機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-第三章

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

多媒體課件第三章平面連桿機(jī)構(gòu)3.1

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式和特性3.2

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化3.3

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識(shí)連桿機(jī)構(gòu)：由低副構(gòu)成的機(jī)構(gòu)一、平面連桿機(jī)構(gòu)：所有構(gòu)件均在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)。二、平面四桿機(jī)構(gòu)：最簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件組成的,簡(jiǎn)稱(chēng)平面四桿機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)三、連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

1、低副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副為面接觸，壓強(qiáng)小，承載能力大，耐沖擊。2、其運(yùn)動(dòng)副元素多為平面或圓柱面，制造比較容易，而靠其本身的幾何封閉來(lái)保證構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠。3、可以近似實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)要求及給定點(diǎn)的軌跡的要求。3.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型和特性鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：全部運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是平面四桿機(jī)構(gòu)的最基本型式a-曲柄:與機(jī)架相聯(lián)并且作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件;b_連桿:不與機(jī)架相聯(lián)作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件;c_搖桿:與機(jī)架相聯(lián)并且作往復(fù)擺動(dòng)的構(gòu)件;d_機(jī)架：

a、c_連架桿鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的三種基本型式：

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中一個(gè)能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)另一個(gè)只能作往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)雷達(dá)調(diào)整機(jī)構(gòu)攪拌機(jī)機(jī)構(gòu)2.雙搖桿機(jī)構(gòu):

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的兩連架桿均不能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：鶴式起重機(jī)3.雙曲柄機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿均能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。平行雙曲柄機(jī)構(gòu)也稱(chēng)平行四邊形機(jī)構(gòu)：當(dāng)桿AB等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，桿CD也以相同的角速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿BC作平移運(yùn)動(dòng)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：蒸汽機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置攝影機(jī)平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)3.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（改變相對(duì)桿長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)副演化為移動(dòng)副）二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)取不同構(gòu)件為機(jī)架）轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)三、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu)（取不同構(gòu)件為機(jī)架）搖塊機(jī)構(gòu)定塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)手搖唧筒機(jī)構(gòu)即定塊機(jī)構(gòu)四：雙滑塊機(jī)構(gòu)：具有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)

（四桿機(jī)構(gòu)的兩桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度趨于無(wú)限長(zhǎng)）

雙滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用橢圓儀五、偏心輪機(jī)構(gòu)（擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副徑向尺寸）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)3.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識(shí)一具有整轉(zhuǎn)副的條件

AB整周轉(zhuǎn)動(dòng)B1C1D和B2C2D成立整轉(zhuǎn)副存在條件：四桿長(zhǎng)度滿足桿長(zhǎng)條件：最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其他兩桿之和。構(gòu)成整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件中必有一個(gè)是最短桿。滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)，最短桿兩端分別是兩個(gè)整轉(zhuǎn)副。此時(shí)，若以最短桿或其相鄰桿作機(jī)架，機(jī)構(gòu)都存在曲柄。不滿足桿長(zhǎng)條件則沒(méi)有整轉(zhuǎn)副，獲得雙搖桿機(jī)構(gòu)。以最短桿AB為機(jī)架雙曲柄機(jī)構(gòu)以最短桿AB相鄰構(gòu)件AD(orBC)為機(jī)架曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以最短桿AB對(duì)面構(gòu)件CD為機(jī)架雙搖桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)條件不成立時(shí)雙搖桿機(jī)構(gòu)Grashoff

定理a+e<b二、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的主要特性：1、急回運(yùn)動(dòng)AB作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，CD作變速往復(fù)擺動(dòng)AB與CD共線的兩個(gè)位置，搖桿CD處于兩個(gè)極限位置C1D與C2D：：搖桿的擺角（搖桿在兩極限位置的夾角）。：極位夾角（搖桿處于兩極限位置時(shí)曲柄所夾的銳角）。工作行程：回程：AB1AB2:1=180°+AB2AB1:2=180°-C1DC2D擺角，C2DC1D擺角，時(shí)間為t1時(shí)間為t2鉸鏈C點(diǎn)的平均速度為：v1=C1C2/t1v2=C1C2/t2

行程速比系數(shù):K=v2/v1=t1/t2=1/2=180°+/180°-

示意圖分析K=180°+/180°-越大，K越大，急回運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)越顯著：=180°K-1/K+1；=0，K=1無(wú)急回特性判斷機(jī)構(gòu)是否具有急回特性，判斷其是否等于零。例：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)判斷其急回特性對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)判斷其急回特性2，壓力角與傳動(dòng)角壓力角：從動(dòng)件上作用力與該力作用點(diǎn)的絕對(duì)速度之間所夾銳角.傳動(dòng)角：壓力角的余角+=90°越小，越大，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好。最小傳動(dòng)角：（一般min40°）3.死點(diǎn)位置：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中以搖桿CD為原動(dòng)件，則會(huì)出現(xiàn)連桿BC與曲柄AB共線的兩個(gè)位置，此時(shí)的傳動(dòng)角為零，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)死點(diǎn)。利用構(gòu)件慣性多套機(jī)構(gòu)交錯(cuò)排列飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)工件夾緊機(jī)構(gòu)3.4平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)類(lèi)型：1.實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：給定行程速比系數(shù)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的急回特性、實(shí)現(xiàn)連桿的幾組給定位置等。2.實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡：要求連桿上某點(diǎn)沿著給定軌跡運(yùn)動(dòng)等。設(shè)計(jì)目標(biāo)：根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)條件，選定機(jī)構(gòu)的類(lèi)型，確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。

設(shè)計(jì)方法：圖解法、實(shí)驗(yàn)法和解析法等。

運(yùn)動(dòng)連續(xù)性

運(yùn)動(dòng)連續(xù)性：表示主動(dòng)件連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件也能連

續(xù)占據(jù)各個(gè)預(yù)期的位置。從動(dòng)件只能在某一可行域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而不能相互跨越。1急回機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已知行程速比系數(shù)K，以及從動(dòng)件兩個(gè)極限位置，設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)急回機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思考：A點(diǎn)可以在FG弧上選取嗎？第1步：確定D、C1、C2點(diǎn)，計(jì)算q第2步：找A點(diǎn)第3步：找B點(diǎn)2要求：設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，使得連桿通過(guò)I、II、III

三個(gè)位置第1步：選定B、C點(diǎn)位置第2步：找A、D點(diǎn)位置第3步：聯(lián)接A、B1、C1、D，獲得四桿機(jī)構(gòu)三點(diǎn)唯一確定一個(gè)圓，B、C確定后，A、D是確定的；B、C的位置可以根據(jù)實(shí)際情況確定，滿足設(shè)計(jì)要求的四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)窮多個(gè)。急回機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思考：A點(diǎn)可以在FG弧上選取嗎？第1步：確定D、C1、C2點(diǎn)，計(jì)算q第2步：找A點(diǎn)第3步：找B點(diǎn)按給定連桿兩個(gè)位置設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)窮多個(gè)解。實(shí)際上，還應(yīng)考慮幾何、動(dòng)力等輔助條件，例如各桿所允許的尺寸范圍、最小傳動(dòng)角或其他結(jié)構(gòu)上的要求，就可以合理選定A、D兩點(diǎn)的位置而得到確定的解。如果給定連桿三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)位置呢？例：設(shè)計(jì)一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)作為加熱爐爐門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)。已知爐門(mén)上兩活動(dòng)鉸鏈B、C的中心距為50。要求爐門(mén)打開(kāi)后成水平位置，且熱面朝下（如虛線所示）。如果規(guī)定鉸鏈A、D安裝在爐體的y-y堅(jiān)直線上，其相關(guān)尺寸如圖所示。用圖解法求此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)其余三桿的尺寸。C2B1B2C1AD例：已知搖桿長(zhǎng)度L=100，擺角=50和行程速比系數(shù)k=1.4，試設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

解：由給定的行程速比系數(shù)求出極位夾角:=30DC2C190-A以A為圓心，AC1為半徑作圓弧交AC2與E，平分EC2得曲柄長(zhǎng)度。再以A為圓心，為半徑作圓，交C1A的延長(zhǎng)線和C2A于B1和B2，連桿長(zhǎng)度

.EB1B23

按兩連架桿預(yù)定的位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知固定鉸鏈點(diǎn)A、D，設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，使得兩個(gè)連架桿可以實(shí)現(xiàn)三組對(duì)應(yīng)關(guān)系d剛化反轉(zhuǎn)法以CD桿為機(jī)架時(shí)看到的四桿機(jī)構(gòu)ABCD的位置相當(dāng)于把以AD為機(jī)架時(shí)觀察到的ABCD的位置剛化，以D軸為中心轉(zhuǎn)過(guò)得到的。低副可逆性；機(jī)構(gòu)在某一瞬時(shí)，各構(gòu)件相對(duì)位置固定不變，相當(dāng)于一個(gè)剛體，其形狀不會(huì)隨著參考坐標(biāo)系不同而改變。第1步：選B點(diǎn)，以I位置為參考位置，DF1為機(jī)架第2步：用剛化反轉(zhuǎn)法求出B2、B3的轉(zhuǎn)位點(diǎn)第3步：做中垂線，找C1點(diǎn)第4步：聯(lián)接AB1C1D

｛圖解法：速度瞬心法矢量方程圖解法

§3-5速度瞬心及其在機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用

1、速度瞬心由理力知，當(dāng)兩構(gòu)件1、2作平面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)在任一瞬時(shí)，都可以認(rèn)為它們饒某一點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而該點(diǎn)則稱(chēng)為瞬時(shí)速度中心，簡(jiǎn)稱(chēng)瞬心。P12（P21）

瞬心－互相作平面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩構(gòu)件上，瞬時(shí)相對(duì)速度為零的點(diǎn)（等速重合點(diǎn)）。Pij

絕對(duì)瞬心:P12點(diǎn)絕對(duì)速度為零

相對(duì)瞬心:P12點(diǎn)絕對(duì)速度不為零12A2(A1)B2(B1)P21

VA2A1VB2B1

2、機(jī)構(gòu)中瞬心的數(shù)目因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)構(gòu)件就有一個(gè)瞬心，所以由N個(gè)構(gòu)件（含機(jī)架）組成的機(jī)構(gòu)，其總的瞬心數(shù)，根據(jù)排列組合的知識(shí)為

k=N×（N-1）/2

構(gòu)件數(shù)4568瞬心數(shù)6101528

3、機(jī)構(gòu)中瞬心位置的確定

3.1通過(guò)運(yùn)動(dòng)副直接相聯(lián)的構(gòu)件的瞬心。

1）以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的兩構(gòu)件如圖所示轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心即為其瞬心P12。2）以移動(dòng)副相聯(lián)結(jié)的兩構(gòu)件，如圖所示因兩構(gòu)件件任一重合點(diǎn)的相對(duì)速度方向均平行于導(dǎo)路，故其瞬心P12必位于移動(dòng)副導(dǎo)路的垂直方向上的無(wú)窮遠(yuǎn)處。3）平面高副相連接的構(gòu)件

如圖A所示如果兩高副之間為純滾動(dòng)（ω12為相對(duì)滾動(dòng)的角速度），則其兩元素的接觸點(diǎn)M即為瞬心P12；AB如圖B所示如果兩高副元素之間既作相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)（VM1M2為兩元素接觸點(diǎn)處地相對(duì)滑動(dòng)速度），則瞬心P12必位于高副兩元素在接觸點(diǎn)處的公法線nn上，具體位置尚需根據(jù)其他條件來(lái)確定。

3.2用三心定理確定兩構(gòu)件的瞬心

三心定理—三個(gè)彼此作平面平行運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的瞬心必位于同一條直線上。設(shè)構(gòu)件1、2、3為彼此作平面平行運(yùn)動(dòng)的三個(gè)構(gòu)件，它們共有3×2/2=3個(gè)瞬心，即P12、P13、P23。其中P12、P13

分別處于兩轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心處，故可直接求出，現(xiàn)證明P23必位于P12及P13的連線上。證明：設(shè)構(gòu)件1固定，于是2及3上任一點(diǎn)的速度必分別與該點(diǎn)至P12取及P13的連線相垂直。如圖所示，則任取一重合點(diǎn)k，則

和的方向顯然不同，而瞬心P23應(yīng)是構(gòu)2與3的等速重合點(diǎn)，故P23必定不在K點(diǎn)只有當(dāng)P23位于P12和P13的連線上時(shí)構(gòu)件2重合點(diǎn)的速度方向才能一致，故知P23與P13必在同一直線上。

例：求平面四桿機(jī)構(gòu)圖3—5圖示位置時(shí)全部瞬心。N=4，K=6，即P12、P13、

P14、

P23、

P24、

P34其中P12、P23、

P34、

P14分別為四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心直接定出。而P13、P24由三心定理求出。

＜＜P12、P23P14、P34P12、P14P23、P34

4、速度瞬心在機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用利用速度瞬心對(duì)某些機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析既直觀，又方便?，F(xiàn)舉例說(shuō)明如下。

例1、圖3—5所示平面四桿機(jī)構(gòu)中已知各構(gòu)件尺寸又知原動(dòng)件2以角速度ω2沿順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，現(xiàn)需確定機(jī)構(gòu)在圖