曲柄摇杆机构、四杆机构设计.ppt

一、曲柄摇杆机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆，一为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。,通常曲柄为原动件，并作匀速转动；而摇杆为从动件，作变速往复摆动。,曲柄摇杆机构的主要特性：急回运动,曲柄摇杆机构中，曲柄AB在转动一周中，在B1、B2两次与连杆BC共线，相应铰链中心 A与C之间的距离AC1和AC2分别为最短和最长，摇杆CD的位置,C1D和C2D分别为其左右极限位置。摇杆在两极限位置间的夹角，,称为摇杆的摆角。,当曲柄由位置 AB1 顺时针转到位置AB2 时，曲柄转角 180，,这时摇杆由左极限位置C1D 摆到位置右极限位置C2D，摆杆角度为；而当曲柄顺时针再转过角度 180时，摇杆由位置C2D摆回至位置C1D，其摆角仍然是。,虽然摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角不等()；当曲柄匀速转动时，对应的时间也不等（t 1 t 2）。,令摇杆自ClD摆至C2D为工作行程，这时铰链的平均速度是 v1=C1C2 tl。,摇杆自C2D摆回至C1D是其空回行程，这时点的平均速度是v2=C1C2 t2，显然v1 v2，,它表明摇杆具有急回运动的特性。牛头刨床、往复式输送机等机械就利用这种急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。,急回运动特性可用行程速度变化系数（也称行程速比系数）K 表示。,v2 C1C2/t2 t1 180K（2-1）v1 C1C2/t1 t2 180,摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角，称为极位夹角。,K 值越大，急回特性愈明显。一般机械中，1K2。,将式（2-1）整理，可得极位夹角计算公式,K 180（2-2）K,2.压力角和传动角,若不计运动副的的摩擦和构件的惯性力(矩)及重力，则通过二力杆BC 作用于从动件CD上的力沿BC 方向，把力分解为沿C 点速度vC 方向的分力F和,铰链四杆机构中,原动件受到驱动力矩Md作用时，,垂直于vC 的分力F它们的大小与角度或有关，即,有效分力FFcosFsin，有害分力FFsinFcos。,因此，F越小越好，即角度越小（或越大）对机构的工作越有利。,称为压力角，称为传动角，二者互为余角，90。,压力角的定义是：不计摩擦、重力与惯性力时，输出构件所受主动力F 的方向与输出构件在受力点处的速度方向之间所夹的锐角。,由于传动角在简图中非常直观，所以平面连杆机构习惯于用传动角来表示机构的传动性能。机构工作时，其传动角是作周期变化的。,一般许用值=4050。重载大功率时取大值。,1 为保证机构的传力性能良好，应使最小传动角min。,曲柄摇杆机构中，最小传动角min 总是发生于曲柄与机架共线和重叠共线的两位置之一，如图所示。(具体证明见P30页),3.死点位置,曲柄摇杆机构中，若摇杆为主动件，当从动件与连杆共线时，机构的传动角为零，此时不论驱动力F有多大,其有效分力,机构的这种位置称为机构的死点位置。,死点位置对传动不利，但对夹紧和防松有利。如图铰链四杆机构，当工件5 被夹紧时，铰链中心B、C、D共线，工件加在杆上的反作用力Fn无论多大，也不能使杆3转动。这就保证在去掉外力F 之后,仍能可靠地夹紧工件。当需要取出工件时，只需向上扳动手柄，即能松开夹具。,二、双曲柄机构,两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。,双曲柄机构功能：,原动曲柄转动（匀速）从动曲柄转动（非匀速或匀速）,双曲柄机构中，最常用的是平行四边形机构，或称平行双曲柄机构。,三、双摇杆机构,两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。,原动摇杆摆动 从动摇杆摆动,2-2 铰链四杆机构有整转副的条件,整转副定义:两构件能相对转动3600的转动副。显然铰链四杆机构中曲柄就具有整转副。,曲柄摇杆机构在什麽条件具有整转副?,已知：杆曲柄，杆连杆，杆摇杆，杆机架。各杆长度为l1、l2、l3、l4。,曲柄与杆的夹角 的变化范围：,当摇杆处于左右权限位置时，曲柄与连杆两次共线。此时杆与杆的夹角的变化范围为也是,杆为摇杆，它与相邻两杆的夹角、的变化范围小于360。,显然，、为整转副，、不是整转副。,为了实现曲柄整周回转，AB杆必须顺利通过与连杆共线的两个位置AB和AB。,当杆处于AB位置时，形成三角形。根据三角形任意两边之和必大于(极限情况下等于)第三边的定理可得,l4(l2 l1)l3 l3(l2 l1)l4,即 l1l4l2l3（2-4）l1l3l2l4（2-5）,当杆处于AB位置时，形成三角形。可得,l1 l2 l4 l3（2-6）,将式(2-4)、(2-5)、(2-6)两两相加,即杆最短。,l1l4l2l3（2-4）l1l3l2l4（2-5）,l1l2l4l3（2-6）,l1 l2,l1 l3,l1 l4,由此可得铰链四杆机构有整转副的条件是：,(1)整转副是由最短杆与其邻边组成的;,(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。,这两个条件必须同时满足，否则机构中不存在整转副，无论取哪个构件作机架都只能得到双摇杆机构。,(1)整转副是由最短杆与其邻边组成的;,另外，具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还应根据选择何杆为机架来判断。,(1)取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，故得双曲柄机构。,(2)取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整转副，故得曲柄摇杆机构。,(3)取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，故得双摇杆机构。,曲柄摇杆机构，铰链中心的轨迹是以为圆心，以l3为半径的圆弧mn。若l3增至无穷大,则如图b所示，C点轨迹变成直线。于是摇杆演化为直线运动的滑块，转动副演化为移动副，机构演化为如图所示的曲柄滑块机构。,2-3 铰链四杆机构的演化,一、曲柄滑块机构,二、导杆机构,导杆机构是改变曲柄滑块机构中的固定构,件而演化来的。如图a 所示的曲柄滑块机构，若改取杆1为固定构件，即得图b 所示导杆机构。杆4 称为导杆。滑块相对导杆滑动并一起绕点转动。通常取杆为原动件。,传动角始终等于90。具有很好的传力性能，故常用于牛头刨床、插床和回转式油泵之中。,导杆机构的的特点：,若杆为固定构件，可得图c所示摆动滑块机构，或称摇块机构。,三、摇块机构和定块机构,如图，当油缸中的压力油推动活塞杆运动时，车厢便绕回转副中心倾转，当达到一定角度时，物料就自动卸下。,例如自卸卡车的车厢自动翻转卸料机构就是一个摇块机构。,在图a所示曲柄滑块机构中，若取杆3为固定件，即可得图d 所示固定滑块机构或称定块机构。这种机构常用于抽水唧筒（图2-18）和抽油泵中。,四、偏心轮机构,杆为圆盘，其几何中心为，因运动时该圆盘绕偏心转动，故称偏心轮。、之间的距离称为偏心距。按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图，如图b 所示。由图可知，偏心轮是回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心距即是曲柄的长度。,-平面四杆机构的设计一、平面四杆机构设计的基本问题,平面四杆机构的设计是根据工作要求（如运动要求、传力要求、空间尺寸等）和给定的条件，选定合适的机构型式和确定机构各构件的尺寸。一般，四杆机构的设计中常常碰到下面两类基本问题：,（1）给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）设计四杆机构。,（2）给定点的运动轨迹设计四杆机构。,四杆机构设计的方法有解析法、几何作图法和实验法。作图法直观，解析法精确，实验法简便。,二、给定行程速度变化系数设计四杆机构,曲柄摇杆机构,已知条件：摇杆长度l3，摆角，行程速度变化系数。,设计的实质是确定铰链中心点的位置和其他三杆的尺寸 l1、l2 和 l4。,设计步骤：,(1)按公式 计算出极位夹角。,(2)任选固定铰链中心的位置，由摇杆长度 l和摆角，作出摇杆两个极限位置C1D和C2。,(3)连接C和C，并作CM垂直于CC。,(4)作C1C2N90，,C2N与C1M相交于点，由图可见，C1PC2,(5)作PC1C2的外接圆，在此圆周上（C1C2圆弧和EF圆弧除外）任取一点作为曲柄的固定铰链中心。,A,(5)作PC1C2的外接圆，在此圆周上（C1C2圆弧和EF圆弧除外）任取一点作为曲柄的固定铰链中心。连AC和AC，因同一圆弧的圆周角相等，故,CAC CPC。,(6)因极限位置处曲柄与连杆共线，,故 AC1 l2 l1、AC2l2 l1，从而得曲柄长度：,l1=(AC2 AC1)2。,再以为圆心以l为半径作圆，交C1A的延线于B，交C 2A于B，,即得 B1C1=B2C2=l 及 AD=l4。,由于点是 C1PC2 外接圆上任选的点，所以仅按行程速度变化系数设计，可得无穷多的解。,由于点位置不同，机构传动角的大小也不同。因此设计时应按照最小传动角最优或其他辅助条件来确定点的位置。,定块机构,导杆机构,摇块机构,v3,