第五章常用机构..ppt

1、第五章,常用机构,绪论 一、本章研究的对象及内容 1研究对象 机械应用实例：内燃机 机械 是机构和机器的总称。 机构 是指一种用来 传递与变换运动和力的 可动装置。 机器 是指一种执行机械运动装置， 可用来变换和传递能量、物料和信息,（1）机构指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等等 （2）机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息。 由实例可看出，各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以可以说，机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合体。 （3）机器的结构 传统的机器由如下三个部

2、分组成： 原动件传动部分执行部分 现代机器一般由如下四个部分组成 原动件传动部分执行部分控制部分,2研究内容 1） 机构的组成及其自由度的计算 2） 机构的运动分析 3）机构的力分析和机器动力学分析 4）常用机构的分析与设计 5）机构的选型与组合* 3学习的目的 为学习后续课程和掌握专业知识打好基础 为毕业设计提供机械设计知识 其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。,二、械设计基本要求和一般程序 1.机器应该满足的基本要求 (1)使用性要求 实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求（功能性要求） (2)经济性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径

3、有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。 (3)安全性要求 有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。,(4)工艺性要求 这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。 (5)可靠性要求 要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。 2.机械零件设计的基本准则及一般步骤 (1)根据零件的使用要求（如功率、转

4、速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。 (2)分析作用在零件上的载荷（拉力、压力，剪切力）。 (3)根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。,(4)分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。 (5)按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。 (6)绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。,第一节平面机构运动简图及自由度,1-1 平面机构的组成 1.构件 从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。 从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成

5、零件，这些独立制造单元体称为零件。 构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。,2.运动副 1）运动副定义 机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。 2） 运动副的分类 （1）按两个构件运动关系分为：平面运动副和空间运动副 （2）按其接触形式分：高副点线接触的运动副和低副面接触的运动副。 （3）按其相对运动形式分：转动

6、副（回转副或铰链）、移动副、螺旋副、球面副。,低副：两构件通过面接触组成的运动副。（约束了两个自由度，保留了一个自由度） 有转动副和移动副两种。 高副：两构件通过点或线接触组成的运动副。（约束了一个自由度，保留了两个自由度）,低副 (1) 转动副: 组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动。 约束了2个移动，保留了1个转动。,(2) 移功副 :组成运动副的两个构件只能沿某个轴线相对移动 约束了1个移动，保留了1个转动。,2、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副,3运动链 由两个或两个以上的构件通过运动副连接构成的系统称为 运动链 4.机构 具有固定构件的运动链称为机构。 机 架：机构中的固

7、定构件；一般机架相对地面固定不动； 原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件； 从动件：机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛,1-2 平面机构运动简图 一、用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。 二、绘制： 1、运动副的符号,2、构件符号：,表1-2,3、机构运动简图的绘制（模型：鄂式破碎机） 1）分析机构，观察相对运动； 2）找出所有的构件与运动副； 3）选择合理的位置，即能充分反映机构的特性； 4）确定比例尺； 5）用规定的符号和线条绘制成间

8、图。（从原动件开始画） 【例】如图5-7所示为以颚式碎矿机。当曲轴2绕其轴心O连续转动时，动颚板3作往复摆动，从而将处于动颚板3和固定颚板6之间的矿石7轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,解：（1）运动分析 右图所示 此碎矿机由原动件曲轴2 （构件1为固装于曲轴2 上的飞轮）、动颚板3、 摆杆4、机架5等4个构件 组成，固定颚板6是固定 安装在机架上的。,图5-7 鄂式破碎机主体机构,曲轴2于机架5在O点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴2与动颚板3也构成转动副，其轴心在A点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆4分别与动颚板3和机架5在B、C两点构成转动副。 其运动传递为：电机 皮带 曲

9、轴 动颚板 摆杆 所以，其机构原动件为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。 （2）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定O、A、B、C四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。 由图可以看出，O、C在同一垂直线上。量取OA=3mm，AB=25mm，BC=14mm，OC=22mm.,1-3 平面机构的自由度 机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。 一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副） F=3n-2PL-PH 二、机构具有确定运动的条件 （原动件数F，机构破坏） 铰链四杆机构 F=3*3-2*4-0=1 原动

10、件数=机构自由度 铰链五杆机构,a,b,F=3*4-2*5-0=2 原动件数机构自由度 原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）,机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。 三、计算机构自由度时应注意的问题 1复合铰链 三个或三个以上构件在同一处构成共轴线转动副的铰链，我们称为复合铰链（如图所示）。 若有m个构件组成复合铰链，则 复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。,复合铰链,2局部自由度 机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部自由度。对于含有局部自由度的机构在计算

11、自由度时，不考虑局部自由度。 如图凸轮机构： 如认为：F=3x3-2x3-1=2 是错误的。 n=2，Pl=2，Ph1， 由公式得：F=3x2-2x2-1=1。,（3）虚约束： 在特殊的几何条件下，有 些约束所起的限制作用是 重复的，这种不起独立限 制作用的约束称为虚约束。,虚约束1,虚约束2,虚约束2,虚约束1,习题：1.求图示机构的自由度。,2.计算图示机构的自由度，并判定其是否具有确定的运动。,第二节 平面连杆机构 一、定义： 若干构件通过低副（转动副或移 动副）联接所组成 的机构称作连杆机构。 连杆机构中各构件的相对运动是平面 运动还是空间运动，连杆机构又可以分为 平面连杆机构和空 间

12、连杆机构。 平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动 副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传 送动力。, 2.1 平面四杆机构的类型及应用 在此机构中，AD固定不动， 称为机架；AB、CD两构件 与机架组成转动副，称为 连架杆；BC称为连杆。在 连架杆中，能作整周回转的 构件称为曲柄，而只能在一 定角度范围内摆动的构件称为 摇杆。 一、铰链四杆机构基本类型,根据机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四杆机构又有三种基本形式： 1曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。 雷达调整机构 缝纫机踏板机构 当曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图中

13、的雷达天线机构； 反之，当摇杆为原动件时，可 将摇杆的往复摆动转变为曲柄的 整周转动，如图所示的缝纫机踏板。,雷达调整机构,缝纫机踏板机构,2双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。 可将原动曲柄的等速转动转换成从动曲柄的等速或变速转动，如图所示的惯性筛驱动机构； 构的相对两杆平行且相等时， 则成为平行四边形机构， 如图所示。 注意：平行四边形机构 在运动过程中，当两曲 柄与机架共线时，在原 动件转向不变、转速恒 定的条件下，从动曲柄会出现运动不确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排列。,3双摇杆机构：两连架杆都是 摇杆的机构，如图所示的鹤式 起重机构，保证货物水平移动。,二、

14、机构的演化 机构的演化方法有三种：1）通过改变构件的形状和相对尺寸进行演化，如图28的演化；2）通过改变运动副尺寸进行演化；3）通过选用不同构件作为机架进行演化。 1滑块机构 如图所示，当构件1能整周回转成为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构；否则该机构称为摆杆滑块机构。,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,2导杆机构 在图a所示的对心曲 柄滑块机构中，若改取 构件1为机架，则机构演 化为导杆机构。图 b。 3曲柄摇块与曲柄转块机构 在图a中若改取构件2为机架， 当l1 l2时，则滑块3可作整周转动，我们称为曲柄转块机构。 4移动导杆机构 在图 a中，如取滑块3为机架，则该机构演化成移动导杆机构,2.2四

15、杆机构特性 一、四杆机构存在曲柄的条件 铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲柄。而且一般原动件为曲柄 。而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。 设ad，若AB杆能绕A整周 回转，则AB杆应能够占据与AD 共线的两个位置AB和AB”。 由图可见，为使AB杆能转至 位置AB，各杆长度应满足：,a+d b+c 而为使AB杆能转至AB”，各杆长度关系应满足 b (d-a)+c c (d-a)+b 可得： a+b d+c a+c d+b 由可以得出铰链四杆机构曲柄存在条件为： 1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆； 2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长

16、度之和。（称为杆长条件） 上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄。 二、急回特性和行程速比系数 1） 当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回特性,2）行程速比系数K 当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性。且角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著 例 牛头刨床机构,三、压力角与传动角 连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角 称为四杆机构在此位置的传动角。 显然越大，有效分力Pt越大，Pn越小， 对机构的传动就越有利。所以，在连杆 机构中也常用传动角的大小及变化情况 来描述机构传动性能的优劣。为了保证 机构传力性能良好，应使mi

17、n40 50 最小传动角的确定： 对于 曲柄摇杆机构， min出现在主动 件曲柄与机架共线的两位置之一。,三、死点 如图：当以摇杆CD为主动件， 则当连杆与从动件曲柄共线时， 机构的传动角0，这时主 动件CD通过连杆作用于从动件 AB上的力恰好通过其回转中心， 出现了不能使构件AB转动的 “顶死”现象，机构的这种位置称为“死点” 在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采用 适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合 错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。,但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如下图,飞机起落架,

18、2.3四杆机构设计 连杆机构的设计方法有：作图法、实验法及解析法。图解法和实验法比较直观易懂，但设计精度要低。解析法精度高，但计算要复杂，有时利用手工几乎无法完成。 一、按连杆预定位置设计四杆机构,二、按给行程速比系数K设计四杆机构 如图2-21所示，已知摇杆CD长度及摆角， 行程速比系数K。要求设计曲柄摇杆机 构。步骤如下： 1）由公式，求出极位夹角 。 2）任选固定铰D的位置，并作出摇杆 两极限位置C1D和C2D，夹角为。 3）连接C1C2，作C1C2O =C2C1O = 90- ，得交点O，以O为圆心，OC1为半径作圆。 4）在圆上任取一点A为固定铰。 5）连接AC1、AC2，则AC1、

19、AC2分别为曲柄与连杆重迭拉直共线位置，即：AC1=BC-AB AC2=BC+AB 可分别求得AB与BC,第三节 凸轮机构,3.1 凸轮机构的应用和分类 一凸轮机构的应用 凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种 高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等 速转动、摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动 规律作往复移动或摆动。 如图所示为以内燃机的配气凸轮机构， 凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往 复摆动，从而使气门3开启和关闭， 以控制可燃物质进入气缸或 废气的排出。 由上述例子可以看出，从动件的运动规律 是由凸轮轮廓曲线决定的。,二、凸轮分类

20、1按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮：如上图所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当他绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。 （2）移动凸轮：当盘状凸轮的径向尺寸为无穷大时，则凸轮相当于作直线移动，称作移动凸轮。 （3）圆柱凸轮：这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动。,2按从动件的形状分类可分为三类： （1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适用于传力不大的低速凸轮机构中。 （2）滚子从动件：由于滚子与凸轮间为滚动摩擦，所以不易磨损，可以实现较大动力的传递，应用最

21、为广泛。 （3）平底从动件：这种从动件与凸轮间的作用力方向不变，受力平稳。而且在高速情况下，凸轮与平底间易形成油膜而减小摩擦与磨损。其缺点是：不能与具有内凹轮廓的凸轮配对使用；而且，也不能与移动凸轮和圆柱凸轮配对使用。,此外，按维持高副接触分（锁合）； 1）力锁合弹簧力、重力 2）几何锁合：等径凸轮；等宽凸轮 三、凸轮机构的特点： 优点：结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运 动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电 一体化装配中大量应用。 缺点：1）点、线接触易磨损； 2）凸轮轮廓加工困难； 3）行程不大。,3.2 凸轮从动件的运动规律 凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规

22、律 基圆凸轮理论轮廓曲线最小矢径 所作的圆。 行程从动件由最低点到最高点的 位移h（式摆角） 推程运动角从动件由最低运行到 最高位置，凸轮所转过的角。 回程运动角高低凸轮转过的 转角。 远休止角从动件到达最高位置停 留过程中凸轮所转过的角。 近休止角从动件在最低位置停留过程中所转过的角。,从动件位移线图从动件位移S与凸轮转角（或时间t）之间的对 应关系曲线 一、等速运动规律 从动件开始和最大行程加速度有 突变则有很大的冲击。这种冲击称 刚性冲击。实质材料有弹性变形不 可能达到，但仍然有强烈的冲击。 只适用于低速轻载。,二、等加速度、等减速度 加速度有有限突变，柔性冲击， 适用于中等速度轻载 三

23、、余弦加速,当推杆作停、升、停型运动时，推杆在O、A两点位置加速度有突变也有柔性冲击产生。但对降、升、降型运动规律，则无冲击出现。,3.3 凸轮轮廓曲线设计 设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度，使其绕凸 轮轴心o转动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆 间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不 动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O转 动，同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。可见， 推杆在复合运动中，其尖顶的 轨迹就是凸轮廓线。利用 这种方法进行凸轮设计的 称为反转法，,一、利用作图法设计凸轮廓 1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构 （1）选取适当的比例尺，取为半径作圆； （

24、2）先作相应于推程的一段凸轮廓线。 为此，根据反转法原理，将凸轮机构 按进行反转，此时凸轮静止不动，而 推杆绕凸轮顺时针转动。按顺时针方 向先量出推程运动角，再按一定的分 度值（凸轮精度要求高时，分度值取 小些，反之可以取小些）将此运动角 分成若干等份，并依据推杆的运动规 律算出各分点时推杆的位移值S。,（3）确定推杆在反转运动中所占据的每个位置。为此，根据反转法原理，从A点开始，将运动角按顺时针方向按一个分点进行等份，则各等份径向线01，02，08即为推杆在反转运动中所依次占据的位置。 （4）确定出推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。根据表中所示数值s，沿径向等分线由基圆向外量取，得到

25、点，即为推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。 （5）用光滑曲线连接，即得推杆升程时凸轮的一段廓线。 （6）凸轮再转过时，由于推杆停在最高位置不动，故该段廓线为一圆弧。以O为圆心，以为半径画一段圆弧。,2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构 对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转 动时滚子（滚子半径）与凸轮的相切点不一定 在推杆的位置线上，但滚子中心位置始终处 在该线，推杆的运动规律与滚子中心一致， 所以其廓线的设计需要分两步进行。 （1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶， 按前述方法设计出廓线，这一廓线称为 理论廓线。 （2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子 半径为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线 即

26、为所求凸轮的实际廓线，如图所示。,3.4 凸轮机构轮廓校核 一、凸轮机构的压力角和自锁 有用力 有害力 压力角凸轮机构从动件速度方向与该点受力方向的夹角称为压力角 ，机构传动不利。 ，则机构自锁，所谓自锁即无论凸轮施加多大的力都无法使机构运动，这种现象必须避免。为之必须规定一个许用的 对直动从动件凸轮机构=3038 摆动从动件凸轮机构=4050 工作行程 =7080 回程,二、滚子半径的选择： 滚子从动件凸轮的实际轮廓曲线，是以理论轮廓上各点为圆心作一 系列滚子圆的包络线而形成，滚子选择不当，则无法满足运动规律。 对于图b中的外凸轮， ，则实际轮廓 的曲率半径为零实际轮廓上将出现尖 点。当时 ，这时实际的轮廓出 现交叉，从动轮将不能按照预期的运 动规律运动，这种现象称为“失真” 因此，对于外凸的凸轮，应使滚子 的半径小于理论轮廓的最小曲率半径。 另一方面，要考虑强