曲柄摇杆机构、四杆机构设计、第三章凸轮.ppt

一、曲柄摇杆机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆，一为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。,通常曲柄为原动件，并作匀速转动；而摇杆为从动件，作变速往复摆动。,曲柄摇杆机构的主要特性： 急回运动,曲柄摇杆机构中，曲柄AB在转动一周中，在B1、B2两次与连杆BC共线，相应铰链中心 A与C之间的距离AC1和AC2分别为最短和最长，摇杆CD的位置,C1D和C2D分别为其左右极限位置。摇杆在两极限位置间的夹角，,称为摇杆的摆角。,当曲柄由位置 AB1 顺时针转到位置AB2 时，曲柄转角 180，,这时摇杆由左极限位置C1D 摆到位置右极限位置C2D，摆杆角度为；而当曲柄顺时针再转过角度 180时，摇杆由位置C2D摆回至位置C1D，其摆角仍然是 。,虽然摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角不等( )；当曲柄匀速转动时，对应的时间也不等 （t 1 t 2）。,令摇杆自ClD摆至C2D为工作行程，这时铰链的平均速度是 v1=C1C2 tl 。,摇杆自C2D摆回至C1D是其空回行程，这时点的平均速度是v2=C1C2 t2，显然v1 v2 ，,它表明摇杆具有急回运动的特性。牛头刨床、往复式输送机等机械就利用这种急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。,急回运动特性可用行程速度变化系数（也称行程速比系数）K 表示。,v2 C1C2/t2 t1 180 K （2-1） v1 C1C2/t1 t2 180, 摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角，称为极位夹角。,K 值越大，急回特性愈明显。一般机械中，1K2。,将式（2-1）整理，可得极位夹角计算公式,K 180 （2-2） K,2. 压力角和传动角,和构件的惯性力(矩)及重力，则通过二力杆BC 作用于从动件CD上的力沿BC 方向，把力分解为沿C 点速度vC 方向的分力F和垂直于vC 的分力F,原动件受到驱动力矩Md作用，若不计运动副的摩擦,它们的大小与角度或有关，即,有效分力 FFcosFsin， 有害分力 FFsinFcos 。,因此， F越小越好，即角度越小（或越大）对机构的工作越有利。,称为压力角，称为传动角，二者互为余角，90 。,压力角的定义是：不计摩擦、重力与惯性力时，输出构件所受主动力F 的方向与输出构件在受力点处的速度方向之间所夹的锐角。,由于传动角在简图中非常直观，所以平面连杆机构习惯于用传动角来表示机构的传动性能。机构工作时，其传动角是作周期变化的。,一般许用值=4050。 重载大功率时取大值。,1 为保证机构的传力性能良好，应使最小传动角min 。,曲柄摇杆机构中，最小传动角min 总是发生于曲柄与机架共线和重叠共线的两位置之一，如图所示。 (具体证明见P30页),3. 死点位置,曲柄摇杆机构中，若摇杆为主动件，当从动件与连杆共线时，机构的传动角为零，此时不论驱动力F有多大, 其有效分力 ,机构的这种位置称为机构的死点位置。,死点位置对传动不利，但对夹紧和防松有利。如图铰链四杆机构，当工件5 被夹紧时，铰链中心B、 C、D共线，工件加在杆上的反作用力Fn无论多大，也不能使杆3转动。这就保证在去掉外力F 之后,仍能可靠地夹紧工件。当需要取出工件时，只需向上扳动手柄，即能松开夹具。,二、双曲柄机构,两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。,双曲柄机构功能：,原动曲柄转动（匀速）从动曲柄转动（非匀速或匀速）,双曲柄机构中，最常用的是平行四边形机构，或称平行双曲柄机构。,三、双摇杆机构,两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。,原动摇杆摆动 从动摇杆摆动,2-2 铰链四杆机构有整转副的条件,整转副定义:两构件能相对转动3600的转动副。铰链四杆机构中曲柄具有整转副。,曲柄摇杆机构在什麽条件具有整转副?,已知：杆曲柄，杆连杆， 杆摇杆，杆机架。 各杆长度为l1、l2、l3、l4。,曲柄与杆的夹角 的变化范围：,当摇杆处于左右极限位置时，曲柄与连杆两次共线。此时杆与杆的夹角的变化范围也是,杆为摇杆，它与相邻两杆的夹角 、 的变化范围小于360。,显然，、为整转副，、不是整转副。,为了实现曲柄整周回转，AB杆必须顺利通过与连杆共线的两个位置AB和AB。,当杆处于AB 位置时，形成三角形 。根据三角形任意两边之和必大于(极限情况下等于)第三边的定理可得,l4(l2 l1)l3 l3(l2 l1)l4,即 l1l4l2l3 （2-4） l1l3l2l4 （2-5）,当杆处于AB 位置时，形成三角形 。可得,l1 l2 l4 l3 （2-6）,将式(2-4)、(2-5)、(2-6)两两相加,即杆最短。,l1l4l2l3 （2-4） l1l3l2l4 （2-5）,l1l2l4l3 （2-6）,l1 l2,l1 l3,l1 l4,由此可得铰链四杆机构有整转副的条件是：,(1) 整转副是由最短杆与其邻边组成的;,(2) 最短杆与最长杆长度之和，应小于或等于其余两杆长度之和。否则如下图,这两个条件必须同时满足，否则机构中不存在整转副，无论取哪个构件作机架都只能得到双摇杆机构。,(1) 整转副是由最短杆与其邻边组成的;,另外，具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还应根据选择何杆为机架来判断。,(1) 取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，故得双曲柄机构。,(2) 取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整转副，故得曲柄摇杆机构。,(3) 取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，故得双摇杆机构。,曲柄摇杆机构，铰链中心的轨迹是以为圆心，以l3为半径的圆弧mn。若l3增至无穷大, 则如图b所示，C点轨迹变成直线。于是摇杆演化为直线运动的滑块，转动副演化为移动副，机构演化为如图所示的曲柄滑块机构。,2-3 铰链四杆机构的演化,一、曲柄滑块机构,二、导杆机构,导杆机构是改变曲柄滑块机构中的固定构,件而演化来的。如图a 所示的曲柄滑块机构，若改取杆1为固定构件，即得图b 所示导杆机构。杆4 称为导杆。滑块相对导杆滑动并一起绕点转动。通常取杆为原动件。,传动角始终等于90。具有很好的传力性能，故常用于牛头刨床、插床和回转式油泵之中。,导杆机构的的特点：,若杆为固定构件，可得图c所示摆动滑块机构，或称摇块机构。,三、摇块机构和定块机构,如图，当油缸中的压力油推动活塞杆运动时，车厢便绕回转副中心倾转，当达到一定角度时，物料就自动卸下。,例如自卸卡车的车厢自动翻转卸料机构就是一个摇块机构。,在图a所示曲柄滑块机构中，若取杆3为固定件，即可得图d 所示固定滑块机构或称定块机构。这种机构常用于抽水唧筒（图2-18）和抽油泵中。,四、偏心轮机构,杆为圆盘，其几何中心为，因运动时该圆盘绕偏心转动，故称偏心轮。、之间的距离称为偏心距。,按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图，如图b 所示。由图可知，偏心轮是回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心距即是曲柄的长度。,- 平面四杆机构的设计 一、平面四杆机构设计的基本问题,平面四杆机构的设计是根据工作要求（如运动要求、传力要求、空间尺寸等）和给定的条件，选定合适的机构型式和确定机构各构件的尺寸。一般，四杆机构的设计中常常碰到下面两类基本问题：,（1）给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）设计四杆机构。,（2）给定点的运动轨迹设计四杆机构。,四杆机构设计的方法有解析法、几何作图法和实验法。作图法直观，解析法精确，实验法简便。,二、给定行程速度变化系数设计四杆机构,曲柄摇杆机构,已知条件：摇杆长度l3，摆角，行程速度变化系数。,设计的实质是确定铰链中心点的位置和其他三杆的尺寸 l1、 l2 和 l4 。,设计步骤：,(1) 按公式 计算出极位夹角。,(2) 任选固定铰链中心的位置，由摇杆长度 l和摆角，作出摇杆两个极限位置C1D和C2。,(3) 连接C和C，并作CM垂直于CC。,(4) 作C1C2N90，,C2N与C1M相交于点，由图可见，C1PC2,(5) 作PC1C2的外接圆，在此圆周上（C1C2圆弧和EF圆弧除外） 任取一点作为曲柄的固定铰链中心。,A,(5) 作PC1C2的外接圆，在此圆周上（C1C2圆弧和EF圆弧除外） 任取一点作为曲柄的固定铰链中心。连AC和AC，因同一圆弧的圆周角相等，所以,CAC CPC 。,(6) 因极限位置处曲柄与连杆共线，,故 AC1 l2 l1、 AC2l2 l1， 从而得曲柄长度：,l1=(AC2 AC1)2。,再以为圆心以l为半径作圆，交C1A的延线于B，交C 2A于B，,即得 B1C1= B2C2= l 及 AD= l4 。,由于点是 C1PC2 外接圆上任选的点，所以仅按行程速度变化系数设计，可得无穷多的解。,由于点位置不同，机构传动角的大小也不同。因此设计时应按照最小传动角最优或其他辅助条件来确定点的位置。,三、按给定连杆位置设计四杆机构,翻台振实式造型机的翻转机构，用一个铰链四杆机构来实现翻台的、两个工作位置。位置，砂箱7与翻台8固联，在振实台9上振实造型。然后压力油推动活塞6，通过连杆5使摇杆4摆动，将翻台与砂箱翻转到位置。托台10上升接触砂,箱，解除砂箱与翻台间的紧固联接并起模。,给定了连杆3的长度 l3=BC 及其两个位置 BlCl 和B2C2，,确定连架杆与机架组成的固定铰链中心A和D的位置，并求出其余三杆的长度 l1、l2 和 l4 。,由于连杆上B、C两点的轨迹分别为以、D 为圆心的圆弧，所以、D必分别位于B1B2和ClC2的垂直平分线上。具体设计步骤：,(1) 根据给定条件，绘出连杆的两个位置B1C1和B2C2。,(3) 由于A和D两点可在 b12和 c12两直线上任意选取，有无穷多解。实际设计时应考虑其他辅助条件，例如最小传动角、各杆尺寸所允许的范围或其他结构上的要求。,(2) 分别连接B1和B2、C1和 C2，并作B1B2、ClC2的垂直平分线 b12、c12。,本机构要求A、D两点在同一水平线上，且ADBC。根据这一附加条件，即可唯一地确定、的位置，并作出所求的四杆机构AB1C1D。,若给定连杆三个位置，四杆机构的设计过程与上述基本相同。如图 ，由于B1、B2、B3三点位于以A 为圆心的同一圆弧上，故运用已知三点求圆心的方法，作Bl B2和B2B3,的垂直平分线，其交点就是固定铰链中心A。同样，作C1C2和C2C3的垂直平分线，其交点便是另一固定铰链中心。ABlClD即为所求四杆机构。,第3章 凸轮机构,3-1 凸轮机构的工作原理和组成,第3章 凸轮机构,3-1 凸轮机构的工作原理和组成,内燃机配气凸轮机构：凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。,凸轮机构的基本构件是凸轮、从动件和机架。,优点：适当设计凸轮轮廓曲线, 可使从动件实现各种预期的运动规律,且机构简单紧凑。,缺点: 凸轮轮廓与从动件之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构常用于运动复杂而载荷不大的场合。,3-2 从动件的常用运动规律,凸轮机构的从动件的运动规律与凸轮廓线之间有着相互关系。,设计凸轮机构时，是先根据工作要求确定从动件的运动规律，再按这一运动规律设计凸轮轮廓线。,一、凸轮的基本概念,1. 基圆rmin （ ro ）:,以凸轮轮廓的最小半径rmin 为半径所画的圆。 rmin称为基圆半径。,. 推程： 凸轮以1等角速顺时针方向回转t时，从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定运动规律由离回转中心最近位置A到达最远位置B，这个过程称为推程。,3. 升程：推程中从动件走过的距离称为从动件的升程。,4. 推程运动角t :,与推程对应的凸轮转角 。,5. 远休止角s ：,当凸轮继续回转s 时。以点为中心的圆弧BC与尖顶相作用，从动件,在最远位置停留不动，s 称为远休止角。,5. 远休止角s ：,当凸轮继续回转s 时。以点为中心的圆弧BC与尖顶相作用，从动件,在最远位置停留不动，s 称为远休止角。,6. 回程：,凸轮继续回转h时，从动件在弹簧力或重力作用下，以一定运动规律回到起始位置，这个过程称为回程。,7. 回程运动 角h ：与回程对应的凸轮转角 。,8. 近休止角s:,凸轮继续回转s时，以O点为中心的圆弧DA与尖顶相作用，从动件在最近位置停留不动，称为近休止角。,当凸轮连续回转时，从动件重复作往复运,9. 从动件位移线图,运动。在直角坐标系中表示从动件位移 s2 和凸轮转角1 （或时间t）之间的函数关系和曲线图。这个关系曲线称为从动件位移线图。,二、从动件常用运动规律,从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状，即从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。从动件常用运动规律有：,等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律、摆线运动规律。,1. 等速运动规律,由于凸轮匀速转动时, l 为常数， 故1 1 t 推程里:t 1。,将这些关系代入上式便可得出以凸轮转角1和转速 1表示的从动件运动方程：,同理，回程时可得从动件运动方程:,等速运动的缺点：,运动开始时v = 0v0(突变)，故a2 ；,运动终止时v = v00(突变)， a2 ,惯性力会引起刚性冲击。因此、这种运动规律不宜单独使用。在运动开始和终止段需用其他运动规律过渡。,2. 等加速等减速运动规律,运动的前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动。,已知前半行程作等加速运动，经过的运动时间是T2，对应的凸轮转角是t /2。将这些参数代入位移方程,故,对上式作两次积分，并令10时，v2 0，s2 0，可得到前半行程的运动方程：,可得：,（推程等加速段） ( 3-3 ) （ 1 2）,由上式可看出从动件的位移s2与凸轮转角1 的平方成正比，所以从动件位移曲线为抛物线。,（推程等减速段） （3-4）,（回程等加速段） （3-5）,同理可推出等减速等加速运动方程。,（回程等减速段） ( 3-6 ),等加速等减速运动可以避免产生等速运动那样的刚性冲击。但仍然会产生柔性冲击。如图 c 在、三点处加速度有限值的突变，产生了有限惯性力的突变，结果将引起所谓柔性冲击。所以等加速等减速运动规律只适用于中速凸轮机构。,3简谐运动规律,从加速度线图可见，从动件在行程的始点和终点有柔性冲击。如果加速度曲线能保持连续，图c 虚线所示，这种运动规律就能避免冲击。,点在圆周上作匀速运动时，点在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。简谐运动曲线又称余弦曲线。,（推程段） ( 3-7 ) （ 1 ）,简谐运动的运动方程：,（回程段） ( 3-8 ) （ 1 2）,4摆线运动规律,摆线运动规律也称为正弦运动规律。其最大特点是在推程的运动过程中既无刚性冲击又无柔性冲击。从图中的曲线可以看到这一点。 摆线运动方程如下：,（推程段） ( 3-7-1 ) （ 1 ）,（回程段） ( 3-8-1 ) （ 1 2）,从动杆常用运动及其特性比较,定块机构,导杆机构,摇块机构,v3,