《汽车机械基础》第13章-平面机构

第十三章平面机构13.1平面机构运动分析13.2平面连杆机构13.3凸轮机构第十三章平面机构学习目标：1.了解机构及运动副的概念；知道平面机构运动简图的绘制；2.掌握平面机构自由度的计算；3.熟练掌握铰链四杆机构基本形式、演化及应用；4.掌握平面四杆机构的基本特性；5.熟悉凸轮机构的应用和分类；6.认识凸轮机构的工作过程及从动件的运动规律；13.1平面机构运动分析13.1.1机构的组成13.1.2运动副及分类13.1.3自由度及约束13.1.4机构运动简图及绘制13.1.5平面机构自由度的计算13.1.6平面机构具有确定运动的条件13.1.1机构的组成

1.构件－独立的运动单元

零件

－独立的制造单元定义：具有确定运动的运动链称为机构。2.机构机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。从动件－其余可动构件。机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件13.1.2运动副及分类1.定义：运动副－－两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动三个条件缺一不可运动副元素－直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。2.按运动副元素分有：

1）高副(highpair)－点、线接触，应力高。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。2）低副(lowerpair)－面接触，应力低。例如：转动副（回转副）、移动副。13.1.3自由度及约束定义：一个作平面运动的自由构件可以产生三个独立运动。作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：yx12yx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=3移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3结论：构件自由度＝3－约束数13.1.4机构运动简图及绘制机构运动简图－用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。1.作用：1）表示机构的结构和运动情况。2）作为运动分析和动力分析的依据。2.机构运动简图应满足的条件：

1）构件数目与实际相同；2）运动副的性质、数目与实际相符；3）运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。3.绘制机构运动简图思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。步骤：1）运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2）测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图；3）按比例绘制运动简图；简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm4）检验机构是否满足运动确定的条件。绘制图13－7所示内燃机的机构运动简图。1）曲柄滑块机构2）平面齿轮机构3）平面凸轮机构13.1.5平面机构自由度的计算活动构件数

n构件总自由度3×n低副约束数2×PL高副约束数1

×Ph

计算公式：F=3n－(2PL+Ph)由前述可知，曲轴4与齿轮4′、齿轮6′与凸轮6均都是固连成一个构件，因此该机构共有6个构件，即N＝6,n＝6－1＝5。另外，机构中有2个移动副、4个转动副和2个高副，则PL＝6，PH＝2，由公式可得该机构的自由度F为F=3n－(2PL+Ph)=3×5-2×6-2=1自由度计算中的特殊问题12345678ABCDEF解：活动构件数n=7低副数PL=6高副数PH=0=9F=3n－2PL－PH=3×7－2×6－0计算结果肯定不对！构件数不会错，肯定是低副数目搞错了！1.复合铰链－－两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m-1个转动副2.局部自由度在机构中不影响运动输出与输入关系的个别构件的独立运动自由度称为局部自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链：F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。3.虚约束在机构中与其他约束重复而对运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。在计算自由度时应先去除虚约束。（1）重复移动副：两构件组成多个移动方向相同的移动副时，其中只有一个是真实约束，其余的都是虚约束。（2）重复转动副：两构件组成多个轴线重合的转动副时，其中只有一个是真实约束，其余的都是虚约束。（3）重复结构：机构中对传递运动不起独立作用的对称部分会形成虚约束。（4）重复轨迹：机构中某构件联接点的轨迹与另一构件被联接点的轨迹重合。13.1.6平面机构具有确定运动的条件定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动数目称为机构的自由度。

原动件－能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数计算图13—15所示大筛机构的自由度。图13—15大筛机构

解：图中滚子具有一个局部自由度，顶杆3与机架8在E和E′处组成两个导路平行的移动副，其中一个为虚约束，C处为复合铰链。现将滚子F与顶杆3视为一体，消除局部自由度，再去除掉移动副E和E′中的一个虚约束，C处复合铰链含有二个转动副。则可得该机构的可动件数n=7，PL＝9（其中有2个移动副、7个转动副），PH＝1。由公式（13—1）可得该机构的自由度F为：F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1=213.2平面连杆机构13.2.1平面连杆机构的特点及应用13.2.2铰链四杆机构13.2.3铰链四杆机构类型的判别13.2.4铰链四杆机构的演化13.2.5平面四杆机构的特性13.2.1平面连杆机构的特点及应用123ABC4A1B2C3D44A12B3C56DE全低副（面接触），承受冲击力，易润滑，不易磨损运动副结构简单，易加工运动规律多样化、点的运动轨迹多样化运动副累积误差大，效率低惯性力难以平衡，不宜用于高速不能精确实现复杂的运动规律，设计计算较复杂13.2.2铰链四杆机构铰链四杆机构各部分的名称：构件机架相对固定连架杆曲柄摇杆整周回转往复摆动连杆平面运动机架连杆连架杆连架杆1.曲柄摇杆机构ABCD3214特征：曲柄＋摇杆功能：连续转动往复摆动雷达天线俯仰角调整机构汽车前窗的刮雨机构应用举例2.双曲柄机构铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄时，称为双曲柄机构。平行四边形机构机车车轮联动机构特性：▲两曲柄同速同向转动▲连杆作平动

3.双摇杆机构铰链四杆机构的两个连架杆均为摇杆时，称为双摇杆机构。ABCD3214功能：往复摆动往复摆动应用举例鹤式起重机13.2.3铰链四杆机构类型的判别1.周转副的条件：1)组成周转副的两构件之一为最短杆2)最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和——杆长条件lmin+lmax

l4+l3

最短杆两端的转动副均为周转副；其余转动副为摆转副。2.曲柄存在条件：满足杆长条件且连架杆或机架中必有一杆是最短杆。3.当铰链四杆机构满足杆长条件时，1）最短杆为连架杆时——曲柄摇杆机构2）最短杆为机架时——双曲柄机构（含平行四边形机构）3）最短杆为连杆时——双摇杆机构当铰链四杆机构不满足杆长条件时

—双摇杆机构

（无周转副）13.2.4铰链四杆机构的演化1.曲柄滑块机构变摇杆为滑块曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲线导轨曲柄滑块机构摇杆尺寸为无穷大e=02.导杆机构ABC3214导杆★转动导杆机构导杆能—作整周转动★摆动导杆机构—导杆在一定角度内摆动实例牛头刨床3.摇块机构ABC3214摇块功能：连续转动往复摆动应用实例自卸卡车4.定块机构ABC3214直动导杆定块功能：往复摆动往复移动314A2BC定块机构ABC3214手摇唧筒13.2.5平面四杆机构的基本特性1.急回特性1）概念极位夹角

——当机构处于两极位时，原动件所处两个位置之间的夹角。极位——机构所处的两个位置摆角φ——从动件两极限位置所夹的角2）急回运动原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的现象——急回运动a)曲柄转过摇杆上C点摆过：所用时间：b)曲柄转过摇杆上C点摆过：所用时间：c)设两过程的平均速度为V1、V2：回程速度大于正行程速度。3）行程速比系数K为表明急回运动程度，用行程速度变化系数K(timeratio)来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度比，即或：讨论：当θ>0时，机构具有急回运动特性；θ

K

，急回运动特性愈显著。2.压力角和传动角压力角

(Pressureangle)——不考虑摩擦时，机构输出构件上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。传动角

(Transmissionangle):

压力角的余角机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。

(

)

F

机构传动越有利一般要求：DCBF

VCDBCF3.死点——机构传动角γ=0º(α=90º)的位置当机构处于死点位置时，整个机构无法运动。以往复运动构件为主动件的机构，通常存在死点。13.3凸轮机构13.3.1凸轮机构的组成和特点13.3.2凸轮机构的分类13.3.3凸轮机构的工作过程13.3.4从动件常用运动规律13.3.5凸轮机构的压力角13.3.1凸轮机构的组成和特点由三个构件组成的一种高副机构凸轮cam：具有曲线轮廓或凹槽的构件从动件/从动件follower，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定机架frame从动件凸轮1.按凸轮形状分：盘形凸轮凸轮呈向径变化的盘形结构简单,应用最广泛从动件凸轮从动件凸轮13.3.2凸轮机构的分类移动凸轮凸轮呈板型,直线移动圆柱凸轮,空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动凸轮从动件2.按从动件形状：尖顶从动件

尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律易磨损，只宜用于轻载、低速滚子从动件耐磨、承载大，较常用平底从动件

接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动配合的凸轮轮廓必须全部外凸尖顶从动件滚子从动件平底从动件13.3.3凸轮机构的工作过程A从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角

变化的规律基圆(以凸轮轮廓最小向径所作的圆)，基圆半径r0推程，推程运动角

1远休止，远休止角

2

回程，回程运动角

3

近休止，近休止角

4

行程（升程），h运动线图:

从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角变化关系图

1

2

3

4r0

1推程

2远休止

3回程

4近休止t

s0BCD

hA’13.3.4从动件常用运动规律1.等速运动规律推程(0

1)运动方程：位移方程：速度方程：加速度方程：运动线图冲击特性：始点、末点刚性冲击适用场合：低速轻载hs

0

1v

0a

0-

DisplacementVelocityAcceleration

+