机械设计基础第2版.ppt
机械设计基础第三章 平面连杆机构,第三章 平面连杆机构,第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化,第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几 个基本概念,第四节 平面四杆机构的设计,第一节 概述,第一节 概述,机构实例: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。,定义：由低副（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。,分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：如四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍四杆机构。,一、平面四杆机构的基本型式:,基本型式铰链四杆机构，构件间联接都是转动副。,名词解释：曲柄整周定轴回转的构件；,三种基本型式：,1、曲柄摇杆机构,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、缝纫机踏板机构等。,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；,曲柄,连杆,摇杆,第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄，1、3；,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,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,曲柄主动,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,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,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,摄影平台,天平,播种机料斗机构,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,车门开闭机构,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构、,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,风扇摇头机构、,飞机起落架,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,二、四杆机构的演化形式,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,=l sin,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,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型插床,(3)选不同的构件为机架,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,手摇唧筒,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念,铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构中是否存在曲柄和有几个曲柄。,曲柄存在的条件：,最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和。,连架杆杆与机架中必有一杆为最短杆。,1.构件和条件：,2.最短杆条件:,一、铰链四杆机构存在曲柄的条件:,作者：潘存云教授,当满足构件和条件时，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。,1.平面四杆机构的极位,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。,二、平面四杆机构的运动特性,两个极位间的夹角，称为最大摆角。,2.急回特性,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1,平均速度为V1,那么有：,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为V2,那么有：,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,设计：潘存云,180-,K称为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0，就有 K1,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,1.压力角和传动角,从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用表示。,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fsin,F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,三、平面四杆机构的传力特性,=Fcos,当 90时，,设计时要求:min50,min出现的位置：,当 90时，,180-,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,当最小或最大时，都有可能出现min,设计：潘存云,2.止点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动。,避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“止点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,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。,第四节 平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择 机构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长 度尺寸)。,设计方法：图解法、解析法、实验法,设计：潘存云,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:,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,飞机起落架、函数机构。,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,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。,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。,1、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1)曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K，设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形 腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则:,以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得：l1=EC1/2 l2=A C1EC1/2,A C2=l2-l1,l1=(A C1A C2)/2,C2C1P=90,交于P;,A C1=l1+l2,设计：潘存云,一、图解法,设计：潘存云,设计：潘存云,2)导杆机构,分析：由于与导杆摆角相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄 a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d,则:a=dsin(/2)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,3)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,设计：潘存云,2、按预定连杆位置设计四杆机构,1)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。,2)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,设计：潘存云,设计：潘存云,按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,二、实验法,设计：潘存云,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B,C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹为一条 封闭曲线。,设计目标:就是要确定一组杆长参数,使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,连杆曲线,设计：潘存云,设计：潘存云,三、解析法,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1 coc+l2 cos=l3 cos+l4,l1 sin+l2 sin=l3 sin,if(i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令：l1=1,代入移项得：l2 cos=l4 l3 cos cos,则化简为：cocP0 cos P1 cos()P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2 sin=l3 sin sin,coc1P0 cos1 P1 cos(1 1)P2,coc2P0 cos2 P1 cos(2 2)P2,coc3P0 cos3 P1 cos(3 3)P2,可求系数:P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,将相对杆长乘以任意比例系数，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,
