机械设计基础第2章平面连杆机构.ppt

第2章平面连杆机构,21平面四杆机构的基本类型及其应用,22平面四杆机构的基本特性,23平面四杆机构的设计,21平面四杆机构的基本类型及其应用,要求：掌握铰链四杆机构的特点及基本型式重点：铰链四杆机构的特点及基本型式,1、应用实例：,内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、单车制动操作机构等。,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损、形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,2、平面四杆机构：若干低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,产生动载荷（惯性力），不适合高速。,设计复杂，难以实现精确的轨迹。,3、分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,本章重点内容介绍平面四杆机构。平面四杆机构分为：1）全转动副的-铰链四杆机构；2）含一个移动副的-四杆机构；3）含两个移动副的-四杆机构；,一、铰链四杆机构,1、平面铰链四杆机构定义：全部用转动副连接的平面四杆机构。P21图2-1.机架连架杆连杆,名词解释：曲柄作整周定轴回转的构件；,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360度相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,与机架组成整转副的连架杆称为曲柄；与机架组成摆动副的连架杆称为摇杆,2、铰链四杆机构三种基本型式（按连架杆是曲柄还是摇杆分）1）曲柄摇杆机构,例2：牛头刨床横向自动给进机构P22图2-2,例1：图2-1a铰链四杆机构。A-整转副，D-摆动副，连架杆1-曲柄，连架杆3-摇杆。B-必为整转副，C-必为摆动副。通常曲柄为原动件，作匀速转动；摇杆为从动件，作变速往复摆动。,特征：曲柄摇杆；作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构。,设计：潘存云,设计：潘存云,2）双曲柄机构例1：图2-1b铰链四杆机构。A、B为整转副，1为机架，两连架杆2、4均为曲柄的铰链四杆机构为双曲柄机构。,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构曲柄主动,应用实例：旋转式叶片泵,通常主动曲柄做等速转动，从动曲柄做变速转动。,例3：雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2使摇杆3在一定的角度范围内摇动，从而调整天线俯仰角的大小。,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,由相位依次相差90的四个双曲柄机构组成。曲柄1等角速度顺时针转动时，连杆2带动从动曲柄3作周期性变速转动，因此，相邻两从动曲柄间夹角也周期性变化。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,实例：火车轮、摄影平台,特例：平行四边形机构,特征：其连杆与机架等长，且两曲柄转向相同，长度相等。,播种机料斗机构、天平,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,平行四边形机构当四个铰链中心处于同一直线上时，出现运动不确定。采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,3）双摇杆机构特征：两个摇杆,例1：P24图2-1d，C、D为摆动副，因3位机架，连架杆2、4均为摇杆。,例3、等腰梯形机构汽车转向机构P24汽车转弯与前轮轴固连的两摇杆摆角b、不等，等腰梯形机构可满足-整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动。P两前轮轴线的交点与后轮轴线的延长线的交点。倒置机构（自看）,例2、飞机起落架机构运动简图-P24着陆前，着陆轮1从机翼4放出；起飞后收回。动作由原动摇杆3，通过连杆2、从动摇杆5带动着陆轮实现。,二、含有一个移动副的四杆机构（认识）,1、曲柄滑块机构（P24讲过）对心曲柄滑块机构；偏置曲柄滑块机构。应用：活塞式内燃机，空气压缩机，冲床。2、导杆机构改变曲柄滑块机构固定构件演化来的（P25图2-10）转动导杆机构；摆动导杆机构应用：牛头刨床，插床，回转式油泵。3、插块机构和定块机构（P25图2-10）,三、含有两个移动副的四杆机构（双滑块机构）P26图14-17（认识）分四种形式：1）两个移动副不相邻；2）两个移动副相邻；且其中一个与机架相关联；3）两个移动副相邻，且均不机架相关联；4）两个移动副相都与机架相关联。,四、具有偏心轮的四杆机构P27图2-18（认识）,五、四杆机构的扩展P27图2-18（认识）,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,(1)改变构件的形状和运动尺寸,铰链四杆机构的演化,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=lsin,设计：潘存云,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构,椭圆仪机构,正弦机构,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,22平面四杆机构的基本特性,要求：1、明确四杆机构的曲柄存在条件。2、熟悉铰链四杆机构压力角、传动角、行程速度变化系数和死点位置等概念。重点:铰链四杆机构有整转副的条件。难点：曲柄摇杆机构主要特性(急回压力角和传动角死点位置),基本特性-运动特性和传力特性。一、铰链四杆机构有整转副条件铰链四杆机构中是否有整转副，取决于机构各杆相对长度和机架选择。分析1曲柄摇杆机构：分析铰链四杆机构有整转副条件。,如图a：1曲柄，2连杆，3摇杆，4机架，各杆长度l1、l2、l3、l4。图中最短杆1为曲柄，、和分别为相邻两杆间夹角。,曲柄1整周转动时，曲柄与相邻两杆夹角、变化范围0360；摇杆与相邻两杆夹角、变化范围360。,（1）取最短杆相邻构件为机架时，最短杆为曲柄，另一连架杆3为摇杆，故图a所示两个机构均为曲柄摇杆机构。（2）取最短杆为机架，其连架杆2和4均为曲柄，故图b所示为双曲柄机构。（3）取最短杆的对边为机架，两连架杆和都不能作整周转动，故图c所示为双摇杆机构。,据相对运动原理，连杆2和机架4相对曲柄1也是整周转动；而相对摇杆3作360摆动。当杆长度不变而取不同杆为机架时，可得到不同类型铰链四杆机构。如：,a),b)c),分析2：右图所示.,为保证曲柄1整周回转，曲柄必须能通过与连杆共线的两个位置AB1和AB2。1）曲柄处于AB1位置时，形成三角形AC1D。根据三角形两边之和大于第三边，得,L4（l2-l1）+l3及l3l4+(l2-l1)即：l1+l4l3+l2；l1+l3l2+l42）曲柄处于AB2位置时，形成三角形AC2D。存在以下关系：l1+l2l4+l3上三式两两相加得：l1l2l1l3l1l4,设计：潘存云,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4l1)+l3,则由BCD可得：三角形任意两边之和大于第三边,则由B”C”D可得：,l1+l4l2+l3,l3(l4l1)+l2,AB为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和,l1+l2l3+l4,l4-l1,将以上三式两两相加得：l1l2,l1l3,l1l4,l1+l3l2+l4,设计：潘存云,2.连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。,曲柄存在的条件：,1.最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为整转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。,称为杆长条件。,作者：潘存云教授,当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构。,结论：1）铰链四杆机构（曲柄摇杆机构）中有整转副的条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；2）整转副是由最短杆（曲柄）与其邻边组成的。连架杆、整转副处于机架上才能形成曲柄，因此，有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还应据选择哪一个杆为机架判断。1）最短杆为机架-机架上有两个整转副-得双曲柄机构2）最短杆邻边为机架-机架上只有一个整转副-得曲柄摇杆机构3）最短杆的对边为机架-机架上无整转副-得双摇杆机构如果铰链四杆机构最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则该机构中不存在整转副，无论哪个构件作机架只能是双摇杆机构。,二.急回特性,曲柄摇杆机构中，曲柄转一周有两次与连杆BC共线，该两位置铰链中心A与C的距离AC1、AC2分别最短和最长，因而，C1D、C2D分别为摇杆CD两个极限位置，简称极位。摇杆在两极限位置的夹角称为摇杆的摆角。,曲柄由AB1顺时针转到AB2时，曲柄转角1=180+，摇杆由极位C1D摆到极位C2D，摇杆摆角；曲柄顺时针再转过2=180-时，摇杆由位置C2D摆回到位置C1D，其摆角仍。,摇杆来回摆动摆角相同，但对应曲柄转角却不等(12)。当曲柄匀速转动时,对应时间不等(t1t2)，即摇杆往复摆动快慢不同。,急回运动特性可用行程速度变化系数K表示，即,为摇杆处于两极限位置对应曲柄所夹锐角，称极位夹角。整理后，得极位夹角计算公式：,分析可知：越大，K值越大，急回运动性质越显著，机构运动平稳性越差。设计时，应据工作要求，恰当选择K值。一般机械中1K90,则,2180-B2C2D,minB1C1D,180-B2C2Dmin,设计：潘存云,设计：潘存云,3.死点位置机构传动角为零的的位置。,摇杆3为原动件，曲柄1为从动件，则当摇杆摆到极限位置C1D和C2D时，连杆2与曲柄1共线，从动件传动角0,力经过铰链中心A，此力对A点不产生力矩，因此不能使曲柄转动。称此位置为：“死点”。,避免措施：对从动曲柄施加外力；利用飞轮及构件自身的惯性作用。如火车轮机构;两组机构错开排列，,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,C2,此时，连杆加给曲柄的,“死点”位置使机构从动件出现卡死或运动不确定现象。,C1,设计：潘存云,设计：潘存云,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,23平面四杆机构的设计,要求：掌握平面四杆机构设计的图解法（按给定的连杆长度和连杆的两个位置设计四杆机构、按给定的行程速度变化系数设计四杆机构）。重点及难点：平面四杆机构设计的图解法平面四杆机构设计的主要任务：根据给定运动条件确定机构运动简图的尺寸参数。为使机构设计的可靠合理，还应考虑几何条件和动力条件（如min）。,连杆机构设计的基本问题（举例讲解）,机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型；（曲柄连杆、曲柄滑块等）,尺度综合确定各构件的尺度参数(长度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。(间歇运动）,设计：潘存云,设计：潘存云,飞机起落架,三类设计要求：1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应。如:飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数y=logx,设计：潘存云,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,设计：潘存云,设计：潘存云,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法作图法直观；解析法比较精确；实验法常需试凑。,生产要求多样，给定条件各不相同，主要有两类问题：1）按照给定从动件的运动规律（位移、速度、加速度）设计四杆机构；2）按照给定点的运动轨迹设计四杆机构。,一、按给定的行程速度变化系数K设计四杆机构,设计急回运动四杆机构，需先给定行程速度变化系数K，后据机构,在极限位置几何关系，结合辅助条件确定机构运动简图尺寸参数。,设计：潘存云,1)曲柄摇杆机构（例1）,计算极位夹角180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长l3，摆角及K，设计此机构。（设计实质：确定铰链中心A点的位置，定出其它三杆的尺寸。）步骤：,任取一点D，由摇杆长l3及摆角作摇杆两个极限位置C1D、C2D。作等腰三角形，腰长CD，夹角为;,连接C1C2。作C2PC1C2，作C1P使C2C1P=90,交于P;,作PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,B1,B2,因A点为C1PC2外接圆上任意一点，若仅按行程速度变化系数K设计，可得无穷多解。欲获得良好的传动质量，可按最小传动角最优或其他辅助条件来确定A点的位置。,在此圆周上任取一点A为曲柄的固定铰链中心，连接AC1、AC2，得C1PC2=C1AC2=。设曲柄为l1，连杆为l2，因极限位置曲柄与连杆共线，得:,AC1=l1+l2,AC2=l2-l1,=l1=(AC1AC2)/2，,l2=(AC1+AC2)/2,由图得AD=l4,设计：潘存云,设计：潘存云,2)摆动导杆机构（例2）,分析：由于极位夹角与导杆摆角相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选固定铰链中心D，以夹角作出导杆两极限位置Dm、Dn。作摆角的角分线AD，并在线上取AD=d，得固定铰链中心A的位置。,过A点作导杆极限位置的垂线AB，既得曲柄长度:a=dsin(/2)。,已知：机架长度d，K，设计此机构。,a,B,设计：潘存云,3)曲柄滑块机构（自习）,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,计算:180(K-1)/(K+1);,作C1C2H,作射线C1O使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，AC1为半径作弧交于E,得：同P33（6）,作射线C2O使C1C2O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1=EC2/2,l2=AC2EC2/2,二、按给定连杆位置设计四杆机构,翻转机构：一个铰链四杆机构实现翻台两个工作位置。已知：连杆3的长度l3=BC及两个位置BC和BC，要确定连架杆与机架组成的固定铰链中心A和D的位置，并求其余三杆长度l1、l2和l4。,分析：因连杆3上B、C两点的运动轨迹分别为以A、D为圆心的圆弧，所以A、D分别位于BB和CC的垂直平分线上。步骤：1）据给定条件，绘出连杆3两个位置BC和BC。2）连接B和B、C和C，并作BB、CC的垂直平分线上b12、c12。3）因A、D分别在b12、c12两直线上任意选取，故有无穷多解。实际设计考虑辅助条件，如最小转动角、杆尺寸允许范围或其他结构要求等。本机构要求A、D两点在同一水平线上，且AD=BC。据该附加条件可唯一确定A、D位置，并作出位于位置的所求四杆机构ABCD。,b12,c12,设计：潘存云,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,已知连杆长度b和它的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，设计该铰链四杆机构。因在铰链四杆机构中，连架杆1和3分别绕两固定铰链A、D转动，连杆上点B的三个位置B1、B2、B3位于同一圆周上，其圆心即固定铰链A位置。分别连接B1、B2及B2、B3，作两连线各自中垂线，交点即为固定铰链A。同理，求得连架杆3的固定铰链D的位置,AD即为机架长度。AB1C1D即为所求四杆机构。,设计：潘存云,三、按给定两连架杆对应位置设计四杆机构,机构各杆长度按同一比例增减时，各杆转角间关系不变，只需确定各杆相,l1coc+l2cos=l3cos+l4,l1sin+l2sin=l3sin,1、解析法求解：已知连架杆AB、CD的三对对应位置1、1，2、2和3、3，要确定各杆长度l1、l2、l3和l4。,对长度。取l1=1，则机构待求参数只有三个。该机构四个杆组成封闭多边形。取各杆在x、y轴上的投影，得关系式：,令：l1=1得：l2cos=l4l3coscos,l2sin=l3sinsin,则：cocP0cosP1cos()P2,上式即为两连架杆转角之间的关系式。代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,coc1P0cos1P1cos(11)P2,coc2P0cos2P1cos(22)P2,coc3P0cos3P1cos(33)P2,可求系数:P0、P1、P2,及:l2、l3、l4,将相对杆长乘任意比例系数，所得机构都能满足转角要求。若给定两组对应位置，则有无穷多组解。,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45=P0cos50+P1cos(50-45)+P2,l1=1,l4=-l3/P1=1.442,l2=(l42+l32+1-2l3P2)1/2=1.783,l3=P0=1.553,设计：潘存云,2、实验法设计四杆机构,当