机械设计基础模块六 常用机构的设计(2).ppt
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1、模块六常用机构的设计,任务6-1 平面四杆机构的设计任务6-2 凸轮机构的设计任务6-3 其他常用机构的认识,任务6-1 平面四杆机构的设计,本任务就是设计这样在生产生活实际中使用的平面四杆机构。6.1 平面机构的基本知识一、平面机构的组成若机构中各构件均在同一平面或相互平行的平面内运动,则称该机构为平面机构。1自由度和约束一个做平面运动的自由构件具有三个独立运动。这种构件相对于参考系所具有的独立运动的数目称为构件的白由度。构件在机构当中一定会有某些独立运动受到限制,使其不再产生。这种对构件独立运动所加的限制称为约束。,下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,2运动副这种连接既要对构件的
2、运动加以限制,又允许彼此连接的两构件之间具有一定的相对运动。这种两构件直接接触而形成的可动连接称为运动副。两构件组成的运动副是通过点、线或面的接触来实现。按两构件间的接触情况,平面运动副通常可分为低副和高副两类。(1)低副。转动副。若组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动,这种运动副称为转动副,或称铰链,如图6-4(a)所示。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,移动副。若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动,这种运动副称为移动副,如图6-4(b)所示。(2)高副。两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图6-5(a)中的轮齿1与轮齿2在接触处A组成高副。高副引
3、入一个约束,保留两个白由度。由于是点、线接触,其接触部分的压强较高,易磨损。3构件(1)固定件(机架)。机构中用来支承活动构件(运动构件)的构件,任何一个机构中必定有也只能有一个构件为机架。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,(2)原动件(主动件)。机构中作用有驱动力或已知运动规律的构件,它的运动是由外界输入的,一般与机架相连。(3)从动件。机构中除原动件以外的所有活动构件。二、平面机构运动简图(1)机构运动简图中运动副及构件的表示方法,如图6-7所示。(2)平面机构运动简图的绘制步骤:分析研究机构的组成及动作原理,确定固定件、原动件和从动件。,上-页 下-页 返回,任务6
4、-1 平面四杆机构的设计,由原动件开始,按照各构件之间运动的传递路线,依次分析构件间的相对运动形式,确定运动副的类型和数目。选择适当的视图平面和原动件位置,以便清楚地表达各构件间的运动关系。选择适当的比例尺三、平面机构的自由度 1平面机构的自由度计算组成机构的每一个构件都要与另一个构件组成运动副,受到相应的约束。机构中的构件每加上一个约束,便失去一个自由度。运动副对白由度所产生的约束数目和约束特点,取决于运动副的形式。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,平面机构的自由度F的计算公式为 2计算平面机构自由度的注意事项(1)复合铰链。由两个以上的构件在同一处构成的转动副称为复合
5、铰链。若有n个构件形成复合铰链时,应具有(n-1)个转动副。(2)局部自由度。机构中与输出构件运动无关的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时,局部自由度应略去不计。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,(3)虚约束。机构中与其他约束重复而对机构运动不起限制作用的约束,称为虚约束。计算机构自由度时,应除去不计。两构件间形成多个具有相同作用的运动副,分为下列三种情况:a两构件形成多个轴线重合的转动副b两构件组成多个移动方向一致的移动副。c两构件组成多处接触点公法线重合的高副。两构件连接点的运动轨迹互相重合。机构中传递运动的重复部分。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆
6、机构的设计,虚约束虽不影响机构的运动,但能改善机构的刚性或受力情况,保证机构顺利运动,因而在结构设计中被广泛采用。四、机构具有确定运动的条件 在机构运动分析中,都要求机构有确定运动,不能产生确定相对运动或做无规则运动的一些构件难以用来传递运动。所以,要使平面机构具有确定运动,必须符合一定的条件。机构具有确定运动的条件为:F0,且机构的自由度数F等于机构的原动件数目。2平面连杆机构平面连杆机构是一些刚性构件用转动副或移动副相互连接,组成在同一平面内运动的机构。所以也称平面低副机构。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,一、铰链四杆机构的类型及应用当平面四杆机构中的运动副均为转动
7、副时,称为铰链四杆机构机构中与机架4相连的构件1、3称为连架杆,不与机架相连的构件2称为连杆。连架杆中相对于机架能做整周转动的构件称为曲柄,不能作整周转动而只能在一定范围内摆动的构件称为摇杆。根据两连架杆运动形式的不同,铰链四杆机构分为,三种基本类型。1曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中,两连架杆中一个为曲柄,另一个为摇杆,此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,曲柄摇杆机构中,当以曲柄为原动件时,可将匀速转动变成从动件的摆动。2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。双曲柄机构中,若曲柄长度不等时,通常主动曲柄做匀速转动,从动曲柄做变速转
8、动。如图6-20所示的惯性筛机构,ABCD为双曲柄机构。在双曲柄机构中,如果两个曲柄的长度相等、连杆与机架的长度也相等,则称为平行双曲柄机构,如图6-21所示。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,3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。它可实现相同运动规律或不同运动规律往复摆动间的变换,常用于操纵机构、仪表机构等。二、铰链四杆机构基本类型的判别铰链四杆机构中要想存在曲柄必须满足下列两个条件:(1)四杆机构中最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和(简称杆长之和条件);(2)连架杆或机架中必有一杆是最短杆(简称最短杆条件)。上述两个条件必须同时满足,
9、否则四杆机构不存在曲柄。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,如果满足杆长之和条件,铰链四杆机构的类型取决于最短杆的类型:以最短杆作连架杆,为曲柄摇杆机构;以最短杆作机架,为双曲柄机构;以最短杆作连杆,为双摇杆机构。三、含移动副的四杆机构 1曲柄滑块机构由图6-23(a)可知,在曲柄摇杆机构中,杆1为曲柄,杆3为摇杆。如图6-23(b)所示,把杆4作成环形槽,槽的中心在D点,而把杆3作成弧形滑块,与环形槽相配合。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,曲柄滑块机构用于连续转动与往复移动之间的运动转换,广泛应用于内燃机、空压机和自动送料机等机械中,如图6-25所
10、示。2偏心轮机构对于图6-24(a)所示的对心曲柄滑块机构,如果曲柄较短,则曲柄结构形式较难实现,故常采用图6-26(a)所示的偏心轮结构形式,称为偏心轮机构,其偏心圆盘的偏心距,即等于原曲柄长度。3导杆机构若将图6-24(a)所示的曲柄滑块机构的构件1作为机架,则曲柄滑块机构就演化为导杆机构,如图6-27所示。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,4摇块机构若将6-24(a)所示曲柄滑块机构的构件2作为机架,则曲柄滑块机构就演化为如图6-28(a)所示的摇块机构。5定块机构若将图6-24(a)所示曲柄滑块机构的滑块3作为机架,则曲柄滑块机构就演化为如图6-29(a)所示的定
11、块机构。6.3 平面四杆机构的基本特性 一、急回特性 1极位夹角如图6-30所示为一曲柄摇杆机构,其主动曲柄AB顺时针匀速转动时,从动摇杆CD在两个极限位置间做往复变速摆动。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,曲柄回转一周,摇杆CD往复摆动一次。曲柄AB在回转一周的过程中,有两次与连杆BC共线,使从动件CD相应地处于两个极限位置C1D和C2D,此时原动件曲柄AB相应的两个位置之间所夹的锐角称为极位夹角。2急回运动特性机构空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度,这种特性称为急回运动特性。急回运动特性可用行程速度变化系数(或行程速比系数)K表示,即,上-页 下-页 返回,任务
12、6-1 平面四杆机构的设计,上式表明,当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角时,机构便具有急回运动特性。二、平面四杆机构的传力特性在生产实际中,不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律并满足机器的运动要求,而且希望运转轻便、效率较高,即具有良好的传力性能。如图6-33所示的铰链四杆机构中,以曲柄AB为原动件,摇杆CD为从动件。F与C点绝对速度vc之间所夹的锐角称为压力角。力F可分解成两个分力F1和F2,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,显然,压力角越小,有效分力越大,对机构传动越有利。因此,压力是衡量机构传力性能的重要参数。2传动角传动角是压力角的余角,所以压力角越小,传动角越
13、大,机构的传力性能越好;反之,机构的传力性能越差,传动效率越低。三、死点位置如图6-34所示的曲柄摇杆机构中,当摇杆CD为主动件且机构处于图中所示的两个位置时,连杆与曲柄共线,此时压力角90、传动角=0。,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,所以构件AB将不能转动,机构的这种位置称为死点,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,机构的死点位置也常常被用于实现特定的工作要求。6.4平面四杆机构的设计一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计条件:所设计的机构应是具有急回运动特性的四杆机构,如曲柄摇杆机构、偏置式曲柄滑块机构和摆动导杆机构等,其中以典型的曲柄摇
14、杆机构设计为基础。二、按连杆的预定位置设计四杆机构在生产实践中,经常要求所设计的四杆机构在运动过程中其连杆能达到某些特殊位置。这类机构的设计属于实现构件预定位置的设计问题。这类设计问题按给定条件分为两种情况:(1)按给定的连杆三个位置设计平面四杆机构。,上-页 下-页 返回,任务6-1 平面四杆机构的设计,(2)按给定的连杆两个位置设计四杆机构。已知铰链四杆机构中连杆的长度及两个预定位置,要求确定四杆机构的其余构件尺寸。这时,两连架杆与机架所组成转动副的中心A、D可分别在B1B2和C1C2的中垂线上任意选取,得到无穷多个解。结合附加限定条件,如机架位置、结构紧凑等,从无穷解中选取满足要求的唯一
15、解。,上-页 返回,任务6-2 凸轮机构的设计,任务引入凸轮机构是机械中的一种常用机构,因其能够实现预定的运动规律而在自动化和半自动化机械中得到广泛应用。图6-51和图6-52就是凸轮机构的应用实例。本学习任务就是按照预定要求设计凸轮机构。相关知识6.5凸轮机构的认识及应用 一、凸轮机构的组成及特点如图6-53所示,凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3组成。凸轮是一个具有控制从动件运动规律的曲线轮廓或凹槽的主动件,通常做连续等速转动(也有做往复移动的);从动件则在凸轮轮廓驱动下按预定运动规律做往复直线运动或摆动。,下-页 返回,任务6-2 凸轮机构的设计,二、凸轮机构的基本类型 1按凸轮形状分类
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