机械设计基础课件 项目一 平面连杆机构

项目一：平面连杆机构员工培训员工教育企业文化企业宣传机械设计基础CONTENTS目录任务一

静力学基础知识任务二

机构中运动副及简图表示任务三平面连杆机构原理分析与设计任务四缝纫机踏板机构原理、受力分析及简图绘制3任务一

静力学基础知识一、力

力是物体间的相互作用，其效果是使物体的运动状态发生改变（平动或转动）或物体发生变形。

静力学只研究刚体，因此，只讨论物体在力的作用下整体的平衡问题。力的单位，采用国际单位时为：或牛顿（N）千牛（kN）1kN=103N4任务一

静力学基础知识力对物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点。我们称之为力的三要素1.力的三要素力是矢量，用“F”或表示。（已知力的方位和作用点，但未知它的指向和大小，这时可以任意预设指向）力是一个具有固定作用点的定位矢量。AA或5任务一

静力学基础知识2.力的性质（1）

二力平衡公理作用在同一刚体上两力平衡的必要和充分条件是：两力等值、反向、共线。在两个力作用下平衡的构件称为二力杆。6任务一

静力学基础知识只有两个力作用下处于平衡的物体二力构件不是二力构件二力杆不一定是直杆7任务一

静力学基础知识若在作用于刚体上的已知力系上添加或减去任何平衡力系，则对刚体的作用效应并不改变。＝（2）加减平衡公理在此，力是有固定作用线的滑动矢量8任务一

静力学基础知识（3）平行四边形公理作用在物体的同一点上的两个力的合力仍作用在该点上，其大小和方向由两个力组成的平行四边形的对角线表示。9任务一

静力学基础知识F1F2RF1F2R

1

210任务一

静力学基础知识力的正交分解力的分解是力的合成的逆运算，同样遵循平行四边形法则。RF1F2F11F22R=F1+F2R=F11+F22为了使解答唯一且计算方便，一般把一个已知力沿两个相互垂直的方向进行分解称为力的正交分解。xyαFFxFyFx=FCOSαFY=FSinα11任务一

静力学基础知识4.作用与反作用公理两物体间的相互作用力总是同时存在，且其大小相等、方向相反、沿同一直线，但作用在两个不同的物体上。[例]

吊灯有人说两个人打架一个痛一个不痛，为什么？12任务一

静力学基础知识二、约束力与约束反力约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。（阻碍物体运动的装置）约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。（约束反力总是与物体运动或运动趋势的方向相反）如：踢到墙上的足球所受的力。

自由体：位移不受限制的物体叫自由体。非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。约束反力以外的力统称为主动力，工程上又称荷载。如：物体的自重，土压力、水压力等。

1、约束的概念13任务一

静力学基础知识主动力特点：①大小常常是已知的或给定的；②方向是确定的。①大小常常是未知的；②方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；③作用点在物体与约束相接触的那一点。约束反力特点：静力分析的实际问题往往就是根据已知的主动力去求解未知的约束反力，以作为工程的设计、校核的依据。GGF1F214任务一

静力学基础知识2、约束的基本类型（1）柔性约束（绳索、皮带、链条）作用线：沿柔体中心线方向：离开被约束体（拉力）PPFS1S'1S'2S2AAF1F215任务一

静力学基础知识（2）光滑面约束(光滑指摩擦不计)PFNFNPFAFB作用线：沿约束面的公法线，通过接触点方向：指向被约束体16任务一

静力学基础知识（3）圆柱形铰链约束作用线：通过铰链中心，在垂直销钉轴线的平面内方向：待定（可用两个分力表示）ABCABC销钉ABCFCCCFCYFCXFCY’FCX’17任务一

静力学基础知识固定铰支座（a）XY（b）（c）（d）（e）（f）作用线：通过铰链中心，在垂直销钉轴线的平面内方向：待定（可用两个分力表示）18任务一

静力学基础知识活动铰支座作用线：通过销钉中心，垂直于支承面。方向：指向物体F19任务一

静力学基础知识固定端支座作用在固定端的一个力，和一个力偶，力的方向不定，通常可用两个分力表示。FxFyM固定端支座：20任务二

机构中运动副及简图表示一.运动副：两构件直接接触并能产生相对运动的连接，称为运动副,是可动连接。

21任务二

机构中运动副及简图表示2.运动副的分类（1）低副

22任务二

机构中运动副及简图表示2.运动副的分类（2）高副

齿轮副凸轮副23任务二

机构中运动副及简图表示空间运动副

螺旋副球面副24任务二

机构中运动副及简图表示二、运动副结构及符号

运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副25任务二

机构中运动副及简图表示杆、轴构件固定构件同一构件一般构件的表示方法二、运动副结构及符号

26任务二

机构中运动副及简图表示三副构件两副构件四副构件27任务二

机构中运动副及简图表示

三、机构运动简图的绘制

表示机构的组成和各构件间相对关系的运动简图，称为平面机构的运动简图。1.平面机构运动简图的概念2.平面机构运动简图的绘制（1）分析机构的运动和结构，找出机架、主动件、从动件、执行件。（2）分析机构的运动特征，从主动件开始，沿运动传递路线，逐个分析构件间相对运动的性质，依次确定运动副的类型和数量。（3）选择适当的投影平面和比例尺。（4）用规定符号和线条绘制机构运动简图。

28任务二

机构中运动副及简图表示

抽水唧筒主体机构的运动简图

1.分析机构的运动和结构手柄1（主动件）、杆件2、活塞杆3、抽水筒4（机架）2.确定运动副的类型和数量转动副——手柄1与杆件2、杆件2与活塞杆3、手柄1与抽水筒4移动副——抽水筒4与活塞杆33.选择投影面4.确定比例尺，用规定符号和线条，绘制出机构运动简图，用箭头标出主动件的运动方向29任务三

平面连杆机构原理分析与设计

一.铰链四杆机构1、铰链四杆机构的组成和类型由若干刚性构件用低副联接而组成的机构称为连杆机构。30任务三

平面连杆机构原理分析与设计

空间连杆机构平面连杆机构空间连杆机构平面连杆机构

连杆机构31任务三

平面连杆机构原理分析与设计

四个杆+转动副-----铰链四杆机构，是平面四杆机构最基本形式。连架杆—与机架用转动副相连接的杆1和杆3；连杆—不与机架直接连接的杆2；机架—机构的固定件4；32任务三

平面连杆机构原理分析与设计

铰链四杆机构的基本类型

曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构根据两连架杆的是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为：33任务三

平面连杆机构原理分析与设计

34任务三

平面连杆机构原理分析与设计

2.铰链四杆机构形式的判别1.平面四杆机构存在曲柄的条件设l1

<l4，连架杆若能整周回转，必有两次与机架共线。

a+c≤b+d

a+b≤d+cd+a≤b+c由△B′′C′′D可得：由△B′C′D可得：c≤（d-a）+bb≤（d-a）+c将以上三式两两相加得：

即：AB

为最短杆a≤ba≤ca≤d

同理，若l1>l4，可得：l4≤l1,l4≤l2,l4≤l3即：AD

为最短杆

35任务三

平面连杆机构原理分析与设计

①在曲柄摇杆机构中，曲柄是最短杆；②最短杆与最长杆长度之和应小于或等于其余两杆长度之和（又称杆长和条件）。

曲柄存在的条件:36任务三

平面连杆机构原理分析与设计

3、平面连杆机构的演化1.曲柄滑块机构

如图a）所示的曲柄摇杆机构中，摇杆3上C点的轨迹是以D为圆心、CD为半径的弧mm。现将转动副D的半径扩大，使其半径等于CD，并在机架上按C点的近似轨迹mm做成一弧形槽，摇杆3做成与弧形槽相配的弧形块，如图b）所示。此时虽然转动副D的外形改变，但机构的运动特性并没有改变。37任务三

平面连杆机构原理分析与设计

1.曲柄滑块机构38任务三

平面连杆机构原理分析与设计

2.偏心轮机构

如图所示的偏心轮机构，是将曲柄1做成以几何中心B与回转中线A不相重合的圆盘，因运动时该圆盘绕偏心A转动，故称偏心轮1。AB之间的距离e称为偏心距，它等于曲柄的长度。当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。39任务三

平面连杆机构原理分析与设计

3.导杆机构如图a)所示为曲柄滑块机构，如将其中的曲柄1作为机架，连杆2作为主动件，则连杆2和构件4将分别绕铰链B和A作转动。如图b）所示，若AB<BC，则杆2和杆4均可作整周回转，故称为转动导杆机构。如图c）所示，若AB>BC，则杆4只能作往复摆动，故称为摆动导杆机构。40任务三

平面连杆机构原理分析与设计

3.导杆机构导杆机构的传动角始终等于900，具有较好的传力性能，常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。41任务三

平面连杆机构原理分析与设计

4.摇块机构在曲柄滑块机构中，若取杆2为机架，则构件1绕固定轴B做整周转动，而滑块3成为绕固定轴C作往复摆动的摇块，即可得右图所示的摆动滑块机构，或称摇块机构。该机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置中。如右图所示为摇块机构在自卸货车上的应用，以车架为机架AC，液压缸筒3与车架铰接于C点成摇块，主动件活塞及活塞杆2可沿缸筒中心线往复移动成导路，带动车箱1绕A点摆动实现卸料或复位。42任务三

平面连杆机构原理分析与设计

5.定块机构将对心曲柄滑块机构中的滑块固定为机架，就成了定块机构，如图a)所示。图b)为定块机构在手动唧筒上的应用，用手上下扳动主动件1，使作为导路的活塞及活塞杆4沿唧筒中心线往复移动，实现唧水或唧油。ABC321443任务三

平面连杆机构原理分析与设计

1.急回运动特性和行程速比系数

曲柄与连杆两次共线位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角，它是标志机构有无急回特性的重要参数。

摇杆在两极限位置之间的夹角ψ称为摇杆的摆角，也称为摇杆的行程。

把曲柄当主动件作匀速转动时，从动件回程速度大于工作行程速度的现象，称为急回特性。二、铰链四杆机构的工作特性44任务三

平面连杆机构原理分析与设计

为了表达机构急回特性的相对快慢程度，常用从动件回程速度与工作行程速度之比来说明，即行程速比系数K机构的急回程度取决于极位夹角的大小。只要θ

≠0

，就有

K>1，

机构无急回特性。θ越大，K越大，机构急回特性也越显著，但机构运动平稳性就越差，所以，一般取K≤2。极位夹角的计算式为45任务三

平面连杆机构原理分析与设计

力F的作用线与力的作用点C点的速度Vc之间所夹的锐角α称为压力角，压力角α的余角γ称为传动角。2.压力角和传动角切向分力Ft=

Fcosα=Fsinγ有效分力法向分力Fn=Fcosγ有害分力γ↑

Ft↑

对传动有利。常用传动角γ的大小来表示机构传力性能的好坏。46任务三

平面连杆机构原理分析与设计

2.压力角和传动角47任务三

平面连杆机构原理分析与设计

对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，在连杆与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。机构的这种位置称为：“死点”（机构的死点位置）3.死点位置在“死点”位置，机构的传动角

γ＝0可以利用回转机构的惯性或添加辅助机构来克服。48任务三

平面连杆机构原理分析与设计*

可以利用“死点”位置进行工作，例如：飞机起落架、钻夹具等。*“死点”位置的过渡方法：依靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。两组机构错开排列，如火车轮联动机构。3.死点位置A’E’D’G’B’F’C’ABEFDCGABCD49任务三

平面连杆机构原理分析与设计*

可以利用“死点”位置进行工作，例如：飞机起落架、钻夹具等。3.死点位置ABCDABCD1234P钻孔夹具工件ABCD1234工件Pγ=0T50任务三

平面连杆机构原理分析与设计

三、平面机构的自由度1.平面机构自由度的计算（1）自由度和约束自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动参数的数目。

一个作平面运动的构件可以做沿轴x、轴y和绕垂直于xoy平面的轴的转动。这个自由构件有三个独立运动的可能性。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。

51任务三

平面连杆机构原理分析与设计

约束：当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为约束。自由度和约束的关系：运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。运动副既限制了两构件的某些相对运动，又允许构件间有一定的相对运动。1.平面机构自由度的计算（1）自由度和约束52任务三

平面连杆机构原理分析与设计

计算公式：1）机构的构件总数N2）活动构件数n=N－13）组成运动副前，机构总自由度为3n组成运动副后，机构的自由度：F＝3n-2PL-Ph平面机构的自由度F取决于运动链中活动构件的数目、运动副的类型和数目53任务三

平面连杆机构原理分析与设计

【案例分析】机架1肘板4动颚3曲轴2ABCD确定颚式破碎机的自由度n=3,PL=4,PH=0F=3n–2PL–PH`=3×3–2×4–0=154任务三

平面连杆机构原理分析与设计

2.机构具有确定运动的条件机构能否实现预期的运动，取决于运动是否具有可能性和确定性。机构自由度原动件结论F＝3

3-2

4=11F=原动件数目

机构有确定运动F＝3

3-2

4

=12F＜原动件数目

机构运动不确定55任务三

平面连杆机构原理分析与设计

2.机构具有确定运动的条件F＝3

4-2

5

=21F＞原动件数目

机构运动不确定F＝3

2-2

3

=00F＝0

机构为桁架结构，不能运动机构具有确定运动的充要条件是：机构自由度必须大于零，且主动件数与其自由度数必须相等。F＞0且等于原动件的数目56任务三

平面连杆机构原理分析与设计

3.计算平面机构自由度时的注意事项（1）复合铰链定义：由三个或三个以上构件在同

一轴线上用转动副构成的连接。三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。57任务三

平面连杆机构原理分析与设计