土木工程机械课件第二章.ppt

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1、第二章 常用机构,概 述2.1 机构运动简图及平面机构自由度2.2 平面连杆机构2.3 凸轮机构2.4 棘轮机构,概 述,1.连杆机构：是由若干构件通过低副连接而成，又称低副机构。2.平面连杆机构：各构件的运动平面彼此相互平行的机构。其余为空间连杆机构。3.例子：,例1：刨床主传动机构,例2：雷达天线俯仰机构,概 述,4.连杆机构的特点：（1）连杆连接处是面接触：压强小、磨损轻、因而适用于重载，使用寿命长。（2）接触表面是平面或圆柱面：易于加工，可以获得较高的精度，且能由本身几何形状保证运动副封闭。（3）运动副内有间隙，当构件数目较多或精度较低时，运动积累误差较大。（4）要精确实现任意预期运动

2、规律，设计比较繁复。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.1 运动副及其分类：运动副：当构件组成机械时，构件与构件之间通过一定的相互接触与制约，所构成保持相对运动的可动连接。1.低副：两构件通过面接触构成的运动副，分为回转副和移动副两种。,（1）回转副（或称铰链）：构成运动副的两构件只能在同一个平面内相对转动。,面接触,面接触,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.高副：两构件通过点线接触构成的运动副。,（2）移动副：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动。,面接触,点接触,线接触,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.2 机构运动简图：1.机构运动简图：用于说明机构各

3、构件间相对运动关系的简单图形。见表211。特征：用一些简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，按比例定出各运动副的位置，简图具有与原机构相同的运动特性。2.构件的分类：任何一个机构包括：固定件、原动件、从动件三种。（1）固定件：用来支承活动构件的构件。研究机构中活动构件的运动时，常以固定件作为参考坐标系。（2）原动件：是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，又称为输入构件。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（3）从动件：是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件，其中输出预期运动的从动件称为输出构件。3.绘制运动简图的方法与步骤：1.例子：,2.1 机构运动简图及平面机构自

4、由度,2.绘制运动简图的方法与步骤：定出原动件和输出构件，然后，搞清楚原动件和输出构件之间运动的传递路线，组成机构的构件数目及连接各构件的运动副的类型和数目，测量出各个构件上与运动有关的尺寸。选择投影面：一般可以选择机构的多数构件的运动平面作为投影面。绘出机构运动简图：选择适当的比例，定出各运动副的相对位置，以简单的线条和规定的符号绘出机构运动简图。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.3 平面机构自由度：1.平面机构自由度的计算公式：平面机构：机构中各构件之间的相对运动彼此相互平行。,例1：无约束。构件1相对构件2有3个自由度。,例2：低副a、b约束了两个移动自由度，保留回转自由度

5、。c约束了一个移动自由度、一个回转自由度，保留了一个移动自由度。,低副d约束了一个n-n方向移动自由度、保留了一个回转自由度和一个移动自由度。高副e约束了一个t-t方向移动自由度、保留了一个回转自由度和一个移动自由度。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,例1：计算颚式破碎机的自由度。解：机构含有：活动构件n=5；低副：7个回转副PL=7；高副：PH=0。F=3n2PLPH=3527=1该机构一个原动件，1个自由度，从动件有 确定的运动。,因此，在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。即：,2.机构具有确定运动的条件：,2.1 机

6、构运动简图及平面机构自由度,解：机构含有：活动构件n=4；低副：回转副PL=5；高副：PH=0。F=3n-2PL-PH=34250=2结论：两种情况。一个原动件，机构无确定的运动；两个原动件，机构的运动是确定的。,例3：计算右图所示机构的自由度。,解：机构含有：活动构件n=4；低副：回转副PL=6 高副：PH=0。F=3n2PLPH=34260=0,例2：计算右图平面五连杆机构的自由度,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,因此，机构具有确定运动的条件是：机构的自由度F0 机构的原动件数等于机构的自由度。3.计算平面机构自由度的注意事项：,（1）复合铰链：三个或三个以上构件在同一轴线上用回转副

7、相连接构成复合铰链。若有m个构件构成同轴复合铰链，则应具有m1个回转副。,解：机构含有：活动构件n=5；低副：回转副PL=7(包括C点复合铰链m-1=3-1=2)高副：PH=0。F=3n2PLPH=35270=1因此，机构具有确定的运动。,例4：计算右图所示机构的自由度。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（2）局部自由度（或多余自由度）：不影响机构中输出与输人运动关系的个别构件的独立运动)，在计算机构自由度时应予排除。,例5：计算右图所示凸轮机构的自由度。,解：分析得知：无论凸轮4正转还是反转，都不影响从动杆2的运动规律；因此凸轮4为局部自由度(多余自由度)。机构含有：活动构件n=2；低

8、副：回转副PL=2（一个回转副、一个移动副）高副：PH=1。F=3n2PLPH=32221=1因此，机构具有确定的运动。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（3）虚约束(或消极约束)：在运动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响与其他约束重复的约束。在计算机构自由度时由应除去不计。例6：下图所示机构（a），各构件的长度为lABlCDlEF，lBClAD，lCE=lDF，计算其自由度。,分析得知：构件EF与回转副E、F的存在与否对整个机构的运动并无影响。在计算自由度时应将产生虚约束的构件连同带入的 运动副一起除去不计。（见b）。机构含有：活动构件n=3；低副：回转副PL=4；高副：PH=

9、0。F=3n-2PLPH=33240=1 因此，机构具有确定的运动。若图a改为图c，则构件EF不是虚约束，自由度F=0，机构不能运动。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,虚约束实例：多导路平行移动副,多轴线重合的回转副,行星齿轮上的行星轮只有一个行星轮起约束作用，其余行星轮为虚约束。,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.2.1 铰链四连杆机构的基本形式：（1）平面连杆机构的基本形式：铰链四连杆机构。（2）各部分名称：,机架,连架杆,连架杆,连杆,（3）铰链四连杆机构分为：,曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,1.曲柄摇杆机构：在铰链四杆机构的两个连架杆中，其中

10、一个是曲柄，另一个是摇杆。若曲柄为原动件，作匀速转动，而从动摇杆作变速往复摆动，连杆作平面复合运动。,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.双曲柄机构：两个连架杆都可以相对于机架作整周转动。（1）不等双曲柄机构：两曲柄长度不等的双曲柄机构。,特点：主动曲柄以等角速度连续旋转时，从动曲柄则以变角速度连续转动，且其变化幅度相当大，其最大值和最小值之比可达23倍。,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）平行双曲柄机构：其相对的两杆平行且相等，又称平行四边形机构。,运动特点是：两曲柄以相同的角速度沿相同的方向回转，而连杆作平移运动。,机车车轮联动机构,载重汽车司机座椅摆动机构,2.2 平面连杆机构的基本

11、知识,缺点：是存在转折点：存在被动曲柄运动不确定的现象。解决办法：在机构中安装一个大质量的飞轮，利用其惯性闯过转折点；利用多组机构来消除运动不确定现象。（3）反向双曲柄机构：如果相对两杆长相等，但彼此不平行的双曲柄机构。特点是：两曲柄转向相反，角速度相等。,反向双曲柄机构实例,反向双曲柄机构实例：双折车门开闭机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,3.双摇杆机构：两个连架杆都可以相对于机架作摆动。,双摇杆机构,飞机起落架机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,特点：是两摇杆在同一时间内，所摆动的角度在一般情况下不相等。,汽车车轮转向机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.1.2 平面四杆机构的演

12、化：1.改变杆件长度的演变：,AD、CD长度为：转变为,圆弧mm转变为直线,摇杆CD转化为作直线运动的滑块,对心曲柄滑块机构 e=0,偏置曲柄滑块机构 e0,2.2 平面连杆机构的基本知识,螺纹搓丝机构,自动送料机构,曲柄滑块机构 4为机架,曲柄滑块机构 2为机架,2.改变不同杆作机架的演变,2.2 平面连杆机构的基本知识,移动导杆机构 滑块3作为机架,转动导杆机构 最短杆为机架,转动导杆机构 l1l2,2.2 平面连杆机构的基本知识,3.其它演变形式：（1）含有两个移动副的四连杆机构。,正弦机构导杆3的运动方程为：s=asinj,跳针机构,双滑块机构,椭圆仪机构,2.2 平面连杆机构的基本知

13、识,（2）扩大运动副的尺寸：,曲柄摇杆机构,偏心轮机构,曲柄滑块机构,偏心轮与轴做成一体,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.2.3 铰链四杆机构曲柄存在的条件和几个基本概念1.铰链四杆机构曲柄存在的条件：（1）曲柄存在的条件：曲柄：相对机架能作360整周回转的连架杆。,右图中设：l1曲柄；l2连杆；l3摆杆；l4机架；取l1 l4。,右图四杆机构必须通过的两个特殊位置（l1 和l2 共线）：,直线B1AC1；直线AB2C2。,当l1处于AB1位置时，形成AC1D，各杆的长度应满足以下关系：,l3(l2l1)l4或 l4(l2l1)l3,2.2 平面连杆机构的基本知识,得：l3 l1 l2l4

14、 l4l1 l2l3,当l1处于AB2位置时，形成AC2D，则应满足以下关系：,l1 l2 l3l4,将以上三式两两相加可得：,l1 l2,l1 l3,l1 l4;即l1为最短杆。,分析可得出铰链四杆机构中存在曲柄的条件是：最短杆长加上最长杆长小于或等于其余二杆长之和。否则为双摇杆机构。（杆长条件）,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）平面四连杆机构三种基本形式的组成规律为：(a)当最长杆长度最短杆的长度其余两杆长度之和时：以最短杆件相邻的任意杆件为机架时，机构为曲柄摇杆机构。,以最短杆件为机架时，机构为双曲柄机构。,2.2 平面连杆机构的基本知识,以最短杆件相对的杆件为机架时，机构为双摇杆

15、机构。,(b)当最长杆长度最短杆的长度其余两杆长度之和时，无论那种情况机构都是双摇杆机构。,2.曲柄摇杆机构的急回特性和行程速比系数：,(a)急回特性：摆杆工作行程摆动慢，返回行程摆动快的特性。,2.2 平面连杆机构的基本知识,(b)行程速比系数K：极位夹角：摇杆处于极限位置时，曲柄所对应的这两个位置之间的锐角。行程速比系数K：,因此，有无急回作用取决于极位夹角：极位夹角越大，K值就越大，机构的急回特性就越明显；极位夹角 为零，则K值为零，机构无急回特性。,对心曲柄滑块机构无急回作用。,偏置曲柄滑块机构有急回作用。,2.2 平面连杆机构的基本知识,摆动导杆机构：导杆处于两个极限位置时，极位夹角

16、0，因此具有急回作用。,3.压力角a与传动角g：（1）压力角a：连杆BC作用于从动杆DC的力F的方向与F的作用点C的速度vC方向之间的夹角。,F在vC方向上的分力：Ft=FcosaF在CD方向上的分力：Fn=FsinaFt为有效分力，Fn为有害分力。A越大有效分力越小，有害分力越大。,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）传动角g：压力角a的余角。即：g=90a。设计时通常应使g ming。,对于导杆机构：滑块对从动导杆的作用力F始终垂直于导杆，即力F与导杆在该点速度方向不变，因此传动角始终为90。,2.2 平面连杆机构的基本知识,3.机构的死点位置：在曲柄连杆机构中，以摇杆为主动件、以曲柄为

17、从动件，连杆与曲柄共线的位置。,滑块为主动件时，机构处于死点位置的情况,机构的死点位置的应用例子：,机床加工夹紧机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,电器开关分合闸机构,飞机起落架机构,4.3 凸轮机构,4.3.1 凸轮机构的应用1.基本组成：凸轮、推杆、机架三个基本构件组成。2.特点：凸轮轮廓与推杆之间为点、线接触，属于高副机构；具有可使推杆具有各种预定规律的轮廓曲线；结构简单、紧凑。3.缺点：宜磨损，因此凸轮机构多用于传力不大的场合。4.例子：,（1）给定轮廓线的靠模凸轮机构,（2）冲床装卸料凸轮机构,4.3 凸轮机构,4.3.2 凸轮机构的类型：1.按凸轮几何形状分：,（1）盘形凸轮：凸

18、轮绕固定轴线转动，具有径向变化的盘形构件。,（2）移动凸轮：凸轮相对于机架作往复直线运动。是盘形凸轮的演变机构，其转轴的中心在无穷远处。,（3）圆柱凸轮：圆柱表面加工出曲线工作表面的凸轮，是盘形凸轮的演变机构，它是将圈成圆柱体而构成，,4.3 凸轮机构,2.按推杆端部形状分：（1）顶尖推杆：,（2）滚子推杆：,（3）平底推杆：,4.3 凸轮机构,3.按推杆的运动形式分：（1）直动推杆：推杆相对于机架作往复直线移动。,对心直动推杆盘形凸轮机构,偏置直动推杆盘形凸轮机构,4.3 凸轮机构,4按凸轮与推杆维持高副接触的封闭方式分：（1）力封闭。利用推杆的重力或弹簧力等使推杆与凸轮轮廓始终保持接触。,

19、（2）摆动推杆：推杆相对于机架作往复摆动。,4.3 凸轮机构,（2）形封闭。依靠凸轮与推杆的特殊几何结构来保持两者始终接触。,4.3 凸轮机构,4.3.3 凸轮机构的运动循环及基本名词术语：1.凸轮机构的运动循环：,4.3 凸轮机构,2.基本名词和术语：,基圆,偏距,行程,推杆行程：指推杆在凸轮推动下远离凸轮轴心O的运动过程。,推程运动角,推杆远(近)休程：简称远(近)休程。,远休止角,近休止角,推杆回程：简称回程。指推杆在弹簧力或其他外力作用下移近凸轮轴心0的变动过程，,回程角,4.3 凸轮机构,推杆的运动规律：指推杆在运动过程中，其位移s、速度v、加速度a。随时间t的变化规律。当凸轮以等角

20、速度w转动时，凸轮转角j与时间t成正比，所以推杆的运动规律经常表示为位移与凸轮转角j的关系。4.3.4 几种常见的推杆运动规律：设计凸轮机械时，首先应根据工作要求确定推杆的运动规律，然后根据这一运动规律设计凸轮的轮廓曲线。1.等速运动规律：,设凸轮以等角速度w 回转，当凸轮转过推程运动角f0时，推杆等速上升h，其推程的运动方程为：,4.3 凸轮机构,缺点是：推杆在运动开始和终了的瞬时，因速度有突变，其加速度和惯性力产生强烈的冲击。适用于：低速轻载场合。2.等加速等减速运动规律：等加速减速运动规律通常取前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动。（1）推程时，等加速段运动方程为：,4.3 凸轮机

21、构,由右图可见，在行程的起始点A、中点B及终点C处加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变。不过这一突变为有限值，所以引起的冲击也较为平缓。这种由于加速度有突变产生的冲击称为柔性冲击。因此，这种运动规律只适用于中、低速的场合。,（2）推程时，等减速段运动方程为：,4.3 凸轮机构,3.余弦加速度运动（简谐运动）规律推杆的加速度按余弦加速度规律变化时，推杆运动方程为：,特点是：在首末两点推杆的加速度有突变，也有柔性冲击。一般只适用于中速场合。,4.3 凸轮机构,3.正弦加速度运动（摆线运动）规律推杆的加速度按正弦加速度规律变化时，推杆运动方程为：,特点是：加速度没有突变，可以避免柔性冲击和刚性冲击。适用于高速场合。,4.3 凸轮机构,式中s推、v推、a推按相同运动规律推程时的方程式确定。但其中用回程运动角f0代替，凸轮转角j应从回程的起始位置算起。通常以某种基本运动规律为基础，辅以其他运动规律与其组合，组成组合型运动规律；改善运动特性避免在运动始末位置发生刚性冲击或柔性冲击。,对于回程的运动方式可用下式得出：,4.3 凸轮机构,例：,正弦加速运动,等速运动,正弦加速运动,