《机械设计基础》 课件 第三章-平面连杆机构；第四章-凸轮机构及间歇运动机构

第三章平面连杆机构§3.1铰链四杆机构的基本类型及性质§3.2铰链四杆机构具有曲柄的条件§3.3铰链四杆机构的演化§3.4平面四杆机构的运动设计§3.5

连杆机构的应用3.1铰链四杆机构的基本类型及性质连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。在平面机构中，应用最多的是平面四杆机构，尤其是铰链四杆机构。当平面四杆机构中的运动副均为转动副时，称为铰链四杆机构。4－机架，1、3－连架杆，2－连杆在两个连架杆中能作整周回转的构件称为曲柄，若只能绕其回转轴线作往复摆动的构件称为摇杆。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质铰链四杆机构根据两连架杆运动形式不同可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。一、曲柄摇杆机构铰链四杆机构中的两个连架杆，若一个是曲柄，另一个是摇杆时，称为曲柄摇杆机构。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质雷达天线俯仰机构缝纫机脚踏板机构3.1铰链四杆机构的基本类型及性质曲柄摇杆机构的主要特性：1.急回运动特性极限位置，摆角，极位夹角急回运动特性通常用行程速比系数K表示：或机构有无急回运动取决于极位夹角。当，急回运动消失，此时K=1；角越大，急回运动越明显。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质2.传力特性传力的好坏可用压力角来衡量。有效分力Ft越大，Ft越小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角必然出现在曲柄与机架两次共线的位置AB1或AB2处。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质3.止点特性当从动件上的传动角为零或压力角为90°时，驱动力对从动件的有效分力为零，这个位置称为机构的止点（死点）位置。止点位置对传动是不利的，通常采用构件自身的惯性或加装飞轮等措施使机构顺利地通过止点位置。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质止点特性的利用夹具机构3.1铰链四杆机构的基本类型及性质二、双曲柄机构铰链四杆机构中的两连杆架均为曲柄时，称为双曲柄机构。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质当双曲柄机构中组成四边形的两对称边构件的长度分别相等且平行时，称为正平行四边形机构。这种机构的运动特性是，两曲柄以相同的角速度沿相同的方向回转，这时连杆作平移运动。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质当双曲柄机构中对边的长度相等但不平行时，称为反平行四边形机构。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质三、双摇杆机构若铰链四杆机构中两连架杆均为摇杆时，则称为双摇杆机构。3.1铰链四杆机构的基本类型及性质等腰梯形机构3.2铰链四杆机构具有曲柄的条件铰链四杆机构中，能否具有作整周回转的曲柄是与机构中各杆的相对长度有关。铰链四杆机构具有曲柄的条件为：⑴曲柄是最短杆。⑵最短杆长度与最长杆长度之和应小于或等于其余两杆长度之和。3.2铰链四杆机构具有曲柄的条件结论：1.若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，最短杆为连架杆时，得到曲柄摇杆机构；当取最短杆为机架时，得到双曲柄机构；而当取最短杆为连杆时，得到双摇杆机构。2.若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不可能有曲柄存在，这时无论将哪一个杆作为机架都将得到双摇杆机构。3.3铰链四杆机构的演化常用的演化机构有：曲柄滑块机构、偏心轮机构、导杆机构等。一、铰链四杆机构的演化方式通过改变铰链四杆机构中各杆的长度，或改变回转副尺寸，或选取不同杆件作为机架等途径，还可得到四杆机构的各种不同演化型式。1.改变构件长度3.3铰链四杆机构的演化2.改变销轴半径（偏心盘）3.改变机架偏心盘摇杆机构偏心盘滑块机构曲柄摇杆双曲柄曲柄摇杆双摇杆3.3铰链四杆机构的演化4.复合演化3.3铰链四杆机构的演化二、常用演化机构1.曲柄滑块机构偏心距e≠0时，曲柄滑块机构称为偏置曲柄滑块机构，其K＞1。偏心距e＝0时，曲柄滑块机构称为对心曲柄滑块机构，其K＝1。内燃机3.3铰链四杆机构的演化2.导杆机构当l1≤l2时，称为回转导杆机构当l1＞l2时，称为摆动导杆机构摆动导杆机构具有急回特性，传力性能最好。回转式油泵、牛头刨床3.3铰链四杆机构的演化3.定块机构抽水机、抽油泵3.3铰链四杆机构的演化4.曲柄摇块机构各种摆动式原动机和工作机3.3铰链四杆机构的演化5.偏心盘机构冲床、压力机等3.4平面四杆机构的运动设计平面四杆机构的运动设计主要是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。常遇到下面两类问题：⑴按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计。⑵按照给定点的轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。设计机构的方法有图解法、解析法、实验法和图谱法等。3.4平面四杆机构的运动设计一、图解法设计平面四杆机构1.按连杆预定的两个或三个位置设计3.4平面四杆机构的运动设计3.4平面四杆机构的运动设计2.按两连架杆预定对应位置设计若已知杆AB、AD的长度及连架杆三组对应的位置，设计此铰链四杆机构。实质：求出连杆BC之尺寸及摇杆与连杆铰链点C的位置。反转法将问题转化成按连杆预定位置设计问题。标线：构件上标志其位置的线段。3.4平面四杆机构的运动设计反转法：指根据机构的倒置理论，通过取不同构件为机架，将按连架杆预定位置设计四杆机构转化为按连杆预定位置设计四杆机构的方法。机构倒置：3.4平面四杆机构的运动设计取待求的活动铰链所在杆为“新机架”3.4平面四杆机构的运动设计3.按行程速比系数K设计四杆机构设计具有急回特性的四杆机构时，一般是按工作要求先给出K值，然后由机构在极限位置处的几何尺寸关系，结合其他辅助条件，最后确定出机构简图的尺寸参数。⑴曲柄摇杆机构实质：求出曲柄的固定铰链中心A的位置，进而可求出其他各杆尺寸。已知：摇杆长度、摆角及行程速比系数K值3.4平面四杆机构的运动设计设计步骤1.按求出2.选择适当比例尺，取转动副D的位置，并按摇杆CD之长度与摆角作两个位置C1D,C2D。3.连接C1C2，并作得到交点P。4.作外接圆，按最小传动角或其他辅助条件确定点A的位置。按共线关系求各杆长度。AC1=l2-l1AC2=l2+l1l1=KC2l2=B2C23.4平面四杆机构的运动设计⑵偏置曲柄滑块机构一般已知滑块的行程H，偏距e及行程速比系数K，这时完全可参照曲柄摇杆机构的设计方法。⑶摆动导杆机构求曲柄长度的步骤：1.由已知K值求，且；2.任选一点作为固定铰链中心，作出导杆两个极限位置Dm、Dn，使其夹角3.作摆角的角平分线DC，并在其上按截取长AD等于机架长度即得曲柄转动中心A。4.过点A作极限位置的垂线AB1、AB2，则AB1(或AB2)即为曲柄长度。3.4平面四杆机构的运动设计二、用解析法设计四杆机构1.按给定的传动角设计四杆机构传动角的两个极限值：3.4平面四杆机构的运动设计2.按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构3.4平面四杆机构的运动设计令3.4平面四杆机构的运动设计三、连杆机构设计中应注意的问题1.防止轨迹干涉检查构件若干个极限位置的情况2.杆的行程及位置调节问题3.4平面四杆机构的运动设计调节行程大小：改变杆长。调节行程的起始位置：将连杆长度做成可调的。3.4平面四杆机构的运动设计3.杆件外形结构的变化由于受力及制造安装等因素的影响，机构中有些杆的外形结构需要改变。曲柄→偏心盘滑块C的尺寸增加到大于连杆的长度3.5连杆机构的应用一、平面四杆机构的应用实例1.缝纫机针杆机构及挑线机构3.5连杆机构的应用2.皮革机械中的低革打光机构3.玻璃陶瓷粉料筛选机构3.5连杆机构的应用4.铅笔间歇输送机构5.牙膏小包装盒机构3.5连杆机构的应用二、平面多杆机构的应用实例1.鞋底压平机构2.革面打光机构的导向机构3.5连杆机构的应用3.5连杆机构的应用3.5连杆机构的应用FvFvFvF,v3.5连杆机构的应用3.5连杆机构的应用第四章凸轮机构及间歇运动机构§4.1凸轮机构的类型§4.2从动件的常用运动规律§4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓§4.4设计凸轮机构应注意的问题§4.5

间歇运动机构§4.6凸轮机构及间歇运动机构的应用4.1凸轮机构的类型讨论：①你知道哪些凸轮机构，或者间歇运动机构。②这些机构由哪些零部件组成、各零部件的运动特征怎样。4.1凸轮机构的类型一、按凸轮的形状分类4.1凸轮机构的类型尖顶从动件二、按从动件的型式分类平底从动件滚子从动件4.1凸轮机构的类型s2CDh行程推程运动角远休止角回程运动角近休止角Bos2DrbeABC

凸轮的基圆该位置为初始位置4.2从动件的常用运动规律4.2从动件的常用运动规律常用的从动件运动规律：一、等速运动规律当凸轮以等角速度回转时，若从动件上升或下降的速度为一常数，这种运动规律称为等速运动规律。hOS2v0Ov2Oa2从动件在运动起始位置和终止两瞬时的加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。4.2从动件的常用运动规律二、等加速等减速运动规律从动件在前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动。149410h1423560s20vvmax0a0ae在o，m，e，各点处的加速度为突然变化的有限值的变化，因而产生有限惯性力的改变，结果将引起所谓柔性冲击。适用于中、低速场合。4.2从动件的常用运动规律三、简谐运动规律质点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。1'2'3'4'5'6'ha2123456amax-amaxvmaxv2123456s2柔性冲击4.2从动件的常用运动规律0s2123456四、正弦加速度运动定律无刚性冲击无柔性冲击从动件的加速度采用按正弦曲线变化的运动规律。4.2从动件的常用运动规律选择从动推杆的运动规律时，除考虑冲击外，还应注意各种运动规律的最大速度vmax的影响。最大速度→从动件的最大动量（动量较大时，在从动件起动、停止时会产生较大的冲击）最大加速度→从动件的最大惯性力→动压力（机构零件的强度与运动副的磨损）选择从动杆的运动规律时必须综合考虑。4.2从动件的常用运动规律4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓解析法、作图法一、移动从动件盘形凸轮轮廓的绘制1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮机构反转法原理：假想给整个机构加一公共角速度-ω,则凸轮相对静止不动，而推杆一方面随导轨以-ω绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。设计步骤4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓采用滚子从动件时：注意：凸轮基圆半径指理论廓线的最小半径设计说明：1)将滚子中心看作尖顶，然后按尖顶推杆凸轮廓线的设计方法确定滚子中心的轨迹，称其为凸轮的理论廓线；2)以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径rk为半径，作一系列圆；3)再作此圆族的包络线，即为凸轮工作廓线（实际廓线）。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓2.尖顶偏置移动从动件盘形凸轮机构设计步骤与对心直动相同偏距圆：以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径作的圆。应注意的不同点：★先作出基圆和偏距圆，根据推杆偏置方向确定其起始位置。★偏距圆与位移线图对应等分。★推杆在反转运动中依次占据的位置都是偏距圆的切线。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓（1）按已设计好的运动规律作出位移线图；-（2）按基本尺寸作出凸轮机构的初始位置；（3）按-

方向划分偏距圆得c0、

c1、c2

等点；并过这些点作

偏距圆的切线，即为反转导路线；c1c2c3c4c5c6c7

c0erbO180ºB1B3B4B2B5B8（4）在各反转导路线上量取与位移图相应的位移，得B1、B2、

等点，即为凸轮轮廓上的点。B6c10c8c9B7120ºB9B1060ºB0oS2180º120º60º12345678910h采用滚子从动件时：4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓滚子中心将描绘一条与凸轮廓线法向等距的曲线—理论廓线。rb指的是理论廓线的基圆。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓

作内包络线，得到凸轮的实际廓线；若同时作外包络线，可形成槽凸轮廓线。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓二、摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制设计要求：运动规律与直动推杆的运动规律相同，所不同的是将从动件的位移改为角位移。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓180º120º60ºo12345678910（1）作出角位移线图；（2）作初始位置；（4）找从动件反转后的一系列位置，得C1、C2、

等点，即为凸轮轮廓上的点。A1A2A3A5A6A7A8A9A10A4

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0（3）按-

方向划分圆R得A0、A1、A2

等点；即得机架反转的一系列位置；

0rb

B0L180°60°120°B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10

1C1

2C2

3C3C4C5C6C7C8C9C10ROA0a-用图解法设计凸轮轮廓曲线小结：1）确定基圆和推杆的起始位置；2）作出推杆在反转运动中依次占据的各位置线；3）根据推杆运动规律，确定推杆在反转所占据的各位置线中的尖顶位置，即复合运动后的位置；4）在所占据的各尖顶位置作出推杆高副元素所形成的曲线族；5）作推杆高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。4.3按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓4.4设计凸轮机构应注意的问题一、滚子半径的选择理论轮廓曲线为内凹曲线时，实际轮廓曲线的曲率半径rp为理论轮廓曲线的曲率半径与滚子半径rk之和，即的大小不受的限制理论轮廓曲线为外凸时，rp

=

min-rk

0

minrk

min>rk

0

min=rk

min=rk为避免运动失真，rp

=

min-rk3mm建议：rk0.8

min4.4设计凸轮机构应注意的问题

min<rk

0

minrk

二、压力角的校核自锁移动从动件推程，摆动从动件推程，移动、摆动从动件回程，4.4设计凸轮机构应注意的问题4.4设计凸轮机构应注意的问题设计凸轮机构：选定基圆半径rmin,绘制凸轮轮廓曲线对轮廓推程各处的压力角进行校核检验方法：在理论轮廓线比较陡的地方取若干点，作压力角校核。修改设计：加大凸轮基圆半径rmin,使最大压力角αmax减小。三、基圆半径对凸轮机构的影响设计凸轮机构时，凸轮的基圆半径rmin越小，设计的凸轮机构就越紧凑，但是基圆半径过小会引起压力角增大，致使凸轮机构工作情况变坏。4.4设计凸轮机构应注意的问题只能在保证αmax不超过许用值的前提下考虑缩小凸轮的尺寸。