專升本機械設(shè)計基礎(chǔ)第2章平面機構(gòu)

第二章平面機構(gòu)運動簡圖及自由度§2－1機構(gòu)的組成§2－2平面機構(gòu)的運動簡圖§2－3平面機構(gòu)的自由度青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授第一節(jié)機構(gòu)的組成運動副：兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接1、運動副a)兩個構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對運動三個條件，缺一不可青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授按兩構(gòu)件接觸情況，常分為低副、高副兩大類。1）低副：面接觸，承載壓強低。

轉(zhuǎn)動副：只允許兩構(gòu)件作相對轉(zhuǎn)動，又稱作鉸鏈。a)固定鉸鏈平面運動副分類青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授b)轉(zhuǎn)動副（活動鉸鏈）青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授移動副：只允許兩構(gòu)件作相對移動。移動副★低副失去2個自由度。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授2）高副兩構(gòu)件以點或線接觸而構(gòu)成的運動副，壓強高。凸輪副★高副失去一個自由度青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授若干1個或幾個1個2、構(gòu)件分類

機架－作為參考系的構(gòu)件，如機床床身、車輛底盤、飛機機身。機構(gòu)的組成：機構(gòu)＝機架＋原動件＋從動件原（主）動件－按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)件。從動件－其余可動構(gòu)件。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授運動副及構(gòu)件的表示方法1）構(gòu)件構(gòu)件均用直線或小方塊等來表示，畫有斜線的表示機架。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授2）具有轉(zhuǎn)動副構(gòu)件青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授3）具有移動副構(gòu)件青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授齒輪副青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授第二節(jié)平面機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖－用以說明機構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系的簡單圖形。作用：1.表示機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動情況。機動示意圖－不按比例繪制的簡圖2.作為運動分析和動力分析的依據(jù)。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授繪制機構(gòu)運動簡圖順口溜：先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少，再看它們怎相聯(lián)。步驟：1.運轉(zhuǎn)機械，搞清楚運動副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目；4.檢驗機構(gòu)是否滿足運動確定的條件。2.測量各運動副之間的尺寸，選投影面（運動平面），繪制示意圖。3.按比例繪制運動簡圖。簡圖比例尺：μl=實際尺寸m/圖上長度mm思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運動傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運動副的類型，并用符號表示出來。舉例：繪制內(nèi)燃機、破碎機的機構(gòu)運動簡圖。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授練習(xí)繪制機構(gòu)運動簡圖1、縫紉機踏板機構(gòu)2、牛頭刨床4、偏心泵機構(gòu)3、沖壓機構(gòu)青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授縫紉機踏板機構(gòu)2143搖桿主動3124青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授第三節(jié)平面機構(gòu)的自由度定義：保證機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)稱為機構(gòu)的自由度。

(Freedom)原動件－能獨立運動的構(gòu)件?！咭粋€原動件只能提供一個獨立參數(shù)∴機構(gòu)具有確定運動的條件為：自由度＝原動件數(shù)青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授1、平面機構(gòu)自由度的計算作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。yxθ(x,y)F=3單個自由構(gòu)件的自由度為3青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授自由構(gòu)件的自由度數(shù)運動副自由度數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2結(jié)論：構(gòu)件自由度＝3－約束數(shù)移動副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）

=3θ經(jīng)運動副相聯(lián)后，由于有約束，構(gòu)件自由度會有變化：＝自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù)青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授活動構(gòu)件數(shù)

n

計算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度

低副約束數(shù)

高副約束數(shù)

3×n2×PL1

×Ph例題①計算曲柄滑塊機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授例題③計算圖示凸輪機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授2、自由度計算中的幾個特殊問題作者：潘存云教授12345678ABCDEF例題④計算圖示圓盤鋸機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6F=3n－2PL－PH高副數(shù)PH=0=3×7－2×6－0=9計算結(jié)果肯定不對！構(gòu)件數(shù)不會錯，肯定是低副數(shù)目搞錯了！青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授（1）復(fù)合鉸鏈

－－兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。計算：m個構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動副。兩個低副青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授上例：在B、C、D、E四處應(yīng)各有

2

個運動副。例題④重新計算圖示圓盤鋸機構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以證明：F點的軌跡為一直線。12345678ABCDEF作者：潘存云教授圓盤鋸機構(gòu)青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授（2）局部自由度F=3n－2PL－PH－FP

=3×3－2×3－1－1=1本例中局部自由度

FP=1或計算時去掉滾子和鉸鏈：

F=3×2－2×2－1=1定義：構(gòu)件局部運動所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應(yīng)去掉Fp。滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。123123青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授出現(xiàn)虛約束的場合：1）兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，且導(dǎo)路平行。

2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且同軸。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授3）運動時，兩構(gòu)件上的兩點距離始終不變。4）對運動不起作用的對稱部分。如多個行星輪。EF作者：潘存云教授青島科技大學(xué)專用作者：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6）兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如等寬凸輪W注意：法線不重合時，變成實際約束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授虛約束的作用：①改善構(gòu)件的受力情況，如多個行星輪。②增加機構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機床導(dǎo)軌。③使機構(gòu)運動順利，避免運動不確定，如車輪。注意：各種出現(xiàn)虛約束的場合都是有條件的!青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授應(yīng)用實例：特征：有一作平面運動的構(gòu)件，稱為連桿。特點：▲采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度?！淖儣U的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。▲連桿曲線豐富。可滿足不同要求。定義：由低副（轉(zhuǎn)動、移動）連接組成的平面機構(gòu)。

連桿機構(gòu)及其傳動特點內(nèi)燃機、鶴式吊、火車輪、手動沖床、牛頭刨床、橢圓儀、機械手爪、開窗、車門、折疊傘、折疊床、牙膏筒拔管機、單車制動操作機構(gòu)等。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授§2平面連桿機構(gòu)的類型和應(yīng)用本節(jié)主要介紹平面連桿機構(gòu)的基本類型和演化方式,并介紹平面四桿機構(gòu)曲柄存在條件、急回特性、傳動角及死點位置等.平面連桿機構(gòu)定義:由若干低副鏈接而成的平面機構(gòu).優(yōu)點:由于低副是面接觸,傳力時壓強低,磨損小,壽命長;另外,低副的接觸面為平面和圓柱面,便于加工制造和保證精度.而且結(jié)構(gòu)簡單,能較好實現(xiàn)多種運動形式和運動軌跡要求.缺點:低副存在間隙,易引起運動誤差;設(shè)計復(fù)雜,不易實現(xiàn)較復(fù)雜的運動規(guī)律;平面連桿機構(gòu)設(shè)計計算和進行平面運動構(gòu)件的力平衡較復(fù)雜.青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授基本型式－鉸鏈四桿機構(gòu)，其它四桿機構(gòu)都是由它演變得到的。一、鉸鏈四桿機構(gòu)1.鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式名詞解釋：連架桿—與機架相聯(lián)結(jié)的構(gòu)件；共有三種基本型式：（1）曲柄搖桿機構(gòu)特征：曲柄＋搖桿作用：將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動。如雷達天線。搖桿—只能做往復(fù)擺動的連架桿；連桿—不與機架相聯(lián)接的構(gòu)件；曲柄—能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿；周轉(zhuǎn)副—能作360

相對回轉(zhuǎn)的運動副；擺轉(zhuǎn)副—只能作有限角度擺動的運動副。曲柄連桿搖桿青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABC1243DABDC1243（2）雙曲柄機構(gòu)特征：兩個曲柄作用：將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。雷達天線俯仰機構(gòu)曲柄主動縫紉機踏板機構(gòu)應(yīng)用實例：如葉片泵、慣性篩等。2143搖桿主動3124青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABCD耕地料斗DCAB作者：潘存云教授耕地料斗DCAB實例：火車輪特例：平行四邊形機構(gòu)AB=CD特征：兩連架桿等長且平行，連桿作平動BC=ADABDC攝影平臺作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授B’C’天平播種機料斗機構(gòu)青島科技大學(xué)專用作者：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邊形機構(gòu)--車門開閉機構(gòu)反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四邊形機構(gòu)在共線位置出現(xiàn)運動不確定。采用兩組機構(gòu)錯開排列?；疖囕喦鄭u科技大學(xué)專用作者：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ABDCE（3）雙搖桿機構(gòu)特征：兩個搖桿應(yīng)用舉例：鑄造翻箱機構(gòu)特例：等腰梯形機構(gòu)－汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)、風(fēng)扇搖頭機構(gòu)B’C’ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿電機ABDCEABDCE電機ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿電機ABDC風(fēng)扇座蝸輪蝸桿ABDC青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授2.鉸鏈四桿機構(gòu)形式的判別▲連架桿或機架之一為最短桿。可知：當(dāng)滿足桿長條件時，其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副都是整轉(zhuǎn)副。曲柄存在的條件：▲最長桿與最短桿的長度之和應(yīng)≤其他兩桿長度之和此時，鉸鏈A為整轉(zhuǎn)副。若取BC為機架，則結(jié)論相同，可知鉸鏈B也是整轉(zhuǎn)副。稱為桿長條件。作者：潘存云教授ABCDabcd青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授1.

改變構(gòu)件的形狀和運動尺寸偏心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)

正弦機構(gòu)s=lsinφ↓∞

→∞φl二.鉸鏈四桿機構(gòu)的演化青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授2.改變運動副的尺寸3.選不同的構(gòu)件為機架偏心輪機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu):L1>L2轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu):L1<L2314A2BC曲柄滑塊機構(gòu)314A2BC牛頭刨床立體結(jié)構(gòu)青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授應(yīng)用實例B234C1A自卸卡車舉升機構(gòu)ACB1234應(yīng)用實例B34C1A2應(yīng)用實例4A1B23C應(yīng)用實例13C4AB2應(yīng)用實例A1C234Bφ導(dǎo)桿機構(gòu)314A2BC曲柄滑塊機構(gòu)314A2BC搖塊機構(gòu)314A2BC選擇2為機架:青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授314A2BC直動滑桿機構(gòu)手搖唧筒這種通過選擇不同構(gòu)件作為機架以獲得不同機構(gòu)的方法稱為：機構(gòu)的倒置BC3214A導(dǎo)桿機構(gòu)314A2BC曲柄滑塊機構(gòu)314A2BC搖塊機構(gòu)314A2BCABC3214青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授當(dāng)滿足桿長條件時，說明存在整轉(zhuǎn)副，當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機架時，可得不同的機構(gòu)。如：

曲柄搖桿1、曲柄搖桿2、雙曲柄、雙搖桿機構(gòu)。第三節(jié)四桿機構(gòu)的基本特性青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABCD一.急回運動與行程速比系數(shù)在曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時，搖桿位于兩個極限位置，簡稱極限位置。搖桿的擺角.當(dāng)曲柄以ω逆時針轉(zhuǎn)過180°+θ時，搖桿從C1D位置擺到C2D。所花時間為t1,平均速度為V1,那么有：B1C1AD曲柄搖桿機構(gòu)3Dθ180°＋θωC2B2此兩處曲柄之間的夾角θ

稱為極位夾角。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授B1C1ADC2當(dāng)曲柄以ω繼續(xù)轉(zhuǎn)過180°-θ時，搖桿從C2D,置擺到C1D，所花時間為t2,平均速度為V2,那么有：

180°-θ因曲柄轉(zhuǎn)角不同，故搖桿來回擺動的時間不一樣，平均速度也不等。顯然：t1>t2V2>V1搖桿的這種特性稱為急回運動。用以下比值表示急回程度稱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所以可通過分析機構(gòu)中是否存在θ以及θ的大小來判斷機構(gòu)是否有急回運動或運動的程度。設(shè)計新機械時，往往先給定K值，于是:青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授αFγF’F”當(dāng)∠BCD≤90°時，

γ＝∠BCD二.壓力角和傳動角壓力角：從動件驅(qū)動力F與力作用點絕對速度之間所夾銳角。設(shè)計時要求:

γmin≥50°γmin出現(xiàn)的位置：當(dāng)∠BCD>90°時，

γ＝180°-∠BCD切向分力:

F’=Fcosα法向分力:

F”=Fcosγγ↑→F’↑→對傳動有利。=Fsinγ稱γ為傳動角。此位置一定是：主動件與機架共線兩處之一。為了保證機構(gòu)良好的傳力性能ABCDCDBAFF”F’γ可用γ的大小來表示機構(gòu)傳動力性能的好壞,當(dāng)∠BCD最小或最大時，都有可能出現(xiàn)γmin青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授C1B1abcdDA由余弦定律有：∠B1C1D＝arccos[b2+c2-(d-a)2]/2bc

∠B2C2D＝arccos[b2+c2-(d+a)2]/2bc若∠B1C1D≤90°,則若∠B2C2D>90°,則γ1＝∠B1C1Dγ2＝180°-∠B2C2D機構(gòu)的傳動角一般在運動鏈最終一個從動件上度量。γ1γmin＝[∠B1C1D,180°-∠B2C2D]minC2B2γ2青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授F三.機構(gòu)的死點位置搖桿為主動件，且連桿與曲柄兩次共線時，有：此時機構(gòu)不能運動.避免措施：兩組機構(gòu)錯開排列，如火車輪機構(gòu);稱此位置為：“死點”γ＝0靠飛輪的慣性（如內(nèi)燃機、縫紉機等）。F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCGγ＝0Fγ＝0青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授工件ABCD1234PABCD1234工件P鉆孔夾具γ=0TABDC飛機起落架ABCDγ=0F也可以利用死點進行工作：飛機起落架、鉆夾具等。青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授§4平面四桿機構(gòu)的設(shè)計一、連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題機構(gòu)選型－根據(jù)給定的運動要求選擇機構(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)、運動副結(jié)構(gòu)合理等）;b)動力條件（如γmin）;c)運動連續(xù)性條件等。γ青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授三類設(shè)計要求：1)滿足預(yù)定的運動規(guī)律，兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(yīng)，如:

飛機起落架、函數(shù)機構(gòu)。前者要求兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(yīng)，后者要求急回運動2)滿足預(yù)定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機構(gòu)。要求連桿在兩個位置垂直地面且相差180?B’C’ABDC青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授給定的設(shè)計條件：1)幾何條件（給定連架桿或連桿的位置）2)運動條件（給定K）3)動力條件（給定γmin）設(shè)計方法：圖解法、解析法、實驗法二、用解析法設(shè)計四桿機構(gòu)思路：首先建立包含機構(gòu)的各尺度參數(shù)和運動變量在內(nèi)的解析關(guān)系式，然后根據(jù)已知的運動變量求解所需的機構(gòu)尺度參數(shù)。1)按預(yù)定的運動規(guī)律設(shè)計四桿機構(gòu)2）3）青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授1、按預(yù)定連桿位置設(shè)計四桿機構(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)計要求。b)給定連桿上鉸鏈BC的三組位置有無窮多組解。A’D’B2C2B3C3DB1C1三、用作圖法設(shè)計四桿機構(gòu)AB1C1青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授ADB1C1已知:固定鉸鏈A、D和連架桿位置，確定活動鉸鏈

B、C的位置。2。按兩連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置設(shè)計四桿機構(gòu)機構(gòu)的轉(zhuǎn)化原理青島科技大學(xué)專用作者：潘存云教授作者：潘存云教授Eφθθ3。按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機構(gòu)1)曲柄搖桿機構(gòu)①計算θ＝