第8章平面连杆机构及其设计新 .ppt

1,第八章 平面连杆机构及其设计,8-1 连杆机构及其传动特点,8-2 平面四杆机构的基本类型和演化,8-3 平面四杆机构的基本知识,8-4 平面四杆机构的设计,2,教学内容:1连杆机构的类型及应用；2连杆机构的基本知识；3四杆机构设计的图解法；重点难点：压力角、传动角、死点、曲柄存在条件、极位夹角与行程速比系数的概念及应用，四杆机构的设计。,3,8-1 连杆机构（Planar Linkage Mechanisms）及其传动特点,一平面连杆机构,-仅用低副（回转副、移动副）连接的平面机构。,曲柄滑块机构(slider-crank mechanism),导杆机构(guide-bar mechanism),例 铰链四杆机构（revolute four-bar mechanism）,4,连杆机构在起重机中的应用,二平面连杆机构的应用,5,6,飞剪,7,利用连杆曲线特性，当一对角足处在曲线的直线段时则着地并静止不动，而另一对角足则处在曲线段作迈足运动。,8,常用其所含的杆数而命名，,故统称为连杆机构。,机构的原动件和从动件运动都需要经过连杆来传动，,运动副一般均为低副，,也称低副机构。,构件总呈现杆的形状，,故有四杆机构、六杆机构等。,故常称构件为杆。,三.连杆机构的特点,1.结构特点,9,2.传动特点,优点1)耐磨损、寿命长（面接触）；2)易加工（运动副元素为平面或圆柱面）；3)可实现复杂的运动规律和预定轨迹（能实现多种运动变换）。缺点1)传动运动误差较大（运动副有间隙，构件和运动副相对较多、累积误差较大）；2)设计复杂，难以精确实现运动规律；3)不易平衡。,10,8-2 平面四杆机构的基本类型和演化,一.平面四杆机构的基本型式及组成,铰链四杆机构,曲柄(crank)作整周定轴回转的构件；,摇杆(rocker)作定轴摆动的构件；,周转副能作360相对回转的转动副；,摆转副作有限角度摆动的转动副。,连架杆(frame)与机架相联的构件；,连杆(coupler)作平面运动的构件；,11,（1）曲柄摇杆机构(Crank-rocker mechanism),二、铰链四杆机构的三种型式,两个连架杆中，其一为曲柄，另一为摇杆。,原动件-曲柄,原动件-摇杆,12,播种机料斗机构,（2）双曲柄机构(Double-crank mechanism),两个连架杆均为曲柄,特例1：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆平动,平行四边形机构,13,特例2：反平行四边形机构,特征：两曲柄等长但不平行，转向相反,14,（3）双摇杆机构(Double-rocker mechanism),两个连架杆均为摇杆。,铸造翻箱机构,鹤式起重机,等腰梯形机构汽车转向机构,15,11,12,14,16,偏心轮机构,1.扩大转动副,增大承载能力；可实现微小行程,曲柄滑块机构演化成偏心轮机构在实际应用中可带来哪些优点？,三.平面四杆机构的演化型式,17,2.改变构件的尺寸,曲柄摇杆机构,把转动副D半径扩大至CD长度，则D变为D，可去掉CD杆，使其变为滑块,D,令弧形滑块半径,若e=0 称对心曲柄滑块机构(central slider-crank mechanism)否则为偏置曲柄滑块机构(eccentric slider-crank mechanism),18,正弦机构,把转动副C半径扩大至BC长度，则C变为C，可去掉BC杆，使其变为滑块,C,19,AB为曲柄，CD为摇杆,A、B-周转副（整转副）,C、D-摆转副,3.选不同的构件为机架,曲柄摇杆机构,20,曲柄滑块机构,定块机构,应用,应用,21,摆动导杆机构,转动导杆机构,22,导杆机构的应用,牛头刨床,简易刨床,23,摇块机构的应用,24,定块机构的应用,通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,25,双移动副四杆机构,双转块机构,双滑块机构,正弦机构,26,双转块机构的应用,27,双滑块机构的应用,28,(4)运动副元素的逆换,将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响两构件之间的相对运动。,29,图示为某种油泵结构示意图。原动件AB连续回转，通过构件2带动构件3运动，完成交替地进油、出油功能。试分析该油泵机构属于什么类型的连杆机构。,构件3同机架以圆柱面相接触，故应组成转动副，其几何中心即为转动副中心。构件2同构件3组成移动副，同构件1组成转动副。该机构为摇块机构,30,8-3 平面四杆机构的基本知识,一.铰链四杆机构曲柄存在条件,1.当 时,1.推导,经分析，条件应为：,2.当 时,于是有,(2),(1),假设给定，杆2和杆3长度应如何取值，才能保证杆1为曲柄？,31,32,由式(1)和(2)可得出曲柄存在条件：1）连架杆和机架中至少有一杆为最短杆；2）最短杆与最长杆之长度和不大于其余两杆之长度和。,推论1：四杆机构满足杆长条件时，其最短杆两端均为周转副。,推论2：转动副A为周转副的条件(1)满足杆长条件；(2)组成转动副A的两杆之一最短。,33,在铰链四杆机构中，若存在曲柄的话，(1)曲柄一定是最短构件(2)曲柄不一定是最短构件，也可能是最短构件(3)机架是最短构件，曲柄不是最短构件,在铰链四杆机构中，若存在周转副，则一定存在曲柄。,34,链铰四杆机构曲柄存在条件为：,lmin+lmax l余1+l余2；,最短杆为机架或连架杆。,讨论,N，无周转副,Y，存在周转副,35,例：在图示的铰链四杆机构中，已知：AD为机架，.若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的最大值lABmax。.若此机构为双曲柄机构，求lAB的最小值lABmin。,解：.若此机构为曲柄摇杆机构，则A为周转副，故满足杆长条件且AB杆最短。,.若此机构为双曲柄机构，则A、D均为周转副，满足杆长条件且AD杆最短。,若BC最长，则,若AB最长，则,36,*曲柄滑块机构的有曲柄条件,由曲柄摇杆机构有曲柄条件得出:,即,37,1)若A、D整周转动，应满足：,*导杆机构有曲柄的条件,C,2)摆动导杆机构（A为周转副）,38,二.急回运动和行程速比系数,1.急回运动(Quick Return),急回运动-从动件摆回的平均速度大于摆出的平均速度,急回运动仅针对原动件为曲柄，输出构件作往复运动的机构而言,39,摇杆两极限位置的夹角。,2摆角：,40,4.行程速比系数K(coefficient of travel speed variation),3.极位夹角,摇杆处于两极限位置时对应的曲柄（或连杆）位置的夹角。,41,当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回特性。,结论,角越大，K值越大，机构的急回性质越显著。,一般为锐角，,摆动导杆机构的极位夹角是多少？,=,42,例 牛头刨床机构,43,偏置曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,44,三.压力角(Pressure Angle)和传动角(Transmission Angle),1.压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度V之间所夹锐角。(不计摩擦),要求:min4050,切向分力 Ft=Fcos,法向分力 Fn=Fcos,Ft,对传动有利。,=Fsin,为保证机构良好的传力性能，,可用来表示机构传动力性能的好坏。,2.传动角：,45,在机构的运动过程中，是变化的。,46,1）传动角的计算（关键是计算）,2）最小传动角的计算,当 时，的对边最短,当 时，的对边最长,47,例：图示为两个尺寸相同的曲柄滑块机构。标有箭头的构件为原动件。试分别标出机构在图示位置的压力角a和传动角。,48,判断图示导杆机构的压力角值，并讨论机构在不同位置其压力角是否变化？为什么？,机构在任何位置的压力角都为零。因为机构在任何位置滑块给导杆的驱动力同导杆上力作用点的绝对速度方向始终重合。因此导杆机构的传力特性较其它四杆机构来说是最好的。,讨论,49,图a是以1为原动手柄，图b是以2为原动手柄。试从传力特性方面去比较这两种机构哪一种合理，为什么？,B处构件2作用于构件3的驱动力几乎同BC平行，也即压力角a很小，故传力特性好。,分析,50,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时的机构位置为“死点”,定义：,3.死点,死点与自锁的区别：对于自锁机构，无摩擦时可动，对于机构的死点位置，无论有无摩擦均不能动。,无法驱动机构运动。,思考：曲柄摇杆机构当曲柄为主动件时，有无死点存在？,51,曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）,无死点存在,3.死点,传动角.swf,52,动画演示,克服的方法,安装飞轮，利用惯性克服死点（如：内燃机、缝纫机）多个机构错位排列（例如：火车车轮）,3.死点,对曲柄摇杆（滑块）机构，曲柄为从动件时才有死点出现；在死点位置上有运动不确定现象。,53,(3)死点的应用,飞机起落架,54,4.死点位置,（3）死点位置的应用,飞机起落架,夹 具,55,夹具,56,折叠家具机构,57,四机构运动的连续性 1定义 当原动件连续运动时，从动件能连续占据预定的各个位置，称机构具有运动的连续性。,3）机构在运动中，摇杆不能同时实现不同 可行域中的预定位置。,2)两可行域以机架为对称轴;,仅 和 时两可行域连通。,*1）两个机构模式可行域不同，且通常互不连通；,2可行域从动件的运动区域。,58,遇到的运动不连续问题有：,1.错序不连续,2.错位不连续,59,1.何谓曲柄?四杆机构具有曲柄的条件是什么?曲柄是否就是最短杆?2.何谓行程速比系数?何谓急回作用?何谓极位夹角?三者之间的关系如何?3.何谓连杆机构的压力角和传动角?研究传动角有何意义?在连杆机构设计中对传动角有何限制?4.在四杆机构中，死点和极位实际上是同一个位置，那末为什么有时叫它死点，有时又叫它极位，它们的区别在什么地方?5.死点与自锁有什么区别?说明死点的危害及其克服方法，以及死点在机械工程中的应用情况。,思考题,60,一、连杆机构设计的基本问题,尺度综合确定各构件的尺度参数(长度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,1.设计的内容,机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型；,8-4 平面四杆机构的设计,a)结构条件（有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）,61,a.两连架杆的若干对应位置,24 平面四杆机构的设计,2.设计问题的类型,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,（又称实现函数的问题)；,b.满足预定的连杆位置要求,如：铸造沙箱翻转机构,（又称刚体导引问题 Body Guidance）,（1）实现预期的运动规律,62,（2）满足预定的轨迹要求,图解法、解析法、实验法。,要求在机构的运动过程中，连杆上某些点的轨迹能满足预定的轨迹要求。,鹤式起重机,搅拌机构,设计方法有：,63,二、用解析法设计四杆机构,首先建立包含机构各尺度参数和运动变量在内的解析式，然后根据已知的运动变量求机构的尺度参数。,（1）按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构,例：按给定的两连架杆对应位置设计四杆机构,（2）按期望函数设计,例：按给定的实现对数函数设计四杆机构,1.按预定的运动规律设计四杆机构,2.按预定的连杆位置设计四杆机构,3.按预定的运动轨迹设计四杆机构,T,64,已知：,求：各杆长度及初始位置角,令,（1）,B、C两点间的距离为定长：,这就是设计方程，待求参数为，可按5组对应位置()进行设计。,65,当按3组对应位置进行设计时，可取,令,则有：,可解得P0、P1、P2,66,由B,C两点的距离为l2得:,按 若干对应位置设计.,对于曲柄滑块机构,(1),(2),此时最多可按 三组对应位置设计.,若取,式(1)可简化为:,为待求参数,最多可按四组对应位置设计.,67,function f=myfun(x)f=x(1)*cos(50*pi/180)+x(2)*cos(50-45)*pi/180)+x(3)-cos(45*pi/180);x(1)*cos(80*pi/180)+x(2)*cos(80-90)*pi/180)+x(3)-cos(90*pi/180);x(1)*cos(110*pi/180)+x(2)*cos(110-135)*pi/180)+x(3)-cos(135*pi/180);,编写m文件,保存为myfun.m,x0=1.5,-1,1;options=optimset(display,iter);x,fval,exitflag=fsolve(myfun,x0,options),编写m文件,保存为myfun_opt.m,68,迭代次数,目标函数计算次数,目标函数值,当前步长的范数,当前梯度的无限范数,当前迭代步中源于PCG的迭代次数,69,70,连杆机构设计程序示例,71,三、用作图法设计四杆机构,主要任务：确定铰链中心位置,1 按连杆预定的位置设计四杆机构,(1)已知活动铰链中心的位置,1)活动铰链相对于固定铰链的运动轨迹为圆；,2)用三点定心 法确定二固定铰链A,D。,72,(2)已知固定铰链中心的位置,转化为问题（1）,机构倒置原理,例：按预定的连杆上标线的三个位置设计四杆机构,问题讨论,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，B的位置不能任意选定。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。,73,假定C未知，则作出B2D的位置，C在BB2的中垂线上,74,C1,2.按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,按两连架杆预定的四对对应位置设计四杆机构,75,3.按给定的行程速比系数设计四杆机构,（1）曲柄摇杆机构,先计算极位夹角；根据极位夹角和从动件的两极位，作出曲柄固定铰链A所在的圆；最后由其他辅助条件确定出固定铰链A的位置，由此可求得四杆机构中曲柄及连杆的长度。,（2）曲柄滑块机构,（3）导杆机构,76,77,例：试用图解法设计一铰链四杆机构作为加热炉炉门的启闭机构。炉门上两铰链的中心距为0.05m,炉门打开后成水平位置时要求炉门的外面朝上，固定铰链应位于yy轴线上，其相互位置尺寸如图所示（图注尺寸单位为mm）。试通过图解法设计确定各构件尺寸。,78,79,8-5 多杆机构简介,一.多杆机构的功用,1.取得有利的传动角,2.获得较大的机械利益,3.改变从动件的运动特性,4.实现从动件带停歇的运动,5.扩大机构从动件的行程,6.使机构从动件的行程可调,7.实现特定要求下的平面导引,80,81,82,83,84,85,86,87,1.多杆机构的分类,1）按杆数分,五杆、六杆、八杆机构等；,2）按自由度分,单自由度、两自由度和三自由度多杆机构。,2.六杆机构的分类,1）瓦特（Watt）型，有型、型两种。,二、多杆机构的类型,瓦特型,瓦特型,瓦特型,88,2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有型、型、型三种,斯蒂芬森型,斯蒂芬森型,斯蒂芬森型,89,1.机构倒置所依据的基本原理是什么？2.如何将按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构的问题转化为按连杆预定的位置设计四杆机构的问题？3.根据什么条件来判断四杆机构的设计问题是否有解，无解或有唯一解，或为无穷多解？,思考题,