機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-第二章-平面連桿機(jī)構(gòu)_第1頁
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機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-第二章-平面連桿機(jī)構(gòu)_第3頁
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文檔簡介

第2章平面連桿機(jī)構(gòu)§2-1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用§2-3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性§2-4平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)§2-2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求1、了解平面四桿機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)2、了解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及應(yīng)用3、了解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化方法4、掌握平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件5、掌握壓力角、傳動(dòng)角、極位夾角與行程速比系數(shù)、死點(diǎn)位置等平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)及特性6、了解平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)命題,掌握根據(jù)不同設(shè)計(jì)條件采用合適的設(shè)計(jì)方法來解決四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。本章重點(diǎn)難點(diǎn)本章重點(diǎn)1、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化2、四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件3、壓力角、傳動(dòng)角、極位夾角與行程速比系數(shù)、死點(diǎn)位置4、四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)本章難點(diǎn)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)§2-1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)——由若干剛性構(gòu)件通過低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副)連接組成的機(jī)構(gòu),又稱為低副機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損、運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。③可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)變換和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。②由幾何形狀實(shí)現(xiàn)接觸,不需要附加壓緊裝置。④連桿曲線豐富,可滿足不同運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求。連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn):①構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,效率低。③運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性難以平衡,不適合高速。④一般只能近似滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求。②由于構(gòu)件尺寸不可能絕對(duì)準(zhǔn)確,運(yùn)動(dòng)副間有間隙,故運(yùn)動(dòng)傳遞的累積誤差比較大。應(yīng)用實(shí)例:內(nèi)燃機(jī)、鶴式吊、牛頭刨床、折疊桌、火車輪、橢圓儀、手動(dòng)沖床、機(jī)械手爪、開窗戶支撐、公共汽車開關(guān)門、折疊傘、牙膏筒拔管機(jī)、單車制動(dòng)操作機(jī)構(gòu)等。連桿機(jī)構(gòu)分類:平面連桿機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu)常以構(gòu)件數(shù)命名:四桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)。本章重點(diǎn)內(nèi)容是介紹平面四桿機(jī)構(gòu)。1432O1ABO2§2-2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其應(yīng)用定義:全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的平面四桿機(jī)構(gòu),其它平面四桿機(jī)構(gòu)都可以由它演變得到。名詞解釋:連桿——作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件;連架桿——與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件;搖桿——與機(jī)架組成擺動(dòng)副的連架桿。周轉(zhuǎn)副(整轉(zhuǎn)副)——組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件能作整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng);擺動(dòng)副——不能做整周轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)副;曲柄——與機(jī)架組成整轉(zhuǎn)副的連架桿;連架桿連桿連架桿一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ABC1243DABDC1243雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)曲柄主動(dòng)縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)2143搖桿主動(dòng)3124(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特征:曲柄+搖桿運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換:轉(zhuǎn)動(dòng)

搖動(dòng)設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云(2)雙曲柄機(jī)構(gòu)特征:兩個(gè)曲柄作用:將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。應(yīng)用實(shí)例:如葉片泵、慣性篩等。設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ADCB1234旋轉(zhuǎn)式葉片泵ADCB123ABDC1234E6慣性篩機(jī)構(gòu)31設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ABCD耕地料斗DCAB耕地料斗DCAB實(shí)例:火車輪特例:平行四邊形機(jī)構(gòu)AB=CD特征:兩連架桿等長且平行,連桿作平動(dòng)BC=ADABDC攝影平臺(tái)ADBCB’C’天平播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四邊形機(jī)構(gòu)在共線位置出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定。消除方法1:采用兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開排列。設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云反平行四邊形機(jī)構(gòu)——車門開閉機(jī)構(gòu)反向消除方法2:添加虛約束設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ABDCE(3)雙搖桿機(jī)構(gòu)特征:兩個(gè)搖桿應(yīng)用舉例:鑄造翻箱機(jī)構(gòu)特例:等腰梯形機(jī)構(gòu)——汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)B’C’ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿電機(jī)ABDCEABDCE電機(jī)ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿電機(jī)ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿ABDC設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云(1)

改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)

正弦機(jī)構(gòu)s=lsinφ↓∞

→∞φl二、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化設(shè)計(jì):潘存云(2)改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸偏心輪機(jī)構(gòu)(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)314A2BC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)314A2BC設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云牛頭刨床應(yīng)用實(shí)例:ABDC1243C2C1小型刨床ABDCE123456(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架搖塊機(jī)構(gòu)314A2BC設(shè)計(jì):潘存云應(yīng)用實(shí)例B234C1A自卸卡車舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例B34C1A2應(yīng)用實(shí)例4A1B23C應(yīng)用實(shí)例13C4AB2應(yīng)用實(shí)例A1C234BφACB1234設(shè)計(jì):潘存云(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架314A2BC固定滑塊機(jī)構(gòu)手搖唧筒這種通過選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的方法稱為:機(jī)構(gòu)的倒置BC3214AABC3214例:選擇雙滑塊機(jī)構(gòu)中的不同構(gòu)件作為機(jī)架可得不同的機(jī)構(gòu)橢圓儀機(jī)構(gòu)1234正弦機(jī)構(gòu)3214演化式四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)例:選擇曲柄搖桿中的不同構(gòu)件作為機(jī)架可得不同的機(jī)構(gòu)§2-3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性設(shè)計(jì):潘存云l1l2l4l3C’B’AD平面四桿機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副可能存在曲柄。桿1為曲柄,作整周回轉(zhuǎn),必有兩次與機(jī)架共線l2≤(l4–l1)+l3則由△B’C’D可得:則由△B”C”D可得:l1+l4≤l2+l3l3≤(l4–l1)+l2AB為最短桿1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件C”l1l2l4l3ADl4-

l1將以上三式兩兩相加得:

l1≤l2,l1≤l3,l1≤l4

l1+l3≤l2+l4l1+l2≤l3+l42)組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿。周轉(zhuǎn)副存在的條件:1)最長桿與最短桿的長度之和≤其他兩桿長度之和

稱為桿長條件(Grashof條件)。2)最短桿為連架桿或機(jī)架。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件:1)各桿長度應(yīng)滿足桿長條件鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別(是否存在曲柄):

當(dāng)最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其它兩桿長度之和:

最短桿為連架桿---曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

最短桿為機(jī)架----雙曲柄機(jī)構(gòu)

最短桿為連桿-----雙搖桿機(jī)構(gòu)

當(dāng)最短桿與最長桿的長度之和大于其它兩桿長度之和——雙搖桿機(jī)構(gòu)例已知圖示的四桿機(jī),l2=70,l3=65,l4=60。求:l1在何范圍內(nèi)取值時(shí),機(jī)構(gòu)為①曲柄搖桿機(jī)構(gòu),②雙曲柄機(jī)構(gòu),③雙搖桿機(jī)構(gòu)?解:1.要使機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu),則必須滿足曲柄存在的條件,而且桿4為最短桿的鄰桿。根據(jù)題意最短桿只能是桿1。有:即:l1+l2≤l3+l40<l1≤552.欲使機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu),應(yīng)滿足曲柄存在的條件而且最短桿為桿4。根據(jù)題意桿1或桿2位最長桿,于是有3.欲使機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu),或在曲柄存在的條件最短桿的對(duì)邊為機(jī)架,或者不存在曲柄。前一種情況不可能存在,根據(jù)前兩種機(jī)構(gòu)存在的結(jié)果得:

l4+l1≤l2+l3l4+l2≤l1+l3l1≤7565≤l165≤l1≤7555<l1<65,l1>75。55<l1<65,75<l1≤195考慮到鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成條件:最長桿小于其余三桿的長度之和。得:總結(jié):0()55(6575(195曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)2.急回特性和行程速比系數(shù)1、急回運(yùn)動(dòng)及在機(jī)械設(shè)計(jì)中的意義:

a.急回運(yùn)動(dòng)指從動(dòng)件空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度。

b.意義:省時(shí)、省動(dòng)力,提高生產(chǎn)率。2、行程速比系數(shù):空回行程的平均速度v2與工作行程的平均速度v1之比。它是衡量急回運(yùn)動(dòng)大小的量,用K表示。設(shè)計(jì):潘存云ABCDB1C1AD(1)極位、極位夾角、行程角在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中,當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時(shí),搖桿位于兩個(gè)極限位置,簡稱極位。當(dāng)曲柄以ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)過180°+θ時(shí),搖桿從C1D位置擺到C2D。所花時(shí)間為t1,平均速度為V1,那么有:曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3D此兩處曲柄之間的夾角θ

稱為極位夾角。θ180°+θωC2B2Ψ搖桿在兩極限位置間的夾角Ψ

稱為搖桿的擺角(行程角)。設(shè)計(jì):潘存云B1C1ADC2當(dāng)曲柄以ω繼續(xù)轉(zhuǎn)過180°-θ時(shí),搖桿從C2D位置擺到C1D,所花時(shí)間為t2,平均速度為V2,那么有:

180°-θ顯然:t1>t2V2>V1搖桿的這種特性稱為急回運(yùn)動(dòng)。稱K為行程速比系數(shù)。且θ越大,K值越大,急回性質(zhì)越明顯。只要

θ

≠0,

就有

K>1設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí),往往先給定K值,于是:e曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的極位夾角擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的極位夾角設(shè)計(jì):潘存云αFγF’F”當(dāng)∠BCD≤90°時(shí),

γ=∠BCD3.壓力角和傳動(dòng)角壓力角從動(dòng)件驅(qū)動(dòng)力F與力作用點(diǎn)絕對(duì)速度之間所夾銳角。ABCD設(shè)計(jì)時(shí)要求:

γmin≥40°γmin出現(xiàn)的位置:當(dāng)∠BCD>90°時(shí),

γ=180°-∠BCD切向分力:

F’=Fcosα=Fsinγ法向分力:

F”=Fcosγγ↑

F’↑→對(duì)傳動(dòng)有利。稱γ為傳動(dòng)角。此位置一定是:主動(dòng)件與機(jī)架共線兩處之一。CDBAFγ可用γ的大小來表示機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力性能的好壞,F”F’當(dāng)∠BCD最小或最大時(shí),都有可能出現(xiàn)γmin設(shè)計(jì):潘存云C1B1l1l2l3l4DA由余弦定律有∠B1C1D=arccos[l42+l32-(l4-l1)2]/2l2l3

∠B2C2D=arccos[l42+l32-(l4-l1)2]/2l2l3若∠B1C1D≤90°,則若∠B2C2D>90°,則γ1=∠B1C1Dγ2=180°-∠B2C2D機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角一般在運(yùn)動(dòng)鏈最終一個(gè)從動(dòng)件上度量。vγγ1γmin=[∠B1C1D,180°-∠B2C2D]minγ2αF車門C2B2設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云F4.機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置搖桿為主動(dòng)件,且連桿與曲柄兩次共線時(shí),有:此時(shí)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng).避免措施:兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開排列,如火車輪機(jī)構(gòu);稱此位置為:“死點(diǎn)”γ=0靠飛輪的慣性(如內(nèi)燃機(jī)、縫紉機(jī)等)。F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCGγ=0Fγ=0設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云工件ABCD1234PABCD1234工件P夾緊裝置γ=0TABDC飛機(jī)起落架ABCDγ=0F也可以利用死點(diǎn)進(jìn)行工作:飛機(jī)起落架、夾緊裝置等?!?-4平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題

機(jī)構(gòu)選型——根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)要求選擇機(jī)構(gòu)的類型;尺度綜合——確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)(長度尺寸)。

同時(shí)要滿足其他輔助條件:a)結(jié)構(gòu)條件(如要求有曲柄、桿長比恰當(dāng)、運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)合理等);b)動(dòng)力條件(如γmin);c)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性條件等。設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ADCB飛機(jī)起落架B’C’三類設(shè)計(jì)要求:1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:

飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。函數(shù)機(jī)構(gòu)要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足函數(shù)y=logxxy=logxABCD設(shè)計(jì):潘存云三類設(shè)計(jì)要求:1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:

飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。2)滿足預(yù)定的連桿位置要求,如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。要求連桿在兩個(gè)位置垂直地面且相差180?C’B’ABDC設(shè)計(jì):潘存云QABCDE設(shè)計(jì):潘存云鶴式起重機(jī)攪拌機(jī)構(gòu)要求連桿上E點(diǎn)的軌跡為一條卵形曲線要求連桿上E點(diǎn)的軌跡為一條水平直線QCBADE三類設(shè)計(jì)要求:1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:

飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。2)滿足預(yù)定的連桿位置要求,如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。3)滿足預(yù)定的軌跡要求,如:鶴式起重機(jī)、攪拌機(jī)等。設(shè)計(jì)方法:圖解法、解析法圖解法直觀性強(qiáng)、簡單易行,缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)精度不高。解析法設(shè)計(jì)精度高,但計(jì)算量大,宜用計(jì)算機(jī)求解。設(shè)計(jì):潘存云Eφθθ一、按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)①計(jì)算θ=180°(K-1)/(K+1);已知:CD桿長,擺角φ及K,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。步驟如下:②任取一點(diǎn)D,作等腰三角形腰長為CD,夾角為φ;③作C2P⊥C1C2,作C1P使④作△PC1C2的外接圓,則A點(diǎn)必在此圓上。⑤選定A,設(shè)曲柄為l1

,連桿為l2

,則:⑥以A為圓心,AC2為半徑作弧交于E,得:

l1=EC1/2

l2=AC1-EC1/2,AC2=l2-l1

l1=(AC1-AC2)/2

∠C2C1P=90°-θ,交于P;90°-θPAC1=l1+l2C1C2DA設(shè)計(jì):潘存云設(shè)計(jì):潘存云ADmnφ=θD2)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)分析:由于θ與導(dǎo)桿擺角φ相等,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)時(shí),僅需要確定曲柄

a。①計(jì)算θ=180°(K-1)/(K+1);②任選D作∠mDn=φ=θ,③取A點(diǎn),使得AD=d,則:

a=dsin(φ/2)。θφ=θAd作角分線;已知:機(jī)架長度d,K,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì):潘存云E2θ2ae3)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)H已知K,滑塊行程H,偏距e,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。①計(jì)算:θ=180°(K-1)/(K+1);②作C1C2

=H③作射線C1O

使∠C2C1O=90°-θ,④以O(shè)為圓心,C1O為半徑作圓。⑥以A為圓心,AC1為半徑作弧交于E,得:作射線C2O使∠C1C2O=90°-θ。⑤作偏距線e,交圓弧于A,即為所求。C1C290°-θo90°-θAl1=EC2/2l2=AC2-EC2/2設(shè)計(jì):潘存云二、按預(yù)定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)a)給定連桿兩組位置有唯一解。B2C2AD將鉸鏈A、D分別選在B1B2,C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿足設(shè)計(jì)要求。b)給定連桿上鉸鏈BC的三組位置有無窮多組解。A’D’B2C2B3C3ADB1C1B1C1設(shè)計(jì):潘存云xyABCD1234三、給定兩連架桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)給定連架桿對(duì)應(yīng)位置:構(gòu)件3和構(gòu)件1滿足以下位置關(guān)系:δφψl1l2l3l4建立坐標(biāo)系,設(shè)構(gòu)件長度為:l1

、l2、l3、l4在x,y軸上投影可得:l1+l2=l3+l4機(jī)構(gòu)尺寸比例放大時(shí),不影響各構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)角.

l1

cocφ

+

l2

cosδ

=

l3

cosψ

+

l4

l1

sinφ

+

l2

sinδ

=

l3

sinψ

ψi=f(φi)

i=1,2,3…n設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)(求各構(gòu)件長度)。令:

l1=1消去δ整理得:cosφ

l3

cosψ

-cos(ψ-φ)

+l3l4l42+l32+1-l222l4P2代入移項(xiàng)得:

l2

cosδ

=l4

l3

cosψ

-cosφ則化簡為:cocφ=P0cosψ

P1

cos(ψ-

φ

)

P2代入兩連架桿的三組對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角參數(shù),得方程組:l2

sinδ

=l3

sinψ

-sinφ令:

P0

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