连杆机构及设计课件.ppt
2007-2008第1学期,1,机械设计基础,主讲：秦襄培机械工程学院机械设计研究室,2007-2008第1学期,2,第三章 平面连杆机构及设计Planar Linkage Mechanisms and Dimensional Synthesis,31平面连杆机构的特点及其设计的基本问题32平面四杆机构的基本型式及其演化33平面四杆机构的主要工作特性34平面四杆机构的运动设计,连续性,2007-2008第1学期,3,定义：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。,共同特点：原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件2传递到从动件3上。中间构件称为连杆。,构件多呈杆状简称为杆bar,根据杆数命名，例如：四杆机构,31平面连杆机构的特点及其设计的基本问题,2007-2008第1学期,4,连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为：,空间连杆机构平面连杆机构,2007-2008第1学期,5,连杆机构的优点,承受载荷大，便于润滑制造方便，易获得较高的精度两构件之间的接触靠几何封闭实现实现多种运动规律和轨迹要求,2007-2008第1学期,6,连杆机构的缺点,运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低；在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速；,不能精确实现复杂的运动规设计计算较复杂,2007-2008第1学期,7,设计方法：1.图解法，2.解析法，3.图谱法，4.实验法,平面连杆机构设计的基本问题,选型：,运动尺寸设计：,确定连杆机构的结构组成：构件数目，运动副类型、数目。,确定机构运动简图的参数：转动副中心之间的距离；移动副位置尺寸,1、实现构件给定位置(亦称实现刚体导引）,2、实现已知运动规律,3、实现已知运动轨迹,2007-2008第1学期,8,六杆机构,四杆机构应用非常广泛，且是多杆机构的基础,着重讨论,2007-2008第1学期,9,32平面四杆机构的基本型式及其演化,基本型式：,平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的,二杆,三杆,不可能.,一.铰链四杆机构Revolute Four-bar Mechanism,四杆机构,2007-2008第1学期,10,连杆,连架杆,连架杆,机架,曲柄,摇杆(摆杆),(整转),(摆转),机架frame、连杆coupler、连架杆side link,机架参考系（固定件）连架杆与机架相联连杆不与机架相联,曲柄crank：可回转360的连架杆摇杆rocker：摆角小于360的连架杆滑块slider：作往复移动的连架杆,全由转动副相联的平面四杆机构,一.铰链四杆机构,2007-2008第1学期,11,一.铰链四杆机构基本型式（按连架杆类型）,2007-2008第1学期,12,结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆。运动变换：转动摇动,1.曲柄摇杆机构Crank-rocker Mechanism,雷达天线机构,特例：,缝纫机踏扳机构,2007-2008第1学期,13,其它应用,颚式破碎机,和面机,压力机,2007-2008第1学期,14,结构特点：二连架杆均为曲柄运动变换：转动转动通常二转速不相等,2.双曲柄机构Double-crank mechanism,应用实例：,振动筛机构,2007-2008第1学期,15,特例:,平行四边形机构,平行四边形机构运动不确定问题,反平行四边形机构,车门开闭机构,特点：二曲柄等速,特点：二曲柄转向相反,应用1应用2,动画,Solution:在从动曲柄上加飞轮。错位排列,2007-2008第1学期,16,结构特点：二连架杆均为摇杆运动变换：摆动摆动,3.双摇杆机构 double rocker mechanism,应用实例：,铸造用大型造型机的翻箱机构,2007-2008第1学期,17,其它应用,起重机,2007-2008第1学期,18,特例,等腰梯形机构,应用实例：,基本型铰链四杆机构：曲柄摇杆机构 双曲柄机构 平行四边形机构 反平行四边形机构 双摇杆机构 等腰梯形机构,2007-2008第1学期,19,二.平面四杆机构的演化Variation,铰链四杆机构,曲线导轨曲柄滑块机构,变3构件形状,e 0,对心式曲柄滑块机构 slider-crank mechanism,偏置式曲柄滑块机构 offset S-C,1.改变构件形状和运动尺寸,应用,2007-2008第1学期,20,2007-2008第1学期,21,变2,3构件形状,正弦机构 sine generator/scotch yoke,s=lABsin,应用,2007-2008第1学期,22,2.改变运动副的尺寸Enlarging a revolute pair,对心式曲柄滑块机构,偏心轮机构 eccentric mechanism,1,B,B副扩大,2007-2008第1学期,23,3.选不同构件作机架机构倒置inversion,曲柄滑块机构,2作机架,曲柄摇块机构,液压作动筒,车箱举升机构,2007-2008第1学期,24,A,曲柄滑块机构,4,C,3,直动滑杆机构 prismatic guide mech.,C,4,手动唧筒机构,应用,2007-2008第1学期,25,曲柄滑块机构,作机架,导杆机构,回转导杆机构 whitworth mech.,lBC lAB，导杆AC整周转动,lBC lAB，导杆AC摆动,摆动导杆机构 crank shaper mech.,应用,2007-2008第1学期,26,正弦机构,双转块机构 double slider mech.,十字滑块联轴器,2007-2008第1学期,27,正弦机构,3 作机架,双滑块机构,曲柄摇杆机构,2007-2008第1学期,28,.运动副元素的逆换,3,4包容 关系互换,摆动导杆机构,曲柄摇块机构,四杆机构的演化：1.改变构件形状和运动尺寸；2.改变运动副的尺寸；3.选不同构件作机架；4.运动副元素逆换。,不同类型的四杆机构，其传递和变换运动的特点不同，传递和变换力的特性不同。正确选择平面四杆机构的类型，可以达到不同的运动和力的传递和变换的要求。,2007-2008第1学期,29,33 平面连杆机构的工作特性characteristic,取决于机构各杆的相对长度,一.运动特性,1.转动副为整转副的条件Grashof Criterion,以曲柄摇杆机构为例讨论,分析：构件AB要为曲柄，则转动副A应为整转副；为此AB杆应能占据整周中的任何位置；因此AB杆应能占据与AD共线的位置AB及AB。,动画,2007-2008第1学期,30,由DB C,结论：转动副A成为整转副的条件：1)最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和 杆长条件 2)组成该整转副的两杆中必有一杆是最短杆。,2007-2008第1学期,31,推论 当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均为整转副fully rotating revolute；其余转动副为摆转副partially rotataing revolute。平面四杆机构有曲柄的条件 机构尺寸满足杆长条件，且最短杆为机架或连架杆。,2007-2008第1学期,32,实例分析:AB70,BC90,CD110,AD40,(满足杆长条件)(1)最短杆在机架上(2)最短杆在机架邻边(3)最短杆在机架对边,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,ADCD40110150ABBC160,当：AD为机架 AB或DC为机架 BC为机架,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,平面四杆机构有曲柄的条件讨论:,90,70,40,110,2007-2008第1学期,33,注意：如果四杆机构不满足杆长条件，则不论取哪个构件为机架，均为双摇杆机构。思考：曲柄滑块机构和导杆机构有曲柄的条件是什么？,风扇摇头机构,满足满足杆长条件的双摇杆机构的应用实例：,2007-2008第1学期,34,问题讨论:曲柄滑块机构有曲柄的条件,构件a能通过m点的条件是：,构件a能通过n点的条件是：,曲柄滑块机构有曲柄的条件,2007-2008第1学期,35,导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,有曲柄，该机构是转导杆机构。,结论导杆机构总是有曲柄的,2007-2008第1学期,36,偏置导杆机构有曲柄的条件,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,有曲柄，该机构是摆动导杆机构。,2007-2008第1学期,37,没有曲柄。,有曲柄，该机构是转动导杆机构。,结论偏置导杆机构有曲柄的条件是,2007-2008第1学期,38,极位夹角 crank angle between extreme positions,1=C,1=1 t1=1800+,2=1 t2=1800-,t1 t2,v2 v1,急回特性,行程速比系数K advance-to return-time ratio,急回特性的应用例。,K=1,无急回特性,牛头刨工作要求,2.急回特性 quick-return characteristics,动画,2007-2008第1学期,39,0,问题讨论：下列机构有无急回特性，若有，标出极位夹角。,2007-2008第1学期,40,3.铰链四杆机构的运动连续性,(1)连杆机构的运动连续性：指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置的运动。,可行域,可行域,指由所确定的范围。,(2)可行域：,指由所确定的范围。,(3)不可行域：,不可行域,不可行域,(4)错位不连续 指不连通的两个可行域内的运动不连续。,2007-2008第1学期,41,(5)错序不连续,当原动件按某一方向连续转动时，若其连杆不能按顺序通过给定的各个位置，称这种运动不连续为错序不连续。,2007-2008第1学期,42,1.压力角和传动角,压力角pressure angle：力F的作用线与力作用点绝对速度V所夹的锐角称为压力角。,传动角transmission angle：压力角的余角称为传动角,二.传力特性,在其它条件不变的情况下压力角越小，作功W越大,压力角是机构传力性能的一个重要指标，它是力的利用率大小的衡量指标。,2007-2008第1学期,43,2.曲柄摇杆机构的压力角和传动角 pressure transmission angle,不计惯性力、重力、摩擦力，作用在从动件CD上受力点C的力为P。,P正交分解为Pt 和Pn，,Pt=Pcos=Psin Pn=Psin=Pcos,压力角：从动件受力点受力方向 与速度方向所夹之锐角。,传动角 900-,传力要求 min 400 500。,出现位置：曲柄与机架共线collinear。,重叠overlapping共线时：,拉直extended共线时：,或,2007-2008第1学期,44,问题讨论：标出下列机构在图示位置的压力角传动及最小传动角min.,00;900.,00;900.,2007-2008第1学期,45,死点：机构运动时出现传动角=00 的位置。,3.死点位置(止点位置)dead point,死点位置是不管在主动件上作用多大驱动力,都不能在从动件上产生有效分力的机构位置,危害:从动件卡死或运动不确定,2007-2008第1学期,46,避免死点位置的危害,加虚约束的平行四边形机构(相同机构错位排列),蒸汽机车车轮联动机构,2007-2008第1学期,47,避免死点位置的危害(续),对从动曲柄施加外力或利用飞轮或构件自身的惯性作用,使机构通过死点,2007-2008第1学期,48,死点位置的应用,飞机起落架,夹具,2007-2008第1学期,49,小结,2007-2008第1学期,50,34平面四杆机构设计的运动设计Dimensional Synthesis of Planar Four-bar Linkages,一.实现连杆给定位置,二.实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,三.实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计,2007-2008第1学期,51,31平面四杆机构设计的运动设计,设计一个连杆机构引导连杆上的某线段通过一些指定的位置，这样的综合问题称为刚体导引。,一.实现连杆给定位置（刚体导引Body Guidance),2007-2008第1学期,52,31平面四杆机构设计的运动设计,一.实现连杆给定位置（刚体导引Body Guidance),1.图解法,（1）固定铰链位置没有给定,（2）固定铰链位置给定,2.解析法,2007-2008第1学期,53,1.图解法,（1）固定铰链位置没有给定,设计一个铰链四杆机构 ABCD 引导连杆上的线段 EF通过三个指定位置 E1F1,E2F2 及E3F3.,2007-2008第1学期,54,连杆上第一个位置活动铰链 B1 and C1 可 任意地 arbitrarily 地选定。,2007-2008第1学期,55,1)刚体作连杆，选定其上二 活动铰链，即定连杆长 lBC，定比例 尺l作图；,2)活动铰链相对于固定铰链的运动轨 迹为圆；,设计要点,3)用三点定心法确定二固 定铰链D,C。,4)计算待求杆长,lAB=AB l m;lCD=CD l m;lAD=AD l m;,2007-2008第1学期,56,问题讨论 实现BC三个位置有唯一解；,二位置设计，无穷解，可添加其它条件，如机构尺寸传动角大小有无曲柄等。,四个位置设计，BC不能任意选定。但总可以 在连杆上找到一些点，其四个位置在同一圆 上，涉及布尔梅斯特理论。,五个位置设计，可能有解，可能无解。,2007-2008第1学期,57,（2）连杆BC上的一线段EF的三个位置已知，且固定铰链A和D已确定。要求设计铰链四杆机构ABCD,2007-2008第1学期,58,显然，B和C不能任取，否则，B的三个位置点的圆心不会刚好是A，C的三个位置点的圆心不会刚好是D。,2007-2008第1学期,59,像B、C这样位置待定的活动铰链称为待定活动铰链 undetermined moving revolute centre(UMRC).,含UMRC（B与C）的位置确定的（只要其上任一线段位置确定）构件FE被选为参考系reference link,2007-2008第1学期,60,构件AB位置不确定，由位置确定的点A及待定活动铰链UMRC（B）连接而成。构件AB上位置确定的点A被选为圆周点。,A点相对于参考系EF的轨迹为一圆，圆的中心是待定活动铰链UMRC（B）。,同样，D点相对于参考系EF的轨迹也为一圆，圆的中心是待定活动铰链UMRC（C）。,2007-2008第1学期,61,注意：不是所有运动已知的构件都可以作为参考系！只有UMRC所连接的运动已知构件才可以作为参考系!,2007-2008第1学期,62,为找到A点相对于参考系EF的轨迹，则构件EF应该是固定的。,由于构件 EF是一个活动的构件,因此应用转化机架法使EF成为固定构件或者说成为一个假想的机架。,2007-2008第1学期,63,E1,F1,E2,F2,E3,F3,C,B,A,D,A,D,2007-2008第1学期,64,2.解析法,在机架上建立固定坐标Oxy，连杆平面上两点M、N在该坐标系中的位置坐标为,Mi(xMi,yMi)、Ni(xNi,yNi)(i=1,2,n),以M为原点在连杆上建立动坐标系Mxy,设B、C两点在动坐标系中的位置坐标为（xB,yB)、(xC,yC),在固定坐标系中与Mi、Ni相对应的位置坐标为(xBi,yBi)、(xCi,yCi)。,则B、C两点分别在Oxy和Mxy中坐标变换关系为：,2007-2008第1学期,65,2.解析法,其中，i为x轴正向至x轴正向沿逆时针方向的夹角,(3-13),(3-14),2007-2008第1学期,66,2.解析法,根据机构运动过程中两连架杆长度不变的条件：,若固定铰链中心A、D在固定坐标系中位置坐标记为（xA,yA)和（xD,yD),(i=2,3,n),(i=2,3,n),(3-17),(3-16),2007-2008第1学期,67,将（3-13）代入式（3-16）并整理得：,(i=2,3,n),(3-18),式中,2007-2008第1学期,68,问题讨论,A、D位置未给定，含四个未知量，共(n-1)个方程，则n5时有解；,A、D位置未给定，四杆机构最多能精确实现连杆五个给定位置,A、D位置未给定，n5，可预先选定某些机构参数，以获得唯一解。,A、D位置给定，四杆机构最多能精确实现连杆三个给定位置,2007-2008第1学期,69,1.按给定两连架杆对应位移设计四杆机构,二.实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,（1）图解法,（2）解析法,2.按急回特性要求设计四杆机构,2007-2008第1学期,70,1.按给定两连架杆对应位移设计四杆机构函数生成机构设计Function Generation,车门开闭机构,如：车门开闭机构，要求两 连架杆转角相同，转向 相反。,汽车前轮转向机构，要求两连架杆满足某种函数关系，保证顺利转弯。,二.实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,2007-2008第1学期,71,工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置。,即，已知机架长lAD和两连架杆对应位置，设计四杆机构（求其它三杆长）问题。,思路,先定一个连架杆的长度。即任取一点作为活动铰链中心B的位置,倒置,转化机构，使DF成为机架，成为刚体导引。,（1）图解法：函数生成机构设计,要点,C为UMRC，DF为参考系，B为圆周点。,AB杆不是参考系,2007-2008第1学期,72,作图法,C1,2007-2008第1学期,73,末知杆长,lBC=lB1C1 m,lCD=lC1D m,问题讨论,给定B或C后三组对应位置有确定解；,两组对应位置问题无穷多解，可加其它条件;,四组对应位置问题BC不能任意给定。,注意问题 二连架杆的实际转向与反转方向；,2007-2008第1学期,74,（a）建立坐标系和杆矢量（b）列杆矢量封闭方程解析式,令a/a=1,b/a=m,c/a=n,d/a=l。,（c）将两连架杆的已知对应角代入上式，列方程组求解,（2）解析法,2007-2008第1学期,75,方程共有5个待定参数，根据解析式可解条件：当两连架杆的对应位置数N=5时 可以实现精确解。当N 5 时 不能精确求解，只能近似设计。当N 5 时 可预选尺度参数数目N0=5-N，故有无穷多解。,注意：N=4或5时，方程组为非线性,2007-2008第1学期,76,工程要求：设计满足给定的行程速比系数K的四杆机构,要点：掌握极位夹角及其与K的关系,思路：,A,C1,C2三点所在圆和 角之关系。,给定摇杆长，从动件行程,900-,问题,A C1,AC2,AB,BC长度关系。,AC1=BC-AB,AC2=BC+AB,AB=(AC2-AC1)2,根据条件，只有D,C1,C2确定，A点待定。如何确定A点,?,o,A,2.按急回特性要求设计四杆机构,2007-2008第1学期,77,作图方法,B2,o,已知：LCD,K。,曲柄摇杆机构其它三杆长度LAB,LBC,LAD。,比例尺,A,E,F,B,C,未知杆长,lAB=AB ul mmlBC=BC ul mmlAD=AD ul mm,2007-2008第1学期,78,问题讨论,无其它条件，有无穷多解；,有其它条件，如最小传动角要求时，要检验最小传动角。,无穷多解为简单解析计算提供了机会。如确定A点一个特殊位置，用AC1C2求解。,2007-2008第1学期,79,给定 K、y、LCD、g.,gmin,g2 gmin,A0,分析.,2007-2008第1学期,80,设计.,gmin 须不小于 g.,2007-2008第1学期,81,按给定的 K、S 值,设计曲柄滑块机构,A,D,B,C,若给定 K、S、e.,2007-2008第1学期,82,三.实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计轨迹生成机构设计Path Generation,即要求机构运动过程中，连杆上某些点能实现预定的轨迹要求。,鹤式起重机,搅拌器机构,要求连杆上某点能生成近似直线轨迹,要求连杆上某点按搅拌材料生成某种轨迹,搅拌器机构,2007-2008第1学期,83,其它应用,2007-2008第1学期,84,一.图谱法,设计要求：已知原动件AB长度及中心A和连杆上一点M，要求设计四杆机构使M沿预定轨迹运动。,2007-2008第1学期,85,连杆曲线仪,2007-2008第1学期,86,连杆曲线图谱例：,2007-2008第1学期,87,二、解析法,f(xA,yA,a,b,c,d,e,，x，y)=0,轨迹方程：,2007-2008第1学期,88,
