机械原理-平面连杆机构.ppt

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1、第4章 平面连杆机构,第4章 平面连杆机构,4-1 平面连杆机构的特点和应用4-2 平面连杆机构的类型和演化4-3 平面连杆机构运动特性分析4-4 平面连杆机构传力特性分析4-5 平面连杆机构运动设计*4-6 平面多杆机构简介,4-3 平面连杆机构运动特性分析,功能,运动特性,传力特性,为什么要进行机构运动特性分析和传力特性分析？参阅教材P70-71,4-3-1 铰链四杆机构存在曲柄的条件,存在曲柄：1个或2个连架杆相对机架可以做整周转动。机构是否存在曲柄，是连架杆与机架之间的位置关系，因此属于机构的运动性能。,设四杆长度分别是a,b,c,d,若AB是曲柄，可绕A做旋转运动，则AB能占据整周回

2、转中的任何位置。特殊位置：AB1、AB2,特殊位置：AB1、AB2设da，形成两个三角形,存在尺寸关系：两边和大于第三边,存在尺寸关系：两边和大于第三边,三式两两相加，得,综合，得,设da，得：,同理，设da，可得,则,归纳曲柄AB大于和小于机架 AD的两种情况，得出有曲柄条件：,最短构件长度+最长构件长度其余两构件长度之和,曲柄（连架杆）或机架最短,构件的相对长度Grashofs law,机架的选择,平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构,设计连杆机构时，需考虑杆长和机架，以确保机构运动方案可行，满足有或无曲柄的运动特性要求。当然，四杆机构的最长杆长应小于其余三杆的杆长之和。,分析骑自行车：,其它

3、四杆机构的有曲柄条件，可同理得出，或利用铰链四杆机构的有曲柄条件推得。,判定是否存在曲柄的意义？,若机械动力源输出旋转运动（如电动机），则机构原动件应做连续旋转运动，即应是主动曲柄。工程实际中有时又要求从动件能够做整周转动，即机构应存在从动曲柄（如内燃机）。,4-3-2 转动副为整转副的条件,组成转动副的两个构件，可以相对做整周运动,组成转动副的两个构件，只能做小于360的相对摆动,摆转副,4-3-2 转动副为整转副的条件,最短构件长度+最长构件长度其余两构件长度之和,最短构件的两个转动副为整转副（偶数个）,判断机构类型：,连杆机构的急回特性，可以用极位夹角或行程速比系数K描述。,4-3-3

4、急回运动特性（quick-return characteristic）,1、极限位置(extreme position)主动曲柄与连杆共线的机构（两）位置：重叠共线、伸展共线。,4-3-3-1 极限位置和极位夹角,曲柄摇杆机构急回特性,从动摇杆,主动曲柄,右极位,左极位,与机构极限位置对应的曲柄的两位置所夹的锐角。,2、极位夹角(crank angle between extreme positions),对心式曲柄滑块机构极限位置,偏置式曲柄滑块机构极限位置,摆动导杆机构极限位置,从动摇杆往复摆动的两行程有快慢之分,急回运动：反行程（回程）为快速运动，正行程（工作行程）为慢速运动。急进运动：

5、,具有急回特性的机构，当主动曲柄反向旋转时，就成为急进机构。在牛头刨床等设备上，用明显标志标出了原动件的正确回转方向。,输出构件往返两行程的相对快慢程度，用两行程的平均速度比（如）或所用时间比（如）描述，取决于的大小。,角越大，机构的急回或急进特性越显著。=0时，机构无急回或急进特性。,偏置曲柄滑块机构、导杆机构,工程中，很多机器都要求“进程”和“回程”平均速度不同，以缩短不受工作阻力的空载行程时间。,刨刀在工作行程的切削段近于等速运动，以保证加工质量，延长刀具使用寿命，而在空行程快速返回。,牛头刨床,通过测量或计算角的大小，可了解现有机构的急回程度，即输出构件两个行程的平均速度比或所用时间比

6、。,设计连杆机构时，往往是指定输出运动两个行程的平均速度比或所用时间比，反过来设计满足急回要求的机构。,4-3-3-2 行程速比系数K（advance-to return-time ratio）,再设定一个衡量机构急回程度的参数：行程速比系数K（急回系数）。,由于,所以,回：摇杆：左右速度v2，时间t2 曲柄转角2,去：摇杆：左右速度v1,时间t1曲柄转角1,回：摇杆：左右速度v2，时间t2 曲柄转角2,机构无急回运动时，=0，K=1；机构的急回特性越显著，角越大，K值也越大。,与有曲柄/有整转副条件一样，急回特性也是设计杆长时的约束条件之一。,有、无急回特性的曲柄滑块机构,设计满足急回特性的

7、机械：,根据机械的使用要求，设定是否应有急回特性，设定急回程度即行程速比系数K的大小，据以求出极位夹角，进而设计机构运动参数（尺寸），使机构满足特定的急回程度要求。,问题：双曲柄机构有急回特性吗？转动导杆机构呢？,没有急回特性的机构，与另一机构组合后，也可产生急回特性。,*4-3-4 运动的连续性,当主动件连续运动时，从动件连续地占据预定的各个位置：机构运动的连续性。,运动可行域,从动件的运动可行域与构件长度、机构初始位置有关，可用作图法求得。,问题：错位不连续、错序不连续,设计连杆机构时，应检查是否存在错位、错序的问题。如果不满足运动连续性要求，应改变原动件转动方向、安装位置、构件尺寸或机构

8、运动方案。,4-4 平面连杆机构传力特性分析,本节讨论不考虑摩擦时平面连杆机构的受力情况和传动性能。考虑摩擦时的受力分析请参阅“第9章机械的传动效率”。,不考虑摩擦的受力分析具有重要的工程应用价值。,工程实际问题中，需合理设计机械运动方案、运动参数和结构形式等，以尽可能提高传动效率。在进行机械运动设计时，很多工程问题视为没有摩擦进行分析，即以合理设计的结果（尽量减小摩擦等）作为运动分析和动力分析的前提。,事实上，在机械系统的结构尚未设计之前，考虑摩擦的受力分析也无法进行。,4-4-1 构件受力方向的判定,M1,内力杆2,不计惯性力、重力、摩擦力时：,内力杆3、5、4,不计惯性力、重力、摩擦力时

9、：,输出构件和中间构件以移动副连接时，内力的方向如何判定？,导杆机构,4-4-2 机构的压力角和传动角,1、压力角（Pressure angle）：从动件上作用的驱动力方向与受力作用点速度方向所夹的锐角。2、传动角（Transmission angle）：压力角的余角。,压力角和传动角：,压力角：越大，径向压力Fn越大。,从动件,压力角越小，径向压力越小，作用于输出构件的有效分力越大，对机构的传动越有利。压力角是运动副之间力和速度传动特性的度量标准。,传动角也可度量机构的传力质量，其数值等于输出构件与连杆所夹的锐角。,当机构运动时，压力角、传动角随机构的位置变化而不同，具有瞬时性。,不同瞬时，

10、机构的压力角和传动角可用图解法在图上标出（测量），也可据几何关系用解析法求出。,最大压力角、最小传动角位置：,曲柄滑块机构的最小传动角,为什么要确定机构最大压力角、最小传动角？,压力角、传动角与机构尺寸、位置有关。压力角最大（传动角最小）时，机构的传力特性最差。,确定最大压力角（或最小传动角）的值及位置，可预测输入和输出构件之间力（转矩）传动的品质，评价机构的设计；或按规定的（许用）压力角/传动角设计机构。,机构运动时，为保证良好传力性能，要求压力角不大于某数值：许用压力角，传动角不小于某数值：许用传动角。,当机构压力角在某瞬时达90时，作用在输出构件的有效分力为0，机构可能不能运动，发生自锁

11、。相关内容见“第9章机械的传动效率”。,压力角的最佳值为0。常用于牛头刨床、插床等设备中的导杆机构，为什么具有很好的传力性能？,压力角=0,当压力角大于45时，输出构件上作用的有害分力将大于有效分力。为保证良好的传力性能，使机械运动平顺，一般压力角应不超过50。传递大功率或高速运行的机械，一般压力角应不超过40。,但当不是主要用于传递力时，或机构输出构件受力很小时，即使压力角较大，机构也能运行，如受力很小或不常使用的操纵机构。,4-4-3 死点（dead point）,从动曲柄与连杆共线的机构（两）位置。,主动摇杆（从动曲柄）,偏置式曲柄滑块机构的死点之一,机构是否存在死点，取决于从动件是否会

12、与连杆共线。这似乎是机构的运动特性，事实上是从动件的受力所决定的。,这时，=0，机构顶死或运动不确定。,平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构,从动曲柄CD反向转动,顺利通过死点的办法1：利用从动件惯性,借助大带轮（飞轮）较大的惯性通过死点,顺利通过死点的办法2：机构错位排列,从动曲柄位置错开90,顺利通过死点的办法3：对从动件施外力,利用死点的实例1：钻床工件夹紧装置,利用死点的实例1：钻床工件夹紧装置,利用死点的实例2：飞机起落架收放机构,利用死点的实例2：飞机起落架收放机构,利用死点的实例3：小货车后挡板机构,利用死点的实例4：轮椅制动装置,此外，利用死点工作的文件夹、折叠桌等,在工程实际中，

13、当机构主要用于传递力或压紧时，希望机构具有增力效果，以更好地满足使用要求。即输出力矩Mout（或力Fout）大于输入力矩Min（或力Fin）。,*4-4-4 机械增益（mechanical advantage）,对于理想机械（忽略重力、惯性力，不计运动副中的摩擦及能量损失），机械的输出功率与输入功率相等，应有,或,或,M.A.表示机械增益：输出力矩（或输出力）与输入力矩（或输入力）的比值。,令：,则,例：,由于：且,故,机械增益随传动角增大而增大，同时受的影响。和随机构位置而变化，故机械增益具有瞬时性。,肘节机构,夹紧钳,杠杆式剪切机,在极限位置附近，从动件速度近于零，可获得很大的增力效果。,拉铆机构,机械增益和速度比是判断机构设计方案相对优劣的依据之一。,