四連桿機構及其設計.ppt

章連桿機構及其設計,從本章開始系統(tǒng)介紹幾種常用機構的原理、類型、應用及設計,研究內容,4-1平面四桿機構的基本類型及其演化 4-2平面四桿機構的基本特性 4-3 平面連桿機構設計 *4-4 多桿機構,本章內容,平面連桿機構的基本型式及其演化和應用。 曲柄存在條件、傳動角、死點、急回運動、行程速比系數(shù)等基本概念。 設計平面四桿機構的方法。 能用解析法和圖解法對平面四桿機構進行運動分析。,曲柄存在條件的全面分析、平面多桿機構的傳動角和平面四桿機構最小傳動角的確定。,重點：,難點：,連桿機構的定義,連桿機構是由低副(Lower-pair)將若干構件連接而成的低副機構。,連桿機構的分類,連桿機構,平面連桿機構,空間連桿機構,組成機構的所有構件都在相互平行的平面內運動的連桿機構。,(planar linkage),(spatial linkage),平面連桿機構的幾個基本概念：,機架平面連桿機構中的固定構件。,連架桿平面連桿機構中與機架相連的構件。,連桿連接連架桿的活動構件。,曲柄連架桿中能繞機架作整軸轉動的構件。,搖桿連架桿中只能在某一范圍內繞機架作往復擺動的構件。,請區(qū)分構件名稱,周轉副能作整周轉動的轉動副。,擺轉副不能作整周轉動的轉動副。,請區(qū)分一下,轉動副,連桿機構是一種應用十分廣泛的機構，人造衛(wèi)星太陽能板的展開機構，機械手的傳動機構，折疊傘的收放機構以及人體假肢等等，都是連桿機構。,曲柄滑塊機構、鉸鏈四桿機構、導桿機構是最常見的連桿機構型式。,這些機構的共同特點是其原動件1的運動都要經(jīng)過一個不直接與機架相聯(lián)的中間構件2才能傳動從動件3，這個不直接與機架相聯(lián)的中間構件稱為連桿，而把具有連桿的這些機構統(tǒng)稱為連桿機構。,構件可長，用于遠距離的操作。如挖掘機、車閘。,杠桿特性，用于增力。,運動形式多樣，可用于運動轉換。,連架桿位置對應，用于控制。,連桿位置多變，用于特定運動規(guī)律。,連桿曲線豐富，用于特定軌跡。,運動形式多樣，可用于運動轉換。,平面連桿機構的優(yōu)點,1、平面連桿機構屬于低副機構，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊，并且便于潤滑，磨損小。,2、其運動副元素多為平面或圓柱面，制造比較容易，而且靠其本身的幾何封閉來保證構件運動，結構簡單，工作可靠。,3、可以實現(xiàn)不同的運動規(guī)律和特點軌跡要求。,平面連桿機構的缺點,3、不易精確地滿足各種運動規(guī)律和運動軌跡的要求。,1、當機構復雜時累計誤差較大，影響其傳動精度。,2、慣性力不容易平衡，不適合于高速傳動。,例如：多自由度的機械手；四足、六足步行機等，已經(jīng)不限于運動學的范圍，還注重動力學方面的研究。,平面連桿機構中最簡單、應用最廣的是四桿機構，其他多桿機構都是在它的基礎上擴充而成的，本章重點討論四桿機構及其設計。,4-1 平面四桿機構的基本類型及其演化,二、鉸鏈四桿機構的基本類型、應用及其演化,一、鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件,三、具有移動副的四桿機構及其演化,鉸鏈四桿機構,機構中的全部運動副均為轉動副時的四桿機構為鉸鏈四桿機構。,鉸鏈四桿機構是平面連桿機構中最基本的形式，其它各種平面連桿機構都可以看成是由它演變而來的。,連架桿曲柄,機架,連架桿搖桿,連桿,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)連架桿是曲柄還是搖桿，分類如下：,鉸鏈四桿機構,1）兩連架桿中一為曲柄，另一為搖桿,2）兩連架桿均為曲柄,3）兩連架桿均為搖桿,可根據(jù)曲柄的數(shù)量和存在與否進行判定。,如何判定曲柄是否存在？,一、鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件,曲柄的兩個極限位置AB1、AB2。,B1C1D中,B2C2D中,桿長條件,A、B均為周轉副,周轉副存在條件：,1）最短桿長度 + 最長桿長度 其余兩桿長度之和。 2）組成該周轉副的兩桿中必有一桿為最短桿。,條件1）稱為桿長條件。,不滿足桿長條件時，則沒有周轉副，而只能獲得雙搖桿機構。,滿足桿長條件時，有最短桿參與構成的轉動副都是周轉副，而其余轉動副則是擺轉副。,2）其最短桿為連架桿或機架。,四桿機構有曲柄的條件：,1）各桿的長度應滿足桿長條件，即 最短桿長度 + 最長桿長度 其余兩桿長度之和。,曲柄搖桿機構,雙曲柄機構,雙搖桿機構,圖4-3 a），b），P58,圖4-3 c）,圖4-3 d）,二、鉸鏈四桿機構的基本類型、應用及其演化,周轉副,周轉副,擺轉副,擺轉副,曲柄搖桿機構,？,一種演化方法機構的倒置,機構的倒置：選用運動鏈中不同構件為機架以獲得不同機構的演化方法。,A,B,C,D,1）曲柄搖桿機構：,取與最短桿相鄰的構件為機架。,曲柄搖桿機構的應用,顎式破碎機機構,1）此種機構常以曲柄為原動件，將曲柄的連續(xù)轉動轉變?yōu)閾u桿的往復擺動。,雷達天線機構,攪拌機機機構,此時連桿作平面運動，連桿上各點的軌跡能形成不同的封閉曲線。,玩具狗腿的動作也利用連桿曲線的特殊軌跡。,2）此種機構中，若以搖桿為原動件，則可將搖桿的往復擺動轉變?yōu)榍倪B續(xù)轉動。,2）雙曲柄機構,當以短邊為機架時，為一般雙曲柄機構。,兩曲柄的轉動方向相同或相反。,雙曲柄機構的應用,慣性篩機構,將原動曲柄的等速轉動轉變?yōu)閺膭忧淖兯俎D動，從而使篩子具有較大慣性力而篩分物料。,東莞理工學院專用,旋轉式葉片泵,在雙曲柄機構中，若相對兩桿的長度相等且平行，兩曲柄的轉向相同，稱為正平行四邊形機構。,正平行四邊形機構：,1）兩曲柄以相同速度同向轉動；,2）連桿作平動，始終與機架平行。,平行四邊形機構的應用,蒸汽機車驅動裝置,攝影升降機構,用正平行四邊形機構傳遞動力,用連桿作平移運動,播種機料斗機構,在雙曲柄機構中，若相對兩桿的長度相等，但不平行(BC與AD)，兩曲柄轉向相反（AB與CD），稱為反平行四邊形機構。,反平行四邊形機構（逆平行四邊形機構）：,車門開閉機構 （主、從動曲柄反向轉動。）,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,反平行四邊形機構雙曲柄機構中兩相對桿的長度分別相等，但不平行。,-車門開閉機構,注：平行四邊形機構在共線位置出現(xiàn)運動不確定。,采用兩組機構錯開排列。,火車輪,3）雙搖桿機構(double crock mechanism),2）若鉸鏈四桿機構各桿的長度不滿足桿長條件，則無周轉副，此時不論以何桿為機架，均為雙搖桿機構。,1）若鉸鏈四桿機構各桿的長度滿足桿長條件，取與最短桿相對的構件為機架。,最短桿長度 + 最長桿長度 其余兩桿長度之和。,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,雙搖桿機構特征：兩個搖桿,應用舉例：鑄造翻箱機構,特例：等腰梯形機構汽車轉向機構,、風扇搖頭機構,可使連桿到達兩個固定的位置。,鑄造翻箱機構,風扇搖頭機構,風扇殼體固裝于連架桿AB上。,5蝸輪，6蝸桿,構件2與構件5固連在一起。,通過構件2的整周轉動，實現(xiàn)搖桿AB 的往復擺動。,等腰梯形機構：在雙搖桿機構中若兩搖桿長度相等，則稱為等腰梯形機構。,汽車前輪轉向機構,鶴式起重機機構,懸點E上懸掛的重物在近似水平直線上運動，避免重物平移時因不必要的升降而消耗能量。,4）泛菱形機構,若四桿機構的兩相鄰桿長度兩兩相等，則機構將變?yōu)榉毫庑螜C構，如下圖a）、b）、c）,圖a）雙曲柄機構,圖b）曲柄搖桿機構,圖c）二桿機構,泛菱形機構有3個周轉副，一個擺轉副。當其以短桿為機架時為雙曲柄機構；當其以長桿為機架時為曲柄搖桿機構，這種機構當相鄰兩桿重疊在一起時，將退化為二桿機構，其運動不確定。,機構的演化,機構的演化將基本機構進行變換，得到新機構的方法。,常見的演化方法：,1）改變構件的形狀和運動尺寸；,2）改變運動副的尺寸；,3）選用不同的構件為機架；,4）運動副元素的逆換。,1) 得到所要求的運動性能；,2) 改善受力狀況；,3) 滿足結構設計要求。,機構演化目的：,各種演化機構的外形雖然各不相同，但它們的性質以及分析和設計方法卻常常是相同或類似的，這就為連桿機構的研究提供了方便。,e.g.選用不同構件為機架,雙曲柄機構,雙搖桿機構,曲柄搖桿機構,曲柄搖桿機構,雙曲柄機構,雙搖桿機構,1、曲柄滑塊機構,三、具有移動副的四桿機構及其演化,改變相對桿長、轉動副演化為移動副。,具有移動副的四桿機構的基本形式。,偏置式曲柄滑塊機構 （ e 0 ),對心式曲柄滑塊機構 ( e = 0 ),曲柄滑塊機構根據(jù)偏距e不同分類：,曲柄滑塊機構的應用：,活塞式內燃機,往復式水泵,沖床,曲柄滑塊機構的演化機構,1）導桿機構,2）搖塊機構,3）定塊機構,4）雙滑塊機構,變換單移動副機構的機架。,再次改變相對桿長，將另一個轉動副演化為移動副。,(一) 變換單移動副機構的機架,曲柄滑塊機構,曲柄滑塊機構中，當取桿1為機架時，即得。,桿4稱為導桿，滑塊3相對導桿4作相對滑動，并隨桿2一起轉動，一般取桿2為原動件。,應用：回轉式液壓泵、牛頭刨床、插床等機器的主體機構。,導桿機構,1）轉動導桿機構,2）擺動導桿機構,導桿機構,轉動導桿機構,插床主體機構(AB<BC),刨床主體機構,擺動導桿機構( ABBC ）,A,刨床主體機構的另一種形式,曲柄滑塊機構中，當取桿2為機架時，即得搖塊機構。,搖塊機構一般取桿1或桿4為原動件，當桿1作轉動或擺動時，桿4相對滑塊3滑動，并一起繞C點擺動。,應用：e.g.液壓驅動裝置、擺缸式內燃機、卡車車廂自動翻轉卸料機構。,搖塊機構,曲柄搖塊機構,擺缸式內燃機機構,左側四桿機構位移量小，減振功能差,挖掘機相鄰兩桿之間的開合動作也是由搖塊機構來實現(xiàn)的。,作者：潘存云教授,滑塊3為定塊，一般取桿1為原動件，桿2繞C點往復擺動，而桿4僅相對滑塊3作往復移動。,定塊機構（移動導桿機構）,曲柄滑塊機構中，當滑塊3為機架時，即得定塊機構。,應用：e.g.抽水泵、抽油泵。,移動導桿機構（定塊機構）,抽水泵,手動抽油泵,東莞理工學院專用,(二) 改變構件的形狀和運動尺寸,偏心曲柄滑塊機構,對心曲柄滑塊機構,曲柄搖桿機構,曲柄滑塊機構 (slider-crank mechanism),雙滑塊機構,正弦機構,=l sin ,1,2,3,4,1,2,3,4,正弦機構,曲柄滑塊機構,將連桿2做成滑塊形式，并使之沿圓弧導軌運動。,作（1）的轉化，并將連桿2長度增至無限長,通常稱其為正弦機構。,正弦機構多應用在一些儀表和解算裝置中。,（1）,（2）,正弦機構的應用,縫紉機針機構,雙滑塊（轉塊）機構,將鉸鏈四桿機構的其中兩桿桿長增至無窮大，可演化為具有兩個移動副的四桿機構雙滑塊（轉塊）機構。,按照兩個移動副所處的位置不同，雙滑塊機構可分為四種形式：,（1）兩移動副不相鄰,a） 圖的正切機構（其從動件3的位移與主動件1的轉角正切成正比）,（2）兩移動副相鄰且其中一個與機架相連,b） 圖的正弦機構（其從動件3的位移與曲柄1的轉角正弦成正比）,特點：從動構件與主動構件的接觸點到轉軸的距離是隨主動構件的位移變化的。,（3）兩移動副相鄰但都不與機架相連,上圖所示的十字滑塊機構即為此種機構。常用作聯(lián)軸器，可以主動補償主、從動軸由于對中不良而產生的位置誤差。,雙轉塊機構,（4）兩移動副相鄰且都與機架相連,縫紉機針桿機構,橢圓儀機構,在橢圓儀中，當兩個滑塊在機架的滑槽中移動時，連桿上各點的軌跡是長短半徑不同的橢圓。,東莞理工學院專用,(三)改變運動副的尺寸,偏心輪機構(eccentric mechanism),當因為結構需要使曲柄尺寸過小而不便加工，或因運動要求需要加大曲柄的重量以增大慣性力時，可將回轉副B同心放大至將A也包括在內，即桿1放大為圓盤1，圓盤1的幾何中心為B，轉動中心為偏心A。,稱圓盤1為偏心輪，該機構稱為偏心輪機構。偏心輪中A點和B點之距稱為偏心距e，它與原曲柄等長，其余各桿長也對應相等。,偏心輪機構應用,沖剪床,應用于剪床、沖床、顎式破碎機等機械中。,作業(yè)：,思考題：4-1、4-3,習題：4-1、4-2,第二節(jié) 平面四桿機構的基本特性,一、急回特性及行程速比系數(shù)K,二、壓力角與傳動角,三、機構的死點位置,四、連桿機構運動的連續(xù)性,一、急回特性和行程速比系數(shù)K,2、急回運動(quick-return motion),3、行程速比系數(shù)K,1、極位夾角,1、極位夾角,曲柄搖桿機構中曲柄與連桿兩次共線位置時曲柄之間所夾銳角 稱為極位夾角。,當AB與BC兩次共線時，輸出件CD處于兩極限位置。搖桿在兩極限位置所夾角稱為擺角。,曲柄轉角,對應的時間,搖桿點C的 平均速度,),),2、急回運動(quick-return motion),t1t2,v2v1,在曲柄等速回轉的情況下 ，搖桿往復擺動速度快慢不同的運動，稱為急回運動。,v2v1,為了衡量搖桿急回作用的程度，用行程速比系數(shù)表示.,3、行程速比系數(shù)(coefficient of travel speed variation) k,為了衡量搖桿急回作用的程度，把從動件往復擺動平均速度的比值（大于1）稱為行程速比系數(shù)，即,由,極為夾角為,四桿機構有無急回運動，取決于曲柄與連桿共線位置的夾角，即有無極位夾角，不論是何種機構，只要機構在運行過程中具有極位夾角，則該機構就具有急回作用。 角越大，則K值越大，說明急回運動的性質也越顯著。,有急回特性。,曲柄擺動導桿機構,有急回特性。,二、壓力角和傳動角,1、壓力角(pressure angle),從動件CD受的力F的作用線與力作用點C的絕對速度vc 所夾銳角，稱為此位置的壓力角。,在不計摩擦力、重力、慣性力的條件下，機構中驅使輸出件運動的力的方向線與輸出件上受力點的速度方向線所夾的銳角。,由力的分解： 沿著速度方向的有效分力,垂直于Ft的分力,力F2 只能使鉸鏈C、D產生壓軸力，希望它越小越好；,力F1 越大，推動機構的有效分力就越大，傳力效果就越好，即 越小越好。,因此，對連桿機構中的壓力角提出了限制，最大不能超過 4050， 即： < = 4050,越小，受力越好。,越大，受力越好。,2、傳動角(transmission angle）,壓力角的余角稱為機構在此位置的傳動角。 = 90- ,機構在運轉過程中，傳動角 隨機構的位置不同而變化，為保證機構的傳力效果，,平面四桿機構的最小傳動角位置,原動件為AB,在三角形ABD中：BD=a+d-2adcos (1) 在三角形BCD中：BD=b+c-2bccos (2),(1)=(2)得：,是隨各桿長和原動件轉角的變化而變化的。,在三角形ABD中：BD=a+d-2adcos (1) 在三角形BCD中：BD=b+c-2bccos (2),設a、b、c、d各桿長確定 當 = 0時，即曲柄與機架重疊共線，cos =+1, 取最小值。,當 =180時，即曲柄與機架拉直共線，cos =-1, 取最大值。,曲柄搖桿機構的最小傳動角 min必出現(xiàn)在曲柄與機架共線的兩個位置上，即 為 min或 max時的兩個位置，比較這兩個位置傳動角，即可求出最小傳動角min。,即： min = min min = 180- max,以AB為原動件的曲柄搖桿機構，,當曲柄和機架處于兩共線位置時，連桿和輸出件的夾角 最小和最大（ ）。,曲柄滑塊機構min何時出現(xiàn)？,導桿機構,三、機構的死點位置,指從動件的傳動角 =0(或=90)時機構所處的位置。（不考慮構件的重力、慣性力和運動副中的摩擦力的影響）,1、死點(dead point)位置,對于曲柄搖桿機構，當搖桿1為主動件，當連桿與曲柄共線時的位置，即：搖桿處于兩個極限位置時，經(jīng)過連桿2傳給從動曲柄3的驅動力F，通過曲柄的轉動中心A。對從動曲柄3的有效力矩為零，故不能推動曲柄轉動,機構處于卡死位置，機構的這種位置稱為死點位置。,此時傳動角 =0 （或=90）。,機構是否有死點位置與哪一構件為主動件有關。,曲柄搖桿機構，當曲柄為主動件時無死點位置，但有極限位置，當搖桿為主動件時有死點位置。,曲柄滑塊機構，當以滑塊3為主動件時有死點位置。,平行四邊形機構，連桿與曲柄共線時傳動角為0 （轉向點），從動曲柄可能向正反兩個方向轉動，機構運動不確定，平行四邊形機構可能變成反平行四邊形機構。,雙搖桿機構，也有死點位置，在實際設計中常采用限制擺桿的角度來避免死點位置。,死點位置的克服辦法,例：縫紉機借助于帶輪的慣性通過死點。,（1）利用飛輪慣性來克服死點位置,蒸汽機車車輪聯(lián)動機構，左右車輪兩組曲柄滑塊機構中，曲柄AB與AB位置錯開90。,（2）利用機構錯位排列法來克服死點位置。,2、死點位置在機構中的作用,鉆床工件夾緊機構,飛機起落架機構,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,平面四桿機構具有周轉副可能存在曲柄。,b(d a)+ 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,1.平面四桿機構有曲柄的條件,d- a,設a<d,且連架桿a能整周回轉，則必有兩次與機架共線, a+ c b + d,若設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,B”,東莞理工學院專用,（2）連架桿或機架之一為最短桿。,可知：當滿足桿長條件時，其最短桿參與構成的轉動副都是周轉副。,曲柄存在的條件：,（1）最長桿與最短桿的長度之和應其他兩桿長度之和,此時，鉸鏈A為周轉副。,若取BC為機架，則結論相同，可知鉸鏈B也是周轉副。,稱為桿長條件。,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,（1）當滿足桿長條件時，說明存在周轉副，當選擇不同的構件作為機架時，可得不同的機構。如： 曲柄搖桿1 、曲柄搖桿2 、雙曲柄、 雙搖桿機構。,分析說明（判斷機構類型的步驟）,（2）當不滿足桿長條件時，無周轉副，此時無論取哪一桿件為機架，均為雙搖桿機構。,最短桿為連架桿,最短桿為機架,最短桿為連桿,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,2. 急回運動與行程速比系數(shù),在曲柄搖桿機構中，當曲柄與連桿兩次共線時，搖桿位于兩個極限位置，簡稱極位(extreme position)。,(1) 當曲柄以逆時針轉過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 3D,180,此兩處曲柄之間的夾角 稱為極位夾角(crack angle between extreme positions)。 搖桿之間的夾角稱為 擺角（C1DC2）,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,(2) 當曲柄以繼續(xù)轉過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,搖桿的這種特性稱為急回運動(quick-return motion)。,稱K為行程速比系數(shù)(advance-to return-time ratio)。,2)且越大，K值越大，急回性質越明顯。,說明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回運動。,3)設計新機械時，往往先給定K值，于是:,B2,東莞理工學院專用,曲柄滑塊機構（偏置）的急回特性,急回特性應用：節(jié)省返程時間，如牛頭刨、往復式輸送機等。,180,180-,導桿機構的急回特性,180,180-,思考題： 對心曲柄滑塊機構的急回特性如何？,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,當BCD90時， BCD,3.壓力角和傳動角,(1)壓力角(pressure angle)： 從動件驅動力F與力作用點絕對速度之間所夾銳角。,設計時要求:min40- 50,(3)min出現(xiàn)的位置：,當BCD90時，,180- BCD,切向分力: F= Fcos,法向分力: F”= Fcos, F,對傳動有利。,= Fsin (+ =90),可以證明：此位置一定是：曲柄與機架兩次共線位置之一。,(2)傳動角(transmission angle) 可用的大小來表示機構傳力性能的好壞。,當BCD最小或最大時，都有可能出現(xiàn)min,(Vc),東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,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, 則,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),(4)機構的傳動角一般在運動鏈最終一個從動件上度量。,minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共線),東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,4.機構的死點位置,(1)定義 搖桿為主動件，且連桿與曲柄兩次共線時，有：,此時機構不能運動.,(2)避免措施： 兩組機構錯開排列，如火車輪機構;,稱此位置為：,“死點” (dead point),0,靠飛輪的慣性（如內燃機、縫紉機等）。,0,0,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,鉆孔夾具,飛機起落架,(3)利用死點進行工作：飛機起落架、鉆夾具等。,東莞理工學院專用,作者：潘存云教授,四.鉸鏈四桿機構的運動連續(xù)性,(1) 定義：指連桿機構能否連續(xù)實現(xiàn)給定的各個位置。,(2) 名詞：可行域：搖桿的運動范圍。,不可行域：搖桿不能達到的區(qū)域。,錯位不連續(xù)：設計時不能要求從一個可行域跳過不可行域進入另 一個可行域。,錯序不連續(xù)：右圖，要求連桿依次占據(jù)B1C1、B2C2、B3C3，則只有當曲柄AB逆時針轉動才是可能的，而當AB順時針轉動，則不能滿足預期的次序要求，稱這種不連續(xù)問題為錯序不連續(xù)。,錯序不連續(xù),(3) 設計連桿機構時，應滿足運動連續(xù)性條件。,