机械设计-第8章平面连杆机构及其设计.ppt

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1、湖南理工学院专用作者：潘存云教授,第八章平面连杆机构及其设计,81 连杆机构及其传动特点,82 平面四杆机构的类型和应用,83 有关平面四杆机构的一些基本知识,84 平面四杆机构的设计,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,应用实例：,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,81 连杆机构及其传动特点,内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠

2、伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,产生动载荷（惯性力），不适合高速。,设计复杂，难以实现精确的轨迹。,分类:,本章重点内容是介绍四杆机构。,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释：曲柄作整周定轴回转的构件；,共有三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构

3、件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360 相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,82 平面四杆机构的类型和应用,1.平面四杆机构的基本型式,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,旋转式叶片泵,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,摄

4、影平台,天平,播种机料斗机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,反平行四边形机构,-车门开闭机构,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,火车轮,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,、风扇摇头机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,(1)改变构件的形状和运动尺寸,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=l

5、 sin,2.平面四杆机构的演化型式,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,(3)选不同的构件为机架,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,(3)选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种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,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,椭圆仪机构,实例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构,正弦机构,(4)运动副元素的逆换,

6、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。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,b(d a)+c,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,a+d b+c,c(d a)+b,AB为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和,a+b c+d,83 有关平面四杆机构的一些基本知识,1.平面四杆机构有曲柄的条件,d-a,设ad,连架杆若能整周回转，必有两次与机架共线,a+c b+d,三角形任意两边之和大于第三边,若设ad，同理有：da,db,dc,AD为最短杆ad中必有一个是机架,将以上三式两两相加得：a b,ac,

7、ad,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。,曲柄存在的条件：,最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为整转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。,称为杆长条件。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,2.急回运动与行程速比系数,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于

8、两个极限位置，简称极位。,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1,平均速度为V1,那么有：,曲柄摇杆机构 3D,180,此两处曲柄之间的夹角称为极位夹角。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为V2,那么有：,180-,因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。用以下比值表示急回程度,称K为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0，就有 K1,所以可通过分析机构中

9、是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,曲柄滑块机构的急回特性,应用：节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。,180,180-,导杆机构的急回特性,180,180-,思考题：对心曲柄滑块机构的急回特性如何？,对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K,先求出，然后在设计各构件的尺寸。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,当BCD90时，BCD,3.压力角和传动角,压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:mi

10、n50,min出现的位置：,当BCD90时，,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,为了保证机构良好的传力性能,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,由余弦定律有：B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/2bc,B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/2bc,若B1C1D90,则,若B2C2D90,则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从

11、动件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,4.机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,5.铰链四杆机构的运动连续性,指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。,可

12、行域：摇杆的运动范围。,不可行域：摇杆不能达到的区域。,设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。,称此为错位不连续。,错序不连续,设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,提示:1若AB为最短杆;,2若AB为最长杆;,3若AB既不是最短杆也不是最长杆;,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,84 平面四杆机构的设计,湖南理工学院专用

13、作者：潘存云教授,84 平面四杆机构的设计,一、连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型；,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：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,飞机起落架,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,三类设计要求：,1)

14、满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法,二、用解析法设计四杆机构,思路：首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解所需的机构尺度参数。,1)按预定的运动规律设计四杆机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,1

15、)按给定的运动规律设计四杆机构,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：a、b、c、d,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,a coc1i+bcos2i=c cos3i+d,a sin1i+b sin2i=c sin3i,3if(1i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令：a/a=1 b/a=l c/a=m d/a=n,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,消去2i整理得：cos(1i+0)m cos(3i+0)-(m/n)cos(3i+0-1i-0)+(m2+n2+1-l2)/(2n),代入移项得：lcos

16、2 i=n+mcos(3i+0)cos(1i+0),lsin2 i=msin(3i+0)sin(1i+0),则上式简化为：coc(1i+0)P0cos(3i+0)P1 cos(3i+0-1i-0)+P2,式中包含有p0，p1，p2，0，0五个待定参数,故四杆机构最多可按两连架杆的五组对应未知精确求解。,当i5时，一般不能求得精确解，只能用最小二乘法近似求解。,当i5时，可预定部分参数，有无穷多组解。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1co

17、s(110-135)+P2,解得相对长度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件1的长度a之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45=P0cos50+P1cos(50-45)+P2,a=1,n=-m/P1=1.442,l=(m2+n2+1-2nP2)1/2=1.783,m=P0=1.553,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,1)按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,三、用作图法设计四杆机构

18、,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,已知:固定铰链A、D和连架杆位置，确定活动铰链 B、C的位置。,2)按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,机构的转化原理,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,2)按两连架杆三组对应位置设计四杆机构,任意选定构件AB的长度,连接B2 E2、DB2的得B2 E2D,绕D 将B2 E2D旋转1-2得B2点,已知:机架长度d和两连架杆三组对应位置。,设计步骤：,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,连接B3 E3、DB3得 B3 E3D,将B3E3D绕D旋转1-3得B3点,2)按两连架杆三组对应位置设计四杆机构

19、,已知:机架长度d和两连架杆三组对应位置。,任意选定构件AB的长度,连接B2 E2、DB2的得B2 E2D,绕D 将B2 E2D旋转1-2得B2点,设计步骤：,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,由B1 B2 B3 三点求圆心C3。,2)按两连架杆三组对应位置设计四杆机构,已知:机架长度d和两连架杆三组对应位置。,连接B3 E3、DB3得 B3 E3D,将B3E3D绕D旋转1-3得B3点,任意选定构件AB的长度,连接B2 E2、DB2的得B2 E2D,绕D 将B2 E2D旋转1-2得B2点,设计步骤：,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,3)按连杆上任意

20、标志线的三组对应位置设计四杆机构,铰链B相对于铰链A的运动轨迹为一圆弧，反之，铰链A相对于铰链B的运动轨迹也是一个圆弧；,同理：铰链C相对于铰链D的运动轨迹为一圆弧,铰链D相对于铰链C的运动轨迹也是一圆弧。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,3)按连杆上任意标志线的三组对应位置设计四杆机构,已知:机架长度d和连杆上某一标志线的三组对应位置：M1N1、M2N2、M3N3，求铰链B、C的位置。,分析:铰链A、D相对于铰链B、C的运动轨迹各为一圆弧，依据转化原理，将连杆固定作为机架，得一转化机构，在转化机构中，AD成为连杆。只要求出原机架AD相对于标志线的三组对应位置，原问题就转

21、化为按连杆三组位置设计四杆机构的问题。,刚化机构位形得多边形 M2N2AB，移动多边形使 M2N2、M1N1重合；,在位置3重复前两步骤；,设计步骤：,分别过AAA”和DDD”求作圆心，得B、C点。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,4)按给定的行程速比系数K设计四杆机构,(1)曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K，设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,C2C1P=90,交于P;,选定A，设曲柄为a，连杆为a，则:,以A为圆心，A

22、 C2为半径作弧交于E,得：a=EC1/2 b=A C1EC1/2,A C2=b-a,=a=(A C1A C2)/2,A C1=a+b,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,(2)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,计算:180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射线C1O 使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，A C1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2 O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1=EC2/2,l2=A C2EC2/2,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云

23、教授,(3)导杆机构,分析：由于与导杆摆角相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄 a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d,则:a=dsin(/2),作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,四、实验法设计四杆机构,当给定连架杆位置超过三对时，一般不可能有精确解。只能用优化或试凑的方法获得近似解。,1)首先在一张纸上取固定轴A的位置，作原动件角位移i,2)任意取原动件长度AB,3)任意取连杆长度BC，作一系列圆弧;,4)在透明纸上取固定轴D，作角位移i,5)取一系列从动件长度作同心圆弧。,6)两

24、图叠加，移动透明纸，使ki落在同一圆弧上。,1）按两连架杆多组对应位置设计四杆机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B,C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹为一条封闭曲线。,设计目标:就是要确定一组杆长参数,使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,2）按预定的运动轨迹设计四杆机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,2）按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,本章重点：,1.四杆机构的基本形式、演化及应用；,2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.掌握按连杆二组位置、三组位置、连架杆三组对应位置、行程速比系数设计四杆机构的原理与方法。,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,湖南理工学院专用作者：潘存云教授,