機械設(shè)計：平面連桿機構(gòu).ppt

第2章平面連桿機構(gòu),21鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性,22鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件,23鉸鏈四桿機構(gòu)的演化,24平面四桿機構(gòu)的設(shè)計,應(yīng)用實例：,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、開窗戶支撐、公共汽車開關(guān)門、折疊傘、折疊床、牙膏筒拔管機、單車制動操作機構(gòu)等。,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。,改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。,連桿曲線豐富?？蓾M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)。,21鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性,缺點：構(gòu)件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低。,產(chǎn)生動載荷（慣性力），不適合高速。,設(shè)計復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的軌跡。,分類:,平面連桿機構(gòu),空間連桿機構(gòu),常以構(gòu)件數(shù)命名：四桿機構(gòu)、多桿機構(gòu)。,本章重點內(nèi)容是介紹四桿機構(gòu)。,平面四桿機構(gòu)的基本型式:,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。,名詞解釋：曲柄作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；,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(dá)天線。,連桿作平面運動的構(gòu)件；,連架桿與機架相聯(lián)的構(gòu)件；,搖桿作定軸擺動的構(gòu)件；,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,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,（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(dá)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。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,旋轉(zhuǎn)式葉片泵,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,實例：火車輪,特例：平行四邊形機構(gòu),特征：兩連架桿等長且平行，連桿作平動,攝影平臺,天平,播種機料斗機構(gòu),設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,反平行四邊形機構(gòu),-車門開閉機構(gòu),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。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,（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),設(shè)計：潘存云,1.急回運動,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，簡稱極位。,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：,曲柄搖桿機構(gòu)3D,此兩處曲柄之間的夾角稱為極位夾角。,180,設(shè)計：潘存云,當(dāng)曲柄以繼續(xù)轉(zhuǎn)過180-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-,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)。,且越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。,只要0，就有K>1,所以可通過分析機構(gòu)中是否存在以及的大小來判斷機構(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:,設(shè)計：潘存云,當(dāng)BCD90時，BCD,2.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:min50,min出現(xiàn)的位置：,當(dāng)BCD>90時，,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,F,對傳動有利。,=Fsin,稱為傳動角。,此位置一定是：主動件與機架共線兩處之一。,可用的大小來表示機構(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)min,為了保證機構(gòu)良好的傳力性能,設(shè)計：潘存云,由余弦定律有：B1C1Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,B2C2Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,若B1C1D90,則,若B2C2D>90,則,1B1C1D,2180-B2C2D,機構(gòu)的傳動角一般在運動鏈最終一個從動件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,3.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”,0,靠飛輪的慣性（如內(nèi)燃機、縫紉機等）。,0,0,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,鉆孔夾具,飛機起落架,也可以利用死點進(jìn)行工作：飛機起落架、鉆夾具等。,設(shè)計：潘存云,平面四桿機構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副可能存在曲柄。,桿1為曲柄，作整周回轉(zhuǎn)，必有兩次與機架共線,l2(l4l1)+l3,則由BCD可得：三角形任意兩邊之和大于第三邊,則由B”C”D可得：,l1+l4l2+l3,l3(l4l1)+l2,AB為最短桿,最長桿與最短桿的長度之和其他兩桿長度之和,22鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件,l1+l2l3+l4,l4-l1,將以上三式兩兩相加得：l1l2,l1l3,l1l4,l1+l3l2+l4,設(shè)計：潘存云,2.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：,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,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)。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,(1)改變構(gòu)件的形狀和運動尺寸,23鉸鏈四桿機構(gòu)的演化,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),=lsin,設(shè)計：潘存云,(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),設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,牛頭刨床,應(yīng)用實例:,小型刨床,設(shè)計：潘存云,(3)選不同的構(gòu)件為機架,設(shè)計：潘存云,(3)選不同的構(gòu)件為機架,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,例：選擇雙滑塊機構(gòu)中的不同構(gòu)件作為機架可得不同的機構(gòu),橢圓儀機構(gòu),正弦機構(gòu),24平面四桿機構(gòu)的設(shè)計,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min）;,c)運動連續(xù)性條件等。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,飛機起落架,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)。,函數(shù)機構(gòu),要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足函數(shù)y=logx,設(shè)計：潘存云,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,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,鶴式起重機,攪拌機構(gòu),要求連桿上E點的軌跡為一條卵形曲線,要求連桿上E點的軌跡為一條水平直線,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)。,2)滿足預(yù)定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機構(gòu)。,3)滿足預(yù)定的軌跡要求，如:鶴式起重機、攪拌機等。,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min）,設(shè)計方法：圖解法、解析法、實驗法,設(shè)計：潘存云,一、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),計算180(K-1)/(K+1);,已知：CD桿長，擺角及K，設(shè)計此機構(gòu)。步驟如下：,任取一點D，作等腰三角形腰長為CD，夾角為;,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圓，則A點必在此圓上。,選定A，設(shè)曲柄為l1，連桿為l2，則:,以A為圓心，AC2為半徑作弧交于E,得：l1=EC1/2l2=AC1EC1/2,AC2=l2-l1,=>l1=(AC1AC2)/2,C2C1P=90,交于P;,AC1=l1+l2,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,2)導(dǎo)桿機構(gòu),分析：由于與導(dǎo)桿擺角相等，設(shè)計此機構(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，使得AD=d,則:a=dsin(/2)。,作角分線;,已知：機架長度d，K，設(shè)計此機構(gòu)。,設(shè)計：潘存云,3)曲柄滑塊機構(gòu),已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計此機構(gòu)。,計算:180(K-1)/(K+1);,作C1C2H,作射線C1O使C2C1O=90,以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。,以A為圓心，AC1為半徑作弧交于E,得：,作射線C2O使C1C2O=90。,作偏距線e，交圓弧于A，即為所求。,l1=EC2/2,l2=AC2EC2/2,設(shè)計：潘存云,二、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。,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。,設(shè)計：潘存云,三、給定兩連架桿對應(yīng)位置設(shè)計四桿機構(gòu),給定連架桿對應(yīng)位置：構(gòu)件3和構(gòu)件1滿足以下位置關(guān)系：,建立坐標(biāo)系,設(shè)構(gòu)件長度為：l1、l2、l3、l4,在x,y軸上投影可得：,機構(gòu)尺寸比例放大時，不影響各構(gòu)件相對轉(zhuǎn)角.,l1coc+l2cos=l3cos+l4,l1sin+l2sin=l3sin,if(i)i=1,2,3n設(shè)計此四桿機構(gòu)(求各構(gòu)件長度)。,令：l1=1,代入移項得：l2cos=l4l3coscos,則化簡為：cocP0cosP1cos()P2,代入兩連架桿的三組對應(yīng)轉(zhuǎn)角參數(shù)，得方程組：,l2sin=l3sinsin,coc1P0cos1P1cos(11)P2,coc2P0cos2P1cos(22)P2,coc3P0cos3P1cos(33)P2,可求系數(shù):P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,將相對桿長乘以任意比例系數(shù)，所得機構(gòu)都能滿足轉(zhuǎn)角要求。若給定兩組對應(yīng)位置，則有無窮多組解。,舉例：設(shè)計一四桿機構(gòu)滿足連架桿三組對應(yīng)位置：,代入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相對長度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各桿相對長度為：,選定構(gòu)件l1的長度之后，可求得其余桿的絕對長度。,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,設(shè)計：潘存云,實驗法設(shè)計四桿機構(gòu),當(dāng)給定連架桿位置超過三對時，一般不可能有精確解。只能用優(yōu)化或試湊的方法獲得近似解。,1)首先在一張紙上取固定軸A的位置，作原動件角位移i,2)任意取原動件長度AB,3)任意取連桿長度BC，作一系列圓弧;,4)在一張透明紙上取固定軸D，作角位移i,5)取一系列從動件長度作同心圓弧。,6)兩圖疊加，移動透明紙，使ki落在同一圓弧上。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,四、按預(yù)定的運動軌跡設(shè)計四桿機構(gòu),攪拌機構(gòu),設(shè)計：潘存云,四、按預(yù)定的運動軌跡設(shè)計四桿機構(gòu),連桿作平面運動,其上各點的軌跡均不相同。,B,C點的軌跡為圓弧;,其余各點的軌跡為一條封閉曲線。,設(shè)計目標(biāo):就是要確定一組桿長參數(shù),使連桿上某點的軌跡滿足設(shè)計要求。,設(shè)計：潘存云,設(shè)計：潘存云,本章重點：,1.四桿機構(gòu)的基本形式、演化及應(yīng)用；,2.曲柄存在條件、傳動角、壓力角、死點、急回特性：極位夾角和行程速比系數(shù)等物理含義，并熟練掌握其確定方法；,3.掌握按連桿二組位置、三組位置、連架桿三組對應(yīng)位置、行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)的原理與方法。,