平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計幻燈片.ppt

1、1,第五章 平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計,51 連桿機(jī)構(gòu)及其傳動特點(diǎn),52 平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用,53 有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識,54 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計,內(nèi)容提要,2,1.應(yīng)用實例,51 連桿機(jī)構(gòu)及其傳動特點(diǎn),內(nèi)燃機(jī)、鄂式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)、鶴式起重機(jī)、牛頭刨床、車門、機(jī)械手爪、折疊傘等。,2. 定義（連桿機(jī)構(gòu)或稱低副機(jī)構(gòu)） 由低副（轉(zhuǎn)動、移動）連接組成的平面機(jī)構(gòu)。特點(diǎn)是：運(yùn)動件的運(yùn)動都要經(jīng)過一個機(jī)架直接相連的中間構(gòu)件才能傳動從動件。,3,3. 分類： 分為空間連桿機(jī)構(gòu)和平面連桿機(jī)構(gòu),平面連桿機(jī)構(gòu),4,空間連桿機(jī)構(gòu),5,4. 連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)（優(yōu)缺點(diǎn)） 優(yōu)點(diǎn)： 1）采用低副：面接觸、承載大、便于潤滑、

2、不易磨損，形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。,2）改變桿的相對長度，從動件運(yùn)動規(guī)律不同。,3）連桿曲線豐富?？蓾M足不同要求。,缺點(diǎn)： 1）構(gòu)件和運(yùn)動副多，累積誤差大、運(yùn)動精度低、效率低。,2）產(chǎn)生動載荷（慣性力），且不易平衡，不適合高速。,3）設(shè)計復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的軌跡。,6,本章重點(diǎn)內(nèi)容是介紹平面四桿機(jī)構(gòu),5. 命名（常以構(gòu)件數(shù)命名） 四桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)（齒凸連組合壓力機(jī)）。,7,基本型式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的。,名詞解釋： 曲柄(crank)作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；,連桿(coupler)作平面運(yùn)動的構(gòu)件；,連架桿(side link)與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件；,搖桿

3、(rocker)作定軸擺動的構(gòu)件；,周轉(zhuǎn)副能作360 相對回轉(zhuǎn)的運(yùn)動副；,擺轉(zhuǎn)副只能作有限角度擺動的運(yùn)動副。,曲柄,連桿,搖桿,52 平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用,1. 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式,機(jī)架,8,有三種基本型式：,（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(crank-rocker mechanism),特征：曲柄搖桿,作用：將曲柄的整周連續(xù)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動。 如雷達(dá)天線等。,9,雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu) 曲柄主動,縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu),10,11,（2）雙曲柄機(jī)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)。,應(yīng)用實例：如火車輪、 慣性篩等。,12,實例：火車輪,特例：平行四邊形機(jī)構(gòu),特征：兩連架桿等長且平

4、行， 連桿作平動且始終與機(jī)架平行，兩曲柄以相同速度 同向轉(zhuǎn)動。,攝影平臺,天平,播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu),13,返回,14,反平行四邊形機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)中兩相對桿的長度分別相等，但不平行。,-車門開閉機(jī)構(gòu),注：平行四邊形機(jī)構(gòu)在共線位置出現(xiàn)運(yùn)動不確定。,采用兩組機(jī)構(gòu)錯開排列。,火車輪,15,（3）雙搖桿機(jī)構(gòu)(double crock mechanism),特征：兩個搖桿,應(yīng)用舉例：鑄造翻箱機(jī)構(gòu),風(fēng)扇、起重機(jī)、爐門、飛機(jī)起落架、夾緊機(jī)構(gòu),16,特例：等腰梯形機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),17,(1) 改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動尺寸,偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),曲柄搖桿機(jī)構(gòu),曲柄滑塊機(jī)構(gòu) (slider-crank me

5、chanism),雙滑塊機(jī)構(gòu),正弦機(jī)構(gòu),=l sin ,2.平面四桿機(jī)構(gòu)的演化型式,18,偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),返回,19,對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),返回,20,雙滑塊機(jī)構(gòu),返回,21,(2)改變運(yùn)動副的尺寸（偏心輪機(jī)構(gòu)）,22,23,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架（情況1）,（導(dǎo)桿4作擺動）,（導(dǎo)桿4作轉(zhuǎn)動）,24,擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),25,牛頭刨床(擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)),應(yīng)用實例:,26,27,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架（情況二）,28,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架（情況三）,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,29,平面四桿機(jī)構(gòu)具有周轉(zhuǎn)副可能存在曲柄。,b(d a)+

6、 c,則由BCD可得：,則由B”C”D可得：,a+d b + c,c(d a)+ b,AB為最短桿, a+b c + d,83 有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識,1.平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件,d- a,設(shè)ad,且連架桿a能整周回轉(zhuǎn)，則必有兩次與機(jī)架共線, a+ c b + d,若設(shè)ad，同理有： da, db, dc,AD為最短桿,將以上三式兩兩相加得： a b, ac, ad,30,（2）連架桿或機(jī)架之一(組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿之一）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)動副都是周轉(zhuǎn)副。,曲柄存在的條件：,（1）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為周轉(zhuǎn)副。

7、,若取BC為機(jī)架，則結(jié)論相同，可知鉸鏈B也是周轉(zhuǎn)副。,稱為桿長條件。,31,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)的觀察,特點(diǎn)：曲柄與連桿出現(xiàn)一次共線、一次重合,(avi),32,特點(diǎn)： 1. 搖桿與連桿均未出現(xiàn)重合(或共線)現(xiàn)象； 2. 固定鉸鏈均為整周回轉(zhuǎn)鉸鏈；連桿上兩活動鉸鏈均為非整周回轉(zhuǎn)鉸鏈。,雙曲柄機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)的觀察,(avi),33,34,（1）當(dāng)滿足桿長條件時，說明存在周轉(zhuǎn)副，當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時，可得不同的機(jī)構(gòu)。 a：以最短桿的相鄰桿為機(jī)架為曲柄搖桿機(jī)構(gòu) b：以最短桿為機(jī)架為雙曲柄機(jī)構(gòu) c：以最短桿的相對桿為機(jī)架為雙搖桿機(jī)構(gòu),分析說明（判斷機(jī)構(gòu)類型的步驟）,最短桿為連架桿,最短桿為機(jī)架,最

8、短桿為連桿,35,雙曲柄,曲柄搖桿,雙搖桿,鉸鏈四桿運(yùn)動鏈,36,37,（2）當(dāng)不滿足桿長條件時，無周轉(zhuǎn)副，此時無論取哪一桿件為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。,38,例：判斷圖示兩個鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型,解：對圖(a)，有： 30 + 70 40 + 55 該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 對圖(b)，有： 20 + 80 40 + 70， 且機(jī)架為最短桿的相鄰桿， 該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。,39,例：若要求該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，問AB桿尺寸應(yīng)為多少？,解：1.設(shè)AB為最短桿 即 LAB+11060+70,LAB20,2.設(shè)AB為最長桿 即 LAB+60110+70,110 LAB120,3.設(shè)AB為之間桿 即 11

9、0+60LAB+70,100LAB 110,所以AB桿的取值范圍為：LAB 20，100LAB120,40,當(dāng)主動曲柄等速轉(zhuǎn)動時，作往復(fù)運(yùn)動的從動件，在工作行程有較慢的平均速度，而在回程有較快的平均速度。這種運(yùn)動性質(zhì)稱為急回運(yùn)動。,2. 急回運(yùn)動與行程速比系數(shù),41,在曲柄搖桿機(jī)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，簡稱極位.,(1) 當(dāng)曲柄以逆時針轉(zhuǎn)過180+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：,180,此兩處曲柄之間的所夾的銳角 稱為極位夾角 搖桿之間的夾角稱 為擺角 （C1DC2）,42,作者：潘存云教授,(2) 當(dāng)曲柄以繼續(xù)轉(zhuǎn)

10、過180-時，搖桿從C2D位置擺到C1D，所花時間為t2 ,平均速度為V2 , 那么有：,180-,顯然：t1 t2 V2 V1,急回特性：在曲柄等速回轉(zhuǎn)的情況下，從動件往復(fù)運(yùn)動速度并不相等，這種現(xiàn)象稱為機(jī)構(gòu)的急回特性。,B2,43,K為行程速比系數(shù),2)且越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。,說明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回運(yùn)動。K的取值范圍：1K3.,3)設(shè)計新機(jī)械時，往往先給定K值，于是:,44,急回作用的意義： 1.機(jī)構(gòu)的急回作用，在機(jī)械中常被用來節(jié)省空回行程的時間，以提高勞動生產(chǎn)率。例如在牛頭刨床中采用擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)就有這種目的。急回作用有方向性，當(dāng)原動件的回轉(zhuǎn)方向改變，急回的

11、行程也跟著改變。故在牛頭刨床等設(shè)備上都用明顯的標(biāo)志標(biāo)出了原動件的正確回轉(zhuǎn)方向。 2.對某些顎式破碎機(jī)，采用快進(jìn)慢退。 3.有些設(shè)備正反行程均在工作，故無急回要求如：雷達(dá)天線俯仰轉(zhuǎn)動時不應(yīng)有急回現(xiàn)象,45, 對心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu),結(jié)論：對心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)無急回特性。, 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu),結(jié)論：偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有急回特性。,推廣到曲柄滑塊機(jī)構(gòu):,46,推廣到導(dǎo)桿機(jī)構(gòu):,結(jié)論：有急回特性，且極位夾角等于擺桿擺角，即,47,3.壓力角和傳動角,(1)壓力角(pressure angle)： 從動件驅(qū)動力F與力作用點(diǎn)絕對速度之間所夾銳角。,設(shè)計時要求:min40- 50,切向分力: F= Fcos,法

12、向分力: F”= Fcos, F,對傳動有利。,= Fsin (+ =90),(2)傳動角(transmission angle) 可用的大小來表示機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞。,(Vc),48,當(dāng)BCD90時， BCD,(3)min出現(xiàn)的位置：,當(dāng)BCD90時，,180- BCD,可以證明：此位置一定是：曲柄與機(jī)架兩次共線位置之一。,當(dāng)BCD最小或最大時， 都有可能出現(xiàn)min,(Vc),49,證明：由余弦定律有： (第一次共線) B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a),B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc),若B1C1D90,則,若B2C2D90,

13、 則,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共線),50,4.機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置,(1)定義 搖桿為主動件，且連桿與曲柄兩次共線時，有：,此時機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動.,稱此位置為：,“死點(diǎn)”,0,0,0,51,2). 死點(diǎn)位置的確定 在四桿機(jī)構(gòu)中當(dāng)從動件與連桿共線或重合時，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄為主動件時,結(jié)論：無死點(diǎn)位置存在,52, 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿為主動件時,結(jié)論：當(dāng)a= 90(=0)時，即連桿與曲柄出現(xiàn)共線和重合時，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)死點(diǎn)位置。,53, 雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu),結(jié)論：雙曲柄機(jī)構(gòu)無論哪個曲柄做原動件，都無死點(diǎn)位置存

14、在；雙搖桿機(jī)構(gòu)無論哪個搖桿做原動件，都有死點(diǎn)位置存在；,(avi),54,55,機(jī)構(gòu)是否出現(xiàn)死點(diǎn)的判斷： 若原動件作往復(fù)運(yùn)動，則一定會出現(xiàn)死點(diǎn)位置；其處于連桿與從動件共線和重合之處。,導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（曲柄為主動件）,導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（搖桿為主動件）,FB1,56,3)避免措施： 兩組機(jī)構(gòu)錯開排列，如火車輪機(jī)構(gòu);,靠飛輪的慣性（如內(nèi)燃機(jī)、縫紉機(jī)等）。,57,鉆孔夾具,飛機(jī)起落架,4)利用死點(diǎn)進(jìn)行工作：飛機(jī)起落架、鉆夾具等。,58,極位與死點(diǎn)的異同： 相同點(diǎn)：都是機(jī)構(gòu)中曲柄和連桿共線的 位置， 不同之處： 在于極點(diǎn)出現(xiàn)在曲柄為原動件時，而死點(diǎn) 出現(xiàn)在以搖桿為原動件，曲柄為從 動件時。,59,1. 在圖示鉸鏈四桿

15、機(jī)構(gòu)中，各桿長度分別為,=28mm，,=52mm，,=50mm，,=72m (1) 若取,為機(jī)架，求該機(jī)構(gòu)的極位夾角,，桿,的最大擺角,和最小傳動角,(2) 若取,為機(jī)架，該機(jī)構(gòu)將演化成何種類型的機(jī)構(gòu)?為什么?請說明這時 C 、D,兩個轉(zhuǎn)動副是周轉(zhuǎn)副還是擺轉(zhuǎn)副?,60,61,62,63,64,54 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計,一、 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題,機(jī)構(gòu)選型根據(jù)給定的（運(yùn)動）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)動副結(jié)構(gòu)合理等）;,b)動力條件（如min）;,c)運(yùn)動連續(xù)性條件等。,1. 基本問

16、題,65,飛機(jī)起落架,2. 三類設(shè)計要求：,1) 滿足預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律，兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(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=logx,66,2) 滿足預(yù)定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。即要求連桿能占據(jù)一系列的預(yù)定位置稱為剛體導(dǎo)引問題(body guidance),要求連桿在兩個位置垂直地面且相差180,3) 滿足預(yù)定的軌跡要求，即要求連桿上某點(diǎn)能實現(xiàn)預(yù)定的軌跡。如右圖所示攪拌機(jī)。,攪拌機(jī),67,3. 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(yùn)動條件（給定K）,3) 動力條件（給定min）,4. 設(shè)計方法：圖解法、解析法、實驗法,6

17、8,(1) 已知連桿位置及活動鉸鏈找固定鉸鏈 a. 分析,幾何特點(diǎn)：活動鉸鏈軌跡圓上任意兩點(diǎn)連線的垂直平分線必過回轉(zhuǎn)中心(固定鉸鏈點(diǎn)),b. 設(shè)計,A點(diǎn)所在線,D點(diǎn)所在線,69, 已知連桿兩位置 無窮解。要唯一解需另加條件 已知連桿三位置,B2,唯一解 已知連桿四位置,無解,70,2 按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),(1) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu),計算180(K-1)/(K+1);,已知：CD桿長為c，擺角及K，設(shè)計此機(jī)構(gòu)。步驟如下：,任取一點(diǎn)D，作等腰三角形腰長為CD，夾角為;取l=c/CD,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圓，則A點(diǎn)必在此圓上。(C2AC1=),C2C1P=90,

18、交于P;,選定A，設(shè)曲柄為a ，連桿為b ，則:（為方便取l=1）,以A為圓心，AC2為半徑作弧交AC1于E,得： a =EC1/ 2 b =AC1EC1/ 2,AC2=b-a,= a =(AC1-AC2)/ 2，b =(AC1+AC2)/ 2,AC1=a+b,說明：顯然任取A點(diǎn)有無窮解，可由min等來限定；FG為劣弧段，A點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離G（F）點(diǎn)。,71,(2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu),已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計此機(jī)構(gòu) 。即求曲柄長a、連桿長b。,計算: 180(K-1)/(K+1);,作C1C2 H,作射線C2O使C1C2O=90,以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。,以A為圓心，AC2為半徑作弧交AC1于E，得：（為方便取l=1） AC1=a+b AC2=b-a 從而得,作射線C1O使C2C1 O=90。,作偏距線e/C1C2 ，交圓弧于A，即為所求。(C2AC1=),a=EC1/ 2,b= AC1EC1/ 2,有唯一解。,72,(3) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),分析： 由于與導(dǎo)桿擺角相等，設(shè)計此 機(jī)構(gòu)時，僅需要確定曲柄 a。,計算180(K-1)/(K+1);,任選D作mDn，,取A點(diǎn)，使得AD=d, 則: a=dsin(