运动平面连杆机构的应用AD——机架(与机架相连的杆)(与机架相对的杆)BC——连杆5.2四杆机构的运动变换功能和性能指标5.2.1铰接四杆机构:四个构件以四个转动副连接 而成的平面机构。ABCDAB、CD——连架杆曲柄:连架 杆能绕固定轴线作整周转动者为曲柄。
摇杆:连架 杆不能绕固定轴线作整周转动者为摇杆。ABCD曲柄摇杆机构曲柄连杆摇杆机架整周转动副整周转动副非整周转动副非整周转动副5.2.1铰接四杆机构整周转动副整周转动副非整周转动副非整周转动副双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构(a)(b)(c)铰接四杆机构中曲柄存在条件①②令a<d、
c<b①+②得:a<c,c<b并且a<d,所以a为最短杆。并且由公式①和②得出(1)最长杆与最短杆长度之和小于其余两杆长度之和。(杆长之和条件)连架杆与机架之中必有一个是最短杆。?5.2.1.11)曲柄摇杆机构应用连续转动往复摆动满足曲柄存在条件。最短杆作连架杆。2)双曲柄机构应用等速转动变速转动满足曲柄存在条件。最短杆作机架。3)平行四边形机构(双曲柄机构特例a=c;b=d)联动装置应用等速整周转动等速整周转动等速整周转动非等速整周转动平行四边形和反平行四边形机构在重叠共线位置具有运动不确定性。4)双摇杆机构应用摆动摆动满足杆长之和条件,最短杆的对边作机架;若不满足杆长之和条件,无论取哪个构件作机架,都是双摇杆机构。5.2.1.2铰接四杆机构的急回特性问题铰接四杆机构中只有曲柄摇杆机构可能存在急回特性。急回特性:从动件往复行程速度不等,我们说机构有急回特性。ABCDABCDABCDAB1C2DB2C1曲柄摇杆机构中,当摇杆处于极限位置时,曲柄和连杆处于延伸共线和重叠共线位置。-极位夹角B2AB1C2DC1极位夹角:在从动件处于两个极限位置时,对应连杆位置的夹角θ被称为极位夹角。回程所用时间为
,对应工作行程所用时间为
,对应-摇杆摆角范围曲柄摇杆机构的工作过程-急回系数KB2AB1C2DC1C1C2D选从动件处的固定铰链D位置如图。3.求极位夹角可见,只需在固定平面上找到一点A,使,A点即为曲柄转动中心,进而可以求出曲柄摇杆机构。2.任取从动件长度c,画出两极限位置C1D、C2D,其间夹角教材P57C1C2MD连接C1C2,做中垂线,在其上找到一点M,使2.以M为圆心,MC1为半径画圆,则圆上圆弧所对应的圆心角则在此圆上任选一点A,都满足圆上圆弧所对应的圆周角A从动件长度c、固定铰链位置A任选因此,本题的解有无穷多个!C1C2ab
MDAB1B2根据a长确定动铰链B的位置不要忘记检验机构中是否存在曲柄!5.2.1.3压力角、传动角与死点压力角:从动件上所受驱动力方向与力的作用点速度方向的夹角F1F2vFABCD压力角越小,F的有用功分量越大,传力性能越好。机构运转过程中,压力角是时刻变化的。传动角:连杆BC与从动件CD之间的夹角FADBCvCABDCABD出现在曲柄与机架延伸共线和重叠共线的位置死点:对于铰接四杆机构来说,死点是连杆与从动件共线的位置。如图曲柄摇杆机构:当曲柄为主动件时,不会出现死点位置;当摇杆为主动件时,会出现两个死点位置。当机构处于死点位置时,无论主动件上施加多大的力也不会使机构运动。AB1B2C1C2D2.利用错位排列的方法克服死点死点的利弊—克服坏处1.利用惯性来渡过死点利用死点,防止起落架收回死点的利弊—利用益处利用死点,夹紧机构死点的利弊—利用益处5.2.1.4连杆曲线连杆曲线:平面连杆机构中的连杆作平面复杂运动,其上任一 点在运动过程的中轨迹称为连杆曲线。铰接四杆机构的连杆曲线一般是六次代数曲线。5.2.2曲柄滑块机构曲柄滑块机构可看作由曲柄摇杆机构演化而得。ABCDABCeABC转动副D的同性异形演化。e=0,对心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曲柄回转中心A在过C点导路延长线上,称对心曲柄滑块机构显然,曲柄存在条件为:a≤b即动铰链B能通过M点。(2)曲柄与连杆(机架)两次共线位置对应滑块两个极限位置。(3)曲柄为主动件,滑块行程S=2a,显然无急回特性。滑块为主动件时,传力角
显然机构存在两个死点B1和B2曲柄为主动件时,压力角
显然,为保证传力性能好,推荐,ABCB1B2abC1S=2aC2M减小工作行程压力角,改善工作行程的传力性能。(1)显然,偏置曲柄滑块机构中曲柄存在条件为:偏置曲柄滑块机构ABC即动铰链B能通过B1点。偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构的急回特性α1α21)曲柄滑块机构4)导杆机构2)定块机构3)摆块机构ABCABCABCABC5.2.3导杆机构导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来ABCABCABC曲柄滑块变换机架摆块机构导杆机构移动副同性异形演化ABCaba<b摆动导杆机构匀速转动往复摆动a>b回转导杆机构匀速转动变速转动ABabC导杆机构摆动导杆机构的特点:1、传动性能好,压力角急回系数:2、有显著的急回特性ab匀速转动往复摆动A1BCA2急回行程所用时间为
,对应工作行程所用时间为
,对应(a<b)摆动导杆机构的特点:ab匀速转动往复摆动A1BCA24、导杆慢行程一般对应工作行程,速度较小且速度变化均匀。3、导杆往复摆动是各自对称的教材P61图5-1913复行程所用时间为
,对应往行程所用时间为
,对应C2
——C1,构件1转动构件3转180°ω3>ω12134p14p12p23∞p34p13p13ABCC1C2∞∞p13C1——C2,构件1转动,构件3转180°,ω1>ω3回转导杆机构:当摆动导杆机构中a>b时,曲柄整周转动也能带动导杆整周转动,机构称为回转导杆机构。匀速转动非匀速转动连杆AB中点的轨迹为圆,其余点轨迹为椭圆+5.2.4几种其他类型的四杆机构Ⅱ级杆组共有5种类型,将他们分别与主动件和机架相连接组成四杆机构:+1.椭圆仪机构2)椭圆仪机构的演化机构转动的主动件+RPP杆组而成1234+十字滑槽联轴器教材P78图5.17谁是投影面?1234变换机架3)正弦机构可用于小型冲压机AByABy由转动的主动件+RPP杆组而成。+
正弦机构5.3多杆机构牛头刨床利用了摆动导杆机构的急回特性。S>>2a对应特定工艺动作要求,四杆机构不能实现时,需应用多杆机构。(1)要求机构有较大行程的往复移动,且有显著的急回特性时摆动导杆机构+RRP杆组摆动导杆机构+RPP杆组a5.3多杆机构缺点:行程大小的调节是通过改变曲柄长度a的大小。因此,改变行程的同时必然改变了机构的急回特性。插床利用了回转导杆机构的变速转动性质。+回转导杆机构对心曲柄滑块机构调节行程的大小只须改变AB的长度,而不改变机构的急回特性。(1)要求机构有较大行程的往复移动,且有显著的急回特性时插床利用了双曲柄机构的变速转动性质。增力机构(2)要求机构能够克服很大的工艺阻力增力原理FV=PV越小F越大AB,BC接近共线时,CD,CE也接近共线,B,C,E点位移依次缩小。滑块在E点速度很小,可以克服很大的阻力。ABDCE间歇机构(3)要求机构行程的某一位置有一段间歇实现从动件间歇运动本是凸轮机构的特长,但在承受较大工艺载荷的情况下,宜采用连杆机构。ABC§5.4连杆机构设计概论刚体导引问题函数变换问题轨迹复演问题按给定的运动变化要求,确定连杆机构的几何尺寸称为连杆机构设计。机构运动简图设计,也称为连杆机构的运动学综合问题。5.4.1刚体导引问题设计一个连杆机构,导引一个构件历经给定的序列位置。1234四杆机构可实现刚体的导引,连杆作平面运动。定铰链——圆心点动铰链——圆点设计一个连杆机构,导引一个构件历经给定的序列位置首先看看最简单的铰接四杆机构是否满足要求?5.4.1刚体导引问题A1A2A3B1B2B3A0B0A0A1A2A3A4刚体导引机构综合问题的实质:对应给定的动平面序列位置,在动平面上确定圆点和在固定平面上确定圆心点。5.4.2函数变换问题要求机构的主动件与从动件之间满足一定函数关系的运动变换称为函数变换问题。ra=rb=rcosβⅠ轴Ⅱ轴只要手轮(Ⅰ轴)转角α与Ⅱ轴转角β满足上式时,流量即与手轮转角α成比例设计铰接四杆机构使两连架杆转角之间符合,这就是函数机构综合问题。xyxax1x2x3x4xb函数机构的综合问题转化为按给定两连架杆对应转角的综合问题四杆机构各构件之间的转角关系不因固定件不同而变化,因此按给定两连架杆对应位置的综合问题可转化为刚体导引问题。函数机构的综合问题转化为按给定两连架杆对应转角的综合问题可见,函数变换问题也可归结为:圆点和圆心点的求解问题。A0B0B1A1B2A2B3A3A0A1B0B15.4.3轨迹复演问题轨迹复演问题可以应用插值逼近的方法也转化为:刚体导引的圆点和圆心点求解问题A2A1A3A4P1P2P3P4ab'A0机构的工艺动作有一些是要求执行构件某一点按一定形状的轨迹运动。按给定轨迹形状确定连杆机构尺寸和连杆上描迹位置即轨迹复演机构的综合问题。§5—6用图解法设计连杆机构E1E2A2B2A0B0A1B1E3A3B3A0A1B1B0就是所求机构的第一个位置。原理M1M2N1N2E1E2P12P12——转动极(极)E1、E2两个位置一经确定,P12、θ12就确定与选择的参考点无关θ12——有向转动角动平面由E1到E2的位置过程中,动平面上任意一点都绕P12转θ12方法:半角转动法转动极P12的求法1.分别在动平面由E1、E2的位置上任选两个参考点M1、M2、N1、N2M1M2N1N22.连接M1、M2和N1、N2P124.m12、n12的交点即为P12
m12n123.作M1、M2的垂直平分线m12;作N1、N2的垂直平分线n12有向转动角θ12的求法∠M1P12
M2=∠N1P12N2=θ12M1M2N1N2P12m12n12连接P12M1和P12M2,所夹的角即为转动角θ12连接P12N1和P12N2
,所夹的角也为转动角θ12M1M2N1N2P12m12n12∠M1P12
M0=∠N1P12N0=θ12/2θ12/2——有向角E1、E2两个位置一经确定,P12、θ12就确定,与选择的参考点无关,半角θ12/2也确定。M1M2N1N2P12m12n12始边终边始边终边M1M2N1N2P12m12n12动平面由E1到E2的位置可由四杆机构实现m12上任选M0—定铰链动平面上任选参考点M——动铰链引导平面由E1到E2的位置的四杆机构有无数N0M0n12上任选N0—定铰链动平面上任选参考点N——动铰链M1M2N1N2P12m12n12A1B1A0B05.连接各构件,将动平面固定到连杆上1.求极点P122.求转动半角θ12/2
3.刚化半角,绕极点P12转动4.在始边选动铰链,在终边选定铰链θ12/2导引动平面由E1到E2的位置的四杆机构求法M1M2N1N2P12A1B1B0A0A0A1B1B0就是所求机构的第一个位置。例:一卸料车,料斗卸料时要经过图示两位置,设计一四杆机构导引料斗的动作,要求固定铰链选在车体上A0B0两点。将半角看作一刚性角,可绕极任意转动,在始边上选动铰链,在终边上选定铰链。M1M2N1N2P12N0把M
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