平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(11).ppt

機(jī) 械 原 理,第3章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計,連桿機(jī)構(gòu)是由若干剛性構(gòu)件用低副連接而成的平面機(jī)構(gòu),又稱低副機(jī)構(gòu)。,3.1.1 特點,1.優(yōu)點,1）各構(gòu)件以低副相連,壓強(qiáng)小,易于潤滑,磨損??；,3.1 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點 及其設(shè)計的基本問題,2）能由本身幾何形狀保持接觸;,3）制造方便，精度高；,4）構(gòu)件運(yùn)動形式的多樣性，實現(xiàn)多種多樣的運(yùn)動軌跡。,2.缺點,1）機(jī)構(gòu)復(fù)雜,傳動積累誤差較大(只能近似實現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律；,2）設(shè)計計算比較復(fù)雜；,3）作復(fù)雜運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件的慣性力難以平衡，常用于速度較低的場合。,平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計通常包括選型和運(yùn)動尺寸設(shè)計兩個方面，前者是指確定接連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，后者是確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的參數(shù)，它一般可歸納為以下三類基本問題：,3.1.2 設(shè)計的基本問題,1. 實現(xiàn)構(gòu)件的給定位置(亦稱實現(xiàn)剛體導(dǎo)引),剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)能引導(dǎo)剛體（如連桿） 通過一系列給定位置。,指能精確地或近似地實現(xiàn)所要求的輸出構(gòu)件相對輸入構(gòu)件的位置關(guān)系。,2. 實現(xiàn)已知的運(yùn)動規(guī)律,3.1.3 運(yùn)動設(shè)計的方法,1.圖解法； 2.解析法； 3.圖譜法； 4.實驗?zāi)Ｐ头?3.實現(xiàn)已知的運(yùn)動軌跡,指連桿上某點通過某一 預(yù)先給定軌跡的功能。,3.2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式 及其演化,3.2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),所有運(yùn)動副均為轉(zhuǎn)動副的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它型式的平面四桿機(jī)構(gòu)都可以看成是在它的基礎(chǔ)上演化而成的。,根據(jù)構(gòu)件數(shù)目分為四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)。廣泛應(yīng)用的是平面四桿機(jī)構(gòu)，而且它是構(gòu)成和研究平面多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。,組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件能作整周相對轉(zhuǎn)動該轉(zhuǎn)動副稱為整轉(zhuǎn)副，否則為擺動副。,機(jī)架,組成,曲柄,連架桿,連桿,搖桿,曲柄所聯(lián)接的兩個轉(zhuǎn)動副均為整轉(zhuǎn)副，而搖桿所聯(lián)接的兩個轉(zhuǎn)動副均為擺動副。,按照兩連架桿的運(yùn)動形式的不同，可將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)三種類型。,1. 曲柄搖桿機(jī)構(gòu),縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu),攪拌機(jī),輸送機(jī)構(gòu),2. 雙曲柄機(jī)構(gòu),油泵,振動篩,平行四邊形機(jī)構(gòu),反平行四邊形機(jī)構(gòu),車輪,3. 雙搖桿機(jī)構(gòu),飛機(jī)起落架,鶴式起重機(jī),翻臺機(jī)構(gòu),本機(jī)構(gòu)為翻臺震實式造型機(jī)的翻臺機(jī)構(gòu)，是雙搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)造型完畢后，可將翻臺F翻轉(zhuǎn)180，轉(zhuǎn)到起模工作臺的上面，以備起摸。,1. 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副的演化,3.2.2 四桿機(jī)構(gòu)的演化,對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu),還可以轉(zhuǎn)化為雙滑塊機(jī)構(gòu),曲柄移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),2. 擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副,在左圖中若將轉(zhuǎn)動副B的半徑擴(kuò)大到比曲柄AB的長度還要大，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為偏心輪機(jī)構(gòu)。,在含曲柄的機(jī)構(gòu)中，若曲柄的長度很短，在柄狀曲柄兩端裝設(shè)兩個轉(zhuǎn)動副存在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題，故常常設(shè)計成偏心輪機(jī)構(gòu)。,曲柄搖桿機(jī)構(gòu),雙曲柄機(jī)構(gòu),雙搖桿機(jī)構(gòu),取不同構(gòu)件為機(jī)架各構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系不變,3. 取不同構(gòu)件作機(jī)架,（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu),（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu),(a)曲柄滑塊機(jī)構(gòu),(b)曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),(c)曲柄搖塊機(jī)構(gòu),(c)曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),(d)定塊機(jī)構(gòu),組成移動副的兩活動構(gòu)件，畫成桿狀的構(gòu)件稱為導(dǎo)桿，畫成塊狀的構(gòu)件稱為滑塊。,對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),因?qū)返闹芯€通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心而得名。該機(jī)構(gòu)能把回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運(yùn)動或作相反的轉(zhuǎn)變，廣泛應(yīng)用于蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、空壓機(jī)以及各種沖壓機(jī)器中。,轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)是通過將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄固定演化而成，它可將主動件的勻速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的非勻速轉(zhuǎn)動。,擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動性質(zhì)，且其傳動角始終為90度，具有最好的傳力性能，常用于牛頭刨床、插床和送料裝置中。,定塊機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)是通過將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊固定而演化得出，它可把主動件的回轉(zhuǎn)或擺動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿相對于滑塊的往復(fù)移動。,搖塊機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)是通過將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿固定而演化得出，它可把主動件的勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿相對于滑塊的往復(fù)移動并隨滑塊擺動的形式。,翻斗,正弦機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)是具有2個移動副的四桿機(jī)構(gòu)，因從動件的位移與原動曲柄的轉(zhuǎn)角的正弦成正比而得名，常用于縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu)和其他計算裝置中。,橢圓規(guī),動桿聯(lián)接兩回轉(zhuǎn)副，固定導(dǎo)桿聯(lián)接兩移動副，導(dǎo)桿呈十字形，動桿上各點軌跡為長短徑不同的橢圓。,4. 多桿機(jī)構(gòu),手動沖床,六桿機(jī)構(gòu),3.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的主要工作特性,3.3.1鉸鏈四桿運(yùn)動鏈成為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件,若圖中A為整轉(zhuǎn)副，則應(yīng)有：,1. 轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副的充分必要條件,當(dāng)ad時,（2）式展開后，整理得,（1）、（2-1）、（2-2）兩兩相加，有：,當(dāng)da時,（2）式展開后，整理得,（1）、（2-3）、（2 -4）兩兩相加，有：,結(jié)論：鉸鏈四桿的運(yùn)動鏈中，某一轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副的充分必要條件是組成該轉(zhuǎn)動副的兩個構(gòu)件中必有一個為最短桿，且最短桿與最長桿長度之和小于其它兩桿的長度之和。,2. 四桿鉸鏈運(yùn)動鏈成為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件,例:,（1）輸出件CD的兩極限位置,當(dāng)AB與BC兩次共線時，輸出件CD處于兩極限位置。,極位夾角：,當(dāng)搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄 位置線所夾的銳角。,3.3.2 行程速度變化系數(shù),曲柄轉(zhuǎn)角,對應(yīng)的時間,搖桿點C的 平均速度,（2）輸出件的行程速度變化系數(shù)K：,從動件慢行程平均速度v2與快行程平均速度v1之比。,平面四桿機(jī)構(gòu)具有急回特性的條件：,（1）原動件作等速整周轉(zhuǎn)動；,（2）輸出件作往復(fù)運(yùn)動；,（3）,根據(jù)K及從動件慢行程擺動方向與曲柄轉(zhuǎn)向的異同，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可分為以下三種形式：,I型曲柄搖桿機(jī)構(gòu),尺寸條件:,搖桿慢行程擺動方向與曲柄轉(zhuǎn)向相同。,II型曲柄搖桿機(jī)構(gòu),III型曲柄搖桿機(jī)構(gòu),尺寸條件：,搖桿慢行程擺動方向與曲柄轉(zhuǎn)向相同。,尺寸條件：,無急回特性,（1）對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),有急回特性。,偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu),3. 曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),有急回特性,3.3.3 壓力角與傳動角,在不計摩擦力、重力、慣性力的條件下，機(jī)構(gòu)中驅(qū)使輸出件運(yùn)動的力的方向線與輸出件上受力點的速度方向線所夾的銳角。,壓力角：,越小，傳力越好。,越大，傳力越好。,1. 壓力角與傳動角,?,2. 四桿機(jī)構(gòu)的最小傳動角位置,（1 ）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，原動件為AB,當(dāng)為銳角時，,當(dāng)為鈍角時，,以AB為原動件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：,當(dāng)曲柄和機(jī)架處于兩共線位置時，連桿和輸出件的夾角 最小和最大（ ）。,以曲柄為原動件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄和機(jī)架處于兩共線位置之一時，出現(xiàn)最小傳動角。,（2）AB為主動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),（3）AB為主動的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),曲柄為主動件的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄處于與機(jī)架垂直的位置之一時出現(xiàn)最小傳動角。,曲柄為主動件的轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，傳動角始終為90o，具有很好的傳力性能。,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中取搖桿為主動件時，當(dāng)曲柄與連桿共線時，連桿對從動件曲柄的作用力通過轉(zhuǎn)動中心A，傳動角為零，力矩為零，稱為死點位置。,3.3.4 死點位置,當(dāng)工件被夾緊后，BCD成一直線，機(jī)構(gòu)處于死點位置，即使工件的反力很大，夾具也不會自動松脫，該例為利用死點位置的自鎖特性來實現(xiàn)工作要求的。,死點的利用：,飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu),請思考：下面機(jī)構(gòu)的死點位置在哪里？,例,在圖示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的長度分別為LAB=20mm，LBC=60mm，LCD=85mm，LAD=50mm，要求：（1）試確定該機(jī)構(gòu)是否有曲柄？（2）若以AB為原動件，試畫出該機(jī)構(gòu)在圖示位置時的壓力角和該機(jī)構(gòu)的最小傳動角。（3）在什么情況下此機(jī)構(gòu)有死點位置？在圖上標(biāo)出死點發(fā)生的位置。,解: (1),又AD為機(jī)架,所以該機(jī)構(gòu)存在曲柄，構(gòu)件AB就是曲柄。,（2）如圖所示,（3）如圖所示，當(dāng)以搖桿CD為主動件、且曲柄AB與連桿BC共線時的位置為死點位置,3.4.1 連桿位置用鉸鏈中心B、C表示,已知:連桿的長度和占據(jù)的兩位置B1C1,B2C2,設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)。,3.4 實現(xiàn)連桿給定位置的平面 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計,給定兩位置有無窮多解,給定三位置，有唯一解,3.4.2 連桿位置用連桿平面上 任意兩點表示,轉(zhuǎn)換機(jī)架法,隨便取定兩個活動鉸鏈中心，行嗎？,3.5 實現(xiàn)已知運(yùn)動規(guī)律的 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計,3.5.1 按連架桿對應(yīng)位移設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),如果把機(jī)構(gòu)的第i個位置AiBiCiDi看成一剛體(即剛化)，并繞點D轉(zhuǎn)過(-1i)角度(即反轉(zhuǎn))，使輸出連架桿CiD與C1D重合，稱之為“剛化反轉(zhuǎn)法”。,1. 求解兩連架桿對應(yīng)位置設(shè)計問題的“剛化反轉(zhuǎn)法”,2. 給定兩連架桿上三對對應(yīng)位置的設(shè)計,討論：,（a）哪個構(gòu)件應(yīng)成為相對運(yùn)動機(jī)架？,（b）反轉(zhuǎn)角為哪個？,請求出B1,以上所設(shè)計的四桿機(jī)構(gòu)是以位置為參考位置進(jìn)行設(shè)計的。同樣運(yùn)用剛化反轉(zhuǎn)法也可以以位置或位置為參考位置進(jìn)行設(shè)計。需要注意的是在確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)位點時反轉(zhuǎn)角度及反轉(zhuǎn)方向與所選擇的參考位置有關(guān)。 在工程實際中AB桿長度是根據(jù)實際情況確定的，改變B點的位置其解也隨之改變，故實際連架桿三組對應(yīng)位置的設(shè)計問題也有無窮多個解。,運(yùn)用剛化反轉(zhuǎn)法，同樣可以設(shè)計出滿足以下運(yùn)動要求的四桿機(jī)構(gòu)。,結(jié)論：,例2（p95，例3-2）,1. 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),3.5.2 按給定的從動件的行程 和K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),由k計算極位夾角,步驟：,任選固定鉸鏈中心D ,由l4和作出搖桿的兩極限位置C1D和C2D,連接C1和C2 過C1、C2作與C1C2成C1C2N=900-的直線C1O、C2O,得交點O,以O(shè)為圓心OC1為半徑作圓,在圓弧上任選一點A作為固定鉸鏈中心,以A為圓心,AC2為半徑作圓弧交AC1于E,平分EC1,得曲柄長度l2.再以A為圓心,為l2半徑作圓交AC1和AC2的延長線于B1,B2.B1C1=l3,2. 曲柄滑塊機(jī)構(gòu),已知：H，K ，e。求運(yùn)動學(xué)尺寸。,設(shè)計一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，要求其連桿通過圖示兩給定位置，并且最好使min40 。試用圖解法求曲柄AB和搖桿CD的長度。,例題:,解一：AB2C2D，即：AB1C1D,400,二解：AB2C2D，即：AB1C1D,設(shè)計一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄為主動件，從動搖桿處于兩極限位置時，連桿的兩鉸鏈點的連線正好處于圖示之C11和C22位置，且連桿處于左極限位置時機(jī)構(gòu)的傳動角為40。若