機械設計基礎課件 項目一 平面連桿機構

項目一：平面連桿機構員工培訓員工教育企業(yè)文化企業(yè)宣傳機械設計基礎CONTENTS目錄任務一

靜力學基礎知識任務二

機構中運動副及簡圖表示任務三平面連桿機構原理分析與設計任務四縫紉機踏板機構原理、受力分析及簡圖繪制3任務一

靜力學基礎知識一、力

力是物體間的相互作用，其效果是使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變（平動或轉動）或物體發(fā)生變形。

靜力學只研究剛體，因此，只討論物體在力的作用下整體的平衡問題。力的單位，采用國際單位時為：或牛頓（N）千牛（kN）1kN=103N4任務一

靜力學基礎知識力對物體的作用效果取決于力的大小、方向與作用點。我們稱之為力的三要素1.力的三要素力是矢量，用“F”或表示。（已知力的方位和作用點，但未知它的指向和大小，這時可以任意預設指向）力是一個具有固定作用點的定位矢量。AA或5任務一

靜力學基礎知識2.力的性質（1）

二力平衡公理作用在同一剛體上兩力平衡的必要和充分條件是：兩力等值、反向、共線。在兩個力作用下平衡的構件稱為二力桿。6任務一

靜力學基礎知識只有兩個力作用下處于平衡的物體二力構件不是二力構件二力桿不一定是直桿7任務一

靜力學基礎知識若在作用于剛體上的已知力系上添加或減去任何平衡力系，則對剛體的作用效應并不改變。＝（2）加減平衡公理在此，力是有固定作用線的滑動矢量8任務一

靜力學基礎知識（3）平行四邊形公理作用在物體的同一點上的兩個力的合力仍作用在該點上，其大小和方向由兩個力組成的平行四邊形的對角線表示。9任務一

靜力學基礎知識F1F2RF1F2R

1

210任務一

靜力學基礎知識力的正交分解力的分解是力的合成的逆運算，同樣遵循平行四邊形法則。RF1F2F11F22R=F1+F2R=F11+F22為了使解答唯一且計算方便，一般把一個已知力沿兩個相互垂直的方向進行分解稱為力的正交分解。xyαFFxFyFx=FCOSαFY=FSinα11任務一

靜力學基礎知識4.作用與反作用公理兩物體間的相互作用力總是同時存在，且其大小相等、方向相反、沿同一直線，但作用在兩個不同的物體上。[例]

吊燈有人說兩個人打架一個痛一個不痛，為什么？12任務一

靜力學基礎知識二、約束力與約束反力約束：對非自由體的某些位移預先施加的限制條件稱為約束。（阻礙物體運動的裝置）約束反力：約束給被約束物體的力叫約束反力。（約束反力總是與物體運動或運動趨勢的方向相反）如：踢到墻上的足球所受的力。

自由體：位移不受限制的物體叫自由體。非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。約束反力以外的力統(tǒng)稱為主動力，工程上又稱荷載。如：物體的自重，土壓力、水壓力等。

1、約束的概念13任務一

靜力學基礎知識主動力特點：①大小常常是已知的或給定的；②方向是確定的。①大小常常是未知的；②方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；③作用點在物體與約束相接觸的那一點。約束反力特點：靜力分析的實際問題往往就是根據(jù)已知的主動力去求解未知的約束反力，以作為工程的設計、校核的依據(jù)。GGF1F214任務一

靜力學基礎知識2、約束的基本類型（1）柔性約束（繩索、皮帶、鏈條）作用線：沿柔體中心線方向：離開被約束體（拉力）PPFS1S'1S'2S2AAF1F215任務一

靜力學基礎知識（2）光滑面約束(光滑指摩擦不計)PFNFNPFAFB作用線：沿約束面的公法線，通過接觸點方向：指向被約束體16任務一

靜力學基礎知識（3）圓柱形鉸鏈約束作用線：通過鉸鏈中心，在垂直銷釘軸線的平面內方向：待定（可用兩個分力表示）ABCABC銷釘ABCFCCCFCYFCXFCY’FCX’17任務一

靜力學基礎知識固定鉸支座（a）XY（b）（c）（d）（e）（f）作用線：通過鉸鏈中心，在垂直銷釘軸線的平面內方向：待定（可用兩個分力表示）18任務一

靜力學基礎知識活動鉸支座作用線：通過銷釘中心，垂直于支承面。方向：指向物體F19任務一

靜力學基礎知識固定端支座作用在固定端的一個力，和一個力偶，力的方向不定，通常可用兩個分力表示。FxFyM固定端支座：20任務二

機構中運動副及簡圖表示一.運動副：兩構件直接接觸并能產生相對運動的連接，稱為運動副,是可動連接。

21任務二

機構中運動副及簡圖表示2.運動副的分類（1）低副

22任務二

機構中運動副及簡圖表示2.運動副的分類（2）高副

齒輪副凸輪副23任務二

機構中運動副及簡圖表示空間運動副

螺旋副球面副24任務二

機構中運動副及簡圖表示二、運動副結構及符號

運動副名稱運動副符號兩運動構件構成的運動副轉動副移動副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副122121平面運動副25任務二

機構中運動副及簡圖表示桿、軸構件固定構件同一構件一般構件的表示方法二、運動副結構及符號

26任務二

機構中運動副及簡圖表示三副構件兩副構件四副構件27任務二

機構中運動副及簡圖表示

三、機構運動簡圖的繪制

表示機構的組成和各構件間相對關系的運動簡圖，稱為平面機構的運動簡圖。1.平面機構運動簡圖的概念2.平面機構運動簡圖的繪制（1）分析機構的運動和結構，找出機架、主動件、從動件、執(zhí)行件。（2）分析機構的運動特征，從主動件開始，沿運動傳遞路線，逐個分析構件間相對運動的性質，依次確定運動副的類型和數(shù)量。（3）選擇適當?shù)耐队捌矫婧捅壤?。?）用規(guī)定符號和線條繪制機構運動簡圖。

28任務二

機構中運動副及簡圖表示

抽水唧筒主體機構的運動簡圖

1.分析機構的運動和結構手柄1（主動件）、桿件2、活塞桿3、抽水筒4（機架）2.確定運動副的類型和數(shù)量轉動副——手柄1與桿件2、桿件2與活塞桿3、手柄1與抽水筒4移動副——抽水筒4與活塞桿33.選擇投影面4.確定比例尺，用規(guī)定符號和線條，繪制出機構運動簡圖，用箭頭標出主動件的運動方向29任務三

平面連桿機構原理分析與設計

一.鉸鏈四桿機構1、鉸鏈四桿機構的組成和類型由若干剛性構件用低副聯(lián)接而組成的機構稱為連桿機構。30任務三

平面連桿機構原理分析與設計

空間連桿機構平面連桿機構空間連桿機構平面連桿機構

連桿機構31任務三

平面連桿機構原理分析與設計

四個桿+轉動副-----鉸鏈四桿機構，是平面四桿機構最基本形式。連架桿—與機架用轉動副相連接的桿1和桿3；連桿—不與機架直接連接的桿2；機架—機構的固定件4；32任務三

平面連桿機構原理分析與設計

鉸鏈四桿機構的基本類型

曲柄搖桿機構雙曲柄機構雙搖桿機構根據(jù)兩連架桿的是曲柄還是搖桿，將鉸鏈四桿機構分為：33任務三

平面連桿機構原理分析與設計

34任務三

平面連桿機構原理分析與設計

2.鉸鏈四桿機構形式的判別1.平面四桿機構存在曲柄的條件設l1

<l4，連架桿若能整周回轉，必有兩次與機架共線。

a+c≤b+d

a+b≤d+cd+a≤b+c由△B′′C′′D可得：由△B′C′D可得：c≤（d-a）+bb≤（d-a）+c將以上三式兩兩相加得：

即：AB

為最短桿a≤ba≤ca≤d

同理，若l1>l4，可得：l4≤l1,l4≤l2,l4≤l3即：AD

為最短桿

35任務三

平面連桿機構原理分析與設計

①在曲柄搖桿機構中，曲柄是最短桿；②最短桿與最長桿長度之和應小于或等于其余兩桿長度之和（又稱桿長和條件）。

曲柄存在的條件:36任務三

平面連桿機構原理分析與設計

3、平面連桿機構的演化1.曲柄滑塊機構

如圖a）所示的曲柄搖桿機構中，搖桿3上C點的軌跡是以D為圓心、CD為半徑的弧mm?，F(xiàn)將轉動副D的半徑擴大，使其半徑等于CD，并在機架上按C點的近似軌跡mm做成一弧形槽，搖桿3做成與弧形槽相配的弧形塊，如圖b）所示。此時雖然轉動副D的外形改變，但機構的運動特性并沒有改變。37任務三

平面連桿機構原理分析與設計

1.曲柄滑塊機構38任務三

平面連桿機構原理分析與設計

2.偏心輪機構

如圖所示的偏心輪機構，是將曲柄1做成以幾何中心B與回轉中線A不相重合的圓盤，因運動時該圓盤繞偏心A轉動，故稱偏心輪1。AB之間的距離e稱為偏心距，它等于曲柄的長度。當曲柄長度很小時，通常都把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，而且當軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，使結構簡化。因此，偏心輪廣泛應用于傳力較大的剪床、沖床、顎式破碎機、內燃機等機械中。39任務三

平面連桿機構原理分析與設計

3.導桿機構如圖a)所示為曲柄滑塊機構，如將其中的曲柄1作為機架，連桿2作為主動件，則連桿2和構件4將分別繞鉸鏈B和A作轉動。如圖b）所示，若AB<BC，則桿2和桿4均可作整周回轉，故稱為轉動導桿機構。如圖c）所示，若AB>BC，則桿4只能作往復擺動，故稱為擺動導桿機構。40任務三

平面連桿機構原理分析與設計

3.導桿機構導桿機構的傳動角始終等于900，具有較好的傳力性能，常用于牛頭刨床、插床和回轉式油泵中。41任務三

平面連桿機構原理分析與設計

4.搖塊機構在曲柄滑塊機構中，若取桿2為機架，則構件1繞固定軸B做整周轉動，而滑塊3成為繞固定軸C作往復擺動的搖塊，即可得右圖所示的擺動滑塊機構，或稱搖塊機構。該機構廣泛應用于擺動式內燃機和液壓驅動裝置中。如右圖所示為搖塊機構在自卸貨車上的應用，以車架為機架AC，液壓缸筒3與車架鉸接于C點成搖塊，主動件活塞及活塞桿2可沿缸筒中心線往復移動成導路，帶動車箱1繞A點擺動實現(xiàn)卸料或復位。42任務三

平面連桿機構原理分析與設計

5.定塊機構將對心曲柄滑塊機構中的滑塊固定為機架，就成了定塊機構，如圖a)所示。圖b)為定塊機構在手動唧筒上的應用，用手上下扳動主動件1，使作為導路的活塞及活塞桿4沿唧筒中心線往復移動，實現(xiàn)唧水或唧油。ABC321443任務三

平面連桿機構原理分析與設計

1.急回運動特性和行程速比系數(shù)

曲柄與連桿兩次共線位置之間所夾的銳角θ稱為極位夾角，它是標志機構有無急回特性的重要參數(shù)。

搖桿在兩極限位置之間的夾角ψ稱為搖桿的擺角，也稱為搖桿的行程。

把曲柄當主動件作勻速轉動時，從動件回程速度大于工作行程速度的現(xiàn)象，稱為急回特性。二、鉸鏈四桿機構的工作特性44任務三

平面連桿機構原理分析與設計

為了表達機構急回特性的相對快慢程度，常用從動件回程速度與工作行程速度之比來說明，即行程速比系數(shù)K機構的急回程度取決于極位夾角的大小。只要θ

≠0

，就有

K>1，

機構無急回特性。θ越大，K越大，機構急回特性也越顯著，但機構運動平穩(wěn)性就越差，所以，一般取K≤2。極位夾角的計算式為45任務三

平面連桿機構原理分析與設計

力F的作用線與力的作用點C點的速度Vc之間所夾的銳角α稱為壓力角，壓力角α的余角γ稱為傳動角。2.壓力角和傳動角切向分力Ft=

Fcosα=Fsinγ有效分力法向分力Fn=Fcosγ有害分力γ↑

Ft↑

對傳動有利。常用傳動角γ的大小來表示機構傳力性能的好壞。46任務三

平面連桿機構原理分析與設計

2.壓力角和傳動角47任務三

平面連桿機構原理分析與設計

對于曲柄搖桿機構，當搖桿為主動件時，在連桿與曲柄兩次共線的位置，機構均不能運動。機構的這種位置稱為：“死點”（機構的死點位置）3.死點位置在“死點”位置，機構的傳動角

γ＝0可以利用回轉機構的慣性或添加輔助機構來克服。48任務三

平面連桿機構原理分析與設計*

可以利用“死點”位置進行工作，例如：飛機起落架、鉆夾具等。*“死點”位置的過渡方法：依靠飛輪的慣性（如內燃機、縫紉機等）。兩組機構錯開排列，如火車輪聯(lián)動機構。3.死點位置A’E’D’G’B’F’C’ABEFDCGABCD49任務三

平面連桿機構原理分析與設計*

可以利用“死點”位置進行工作，例如：飛機起落架、鉆夾具等。3.死點位置ABCDABCD1234P鉆孔夾具工件ABCD1234工件Pγ=0T50任務三

平面連桿機構原理分析與設計

三、平面機構的自由度1.平面機構自由度的計算（1）自由度和約束自由度：構件相對于參考系所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。

一個作平面運動的構件可以做沿軸x、軸y和繞垂直于xoy平面的軸的轉動。這個自由構件有三個獨立運動的可能性。所以一個作平面運動的自由構件有三個自由度。

51任務三

平面連桿機構原理分析與設計

約束：當這些構件之間以一定的方式聯(lián)接起來成為構件系統(tǒng)時，各個構件不再是自由構件。兩相互接觸的構件間只能作一定的相對運動，自由度減少。這種對構件獨立運動所施加的限制稱為約束。自由度和約束的關系：運動副每引入一個約束，構件就失去一個自由度。運動副既限制了兩構件的某些相對運動，又允許構件間有一定的相對運動。1.平面機構自由度的計算（1）自由度和約束52任務三

平面連桿機構原理分析與設計

計算公式：1）機構的構件總數(shù)N2）活動構件數(shù)n=N－13）組成運動副前，機構總自由度為3n組成運動副后，機構的自由度：F＝3n-2PL-Ph平面機構的自由度F取決于運動鏈中活動構件的數(shù)目、運動副的類型和數(shù)目53任務三

平面連桿機構原理分析與設計

【案例分析】機架1肘板4動顎3曲軸2ABCD確定顎式破碎機的自由度n=3,PL=4,PH=0F=3n–2PL–PH`=3×3–2×4–0=154任務三

平面連桿機構原理分析與設計

2.機構具有確定運動的條件機構能否實現(xiàn)預期的運動，取決于運動是否具有可能性和確定性。機構自由度原動件結論F＝3

3-2

4=11F=原動件數(shù)目

機構有確定運動F＝3

3-2

4

=12F＜原動件數(shù)目

機構運動不確定55任務三

平面連桿機構原理分析與設計

2.機構具有確定運動的條件F＝3

4-2

5

=21F＞原動件數(shù)目

機構運動不確定F＝3

2-2

3

=00F＝0

機構為桁架結構，不能運動機構具有確定運動的充要條件是：機構自由度必須大于零，且主動件數(shù)與其自由度數(shù)必須相等。F＞0且等于原動件的數(shù)目56任務三

平面連桿機構原理分析與設計

3.計算平面機構自由度時的注意事項（1）復合鉸鏈定義：由三個或三個以上構件在同

一軸線上用轉動副構成的連接。三個構件在同一軸線處，兩個轉動副。推理：m個構件時，有m–1個轉動副。57任務三

平面連桿機構原理分析與設計