机械原理教育中心版

昆明理工大学 现代教育技术中心,关于我们,进入学习,机械原理CAI课件V1.0Beta,Read Me,使用指南,20002003Copyright KUST All rights reserved,2,课件使用说明,下一页,3,课件使用说明,课件中除每章目录页上不设 “上一页”和“下一页”的按钮外，其 它页面上均设置有，请教师授课时务必使用翻页按钮。,本课件为课间休息配置了Midi音乐。课间休息时，教师可以返 回到课件总目录播放音乐。播放时请点击小喇叭后完整播放； 听完一首后，再点击下一首播放。播放中如遇上课时间到，则 直接点击“返回目录”键返回目录有关内容继续授课。,上一页,返回首页,策 划 制 作,机 械 原 理 课 程 目 录,第一章：绪论,第三章：平面机构的运动分析,第十章：平面机构的平衡,第八章：机械中的摩擦和机械效率,第六章：齿轮机构及其设计,第四章：平面连杆机构及其设计,第二章：平面机构的结构分析,第五章：凸轮机构及其设计,第七章：轮系及其设计,第九章：机械的运转及其速度 波动的调节,返回首页,主要参考文献,课间音乐欣赏,6,课 间 音 乐,雾里看花,请点击 小喇叭播放,祝 福,泰坦尼克,来身缘,月亮代表我的心,同一首歌,红河谷,祈祷,爱情故事,南泥湾,甜蜜蜜,海韵,北国之春,千千阙歌,容易受伤的女人,萍聚,风中有朵雨作的云,返回目录,天使让我如此伤心Mp3,Mp3-2,Mp3-3,Mp3-4,Mp3-5,Mp3-6,Mp3-7, 本课程研究的对象和内容, 学习本课程的目的, 学习方法, 机械原理学科发展现状, 本课程研究的对象和内容,一研究对象：机械(Machinery) 机器和机构的总称。,机器(Machine) ：能代替人类劳动，做有益的机械功，或转换 机械能的装置。,原动机：将其它能量转换为机械能的机器。,工作机：用机械能变换或传递能量、物料、信息的机器。,特性：1）代替人类劳动，做有益功，或转换机械能； 2）人为的构件组合体； 3）各构件间具有确定的相对运动。,8,机构(Mechanism) ：人为的构件组合系统，各构件间具有确定的相 对运动。 特性：机器特性之2）、3）。 分类：平面机构，空间机构。,平面机构：各构件运动平面相互平行。,空间机构：各构件运动平面不相互平行。,绪 论,第一章,9,二研究内容：机械分析和设计的基础理论和方法。,1. 机构的结构分析与运动分析； 2. 常用机构设计方法； 3. 机械动力学分析；,零件(Part) ：零件是制造加工的单元，任何机器都是有许多零件配合组合而成。,构件(Link)：构件是参与运动的单元。有时一个零件就是一个构件，作为独立的 运动单元体参与运动。有些零件由于结构和工艺上的需要，与其它零件刚性地联 接在一起，作为一个整体参与运动， 成为一个构件。如内燃机中，曲柄既是一 个零件，同时也是一个构件。,机构的组成：(Constitution Of Mechanism),机械手,电力装置,控制器 （计算机）,液压站,10,11,一、为学习机械性质的专业课程打好基础,12, 学习本课程的目的,课程地位：机械类专业必修的重要技术基础课。,先修课程,后续课程,二、为设计使用机械和机械设备的交易提供必要的知识基础。创造新 的机械，挖潜现有设备的潜力，了解机械设备的性能。,三、培养综合考虑问题的能力 。,一、注意课程性质和地位,13, 学习方法,机械类专业必修的重要技术基础课。,较数学物理力学等先修课程更加结合工程实际； 只研究各种机械共性的基本理论问题。,二、着重点,搞清基本概念； 理解基本原理； 掌握基本方法（机构分析和综合的各种方法）； 注意联系实际。,三、注意培养自己运用所学理论和方法解决工程实际问题的能力。,具有工程观念； 养成综合分析全面考虑问题的习惯； 科学的态度； 一丝不苟的作风。,一、机械工业发展趋势,14, 机械原理学科发展现状,速度范围大，高者数倍于音速，低者以微米级微移。 重载； 高精度 高效率 低噪音； 体积范围大，大者庞然大物，小者用纳米技术加工；,二、机械原理学科研究方向,三、研究内容,自控机构； 机器人机构； 仿生机构； 柔性机构； 机电气液综合机构。,单纯考虑运动性能到同时考虑动力性能； 刚性到挠性； 单自由度到多自由度； 平面到空间； 单一机构到组合机构。,15,四、研究方法,图解到解析。 手工计算到计算机辅助设计； 优化；,五本课程研究内容,常用平面机构。 最基本原理和方法；,学习要求,听课。 作业：统一纸张，按时完成； 考试及成绩评定。,16,本 章 习 题,平面机构的结构分析,Structural Analysis of Planar Mechanisms,第二章,机构结构分析的内容及目的,机构的组成,机构运动简图,机构具有确定运动的条件,平面机构的自由度,平面机构的组成原理结构分类及结构分析,一主要内容,机构的组成及其具有确定运动的条件,机构的结构分类,机械原理的基本任务之一是对机构进行运动及动力分析。结构分类 后对同一类机构用相似的方法进行分析。,机构组成原理,研究构件组成机构时的规律； 按组成原理对机构进行结构分类。,二研究目的,机构的组成和确定运动条件是综合新机构的前提,为新机构的创造提供途径,为机构的运动分析和动力分析提供方便,为设计新的机械时确定运动方案提供机构运动简图的工具,1 机构结构分析的内容及目的,2 机构的组成,零件 Components,一构件 Members / links,机器的制造单元,构件,机器的运动单元,从制造角度：机器零件,从运动角度：机器构件,二运动副 Kinematic pairs,构件间的可动联接,运动副元素 Elements,两个构件参与接触而构成运动副的点线面,自由度 Freedoms,独立运动的参变数（确定构件位置需要的独立参变量的数目）,曲轴,连杆体,连杆盖,螺纹紧固件,约束 Constraints,对独立运动的限制,运动副的类型,按运动副引入的约束数：,IIIIIIVV级副,按两构件的接触情况：,低副 Lower pairs：面接触的运动副。,转动副回转副 Revolute(turning) pairs铰链 Pivots, Pin joints 移动副 Prismatic pair /Sliding pair 螺旋副 Helical pairs 球面副 Spheric pairs,高副 Higher Pairs：点线接触的运动副。,按两构件的相对运动情况：,按运动副允许的两构件之相对运动为平面运动或空间运动：,平面运动副 Planar pairs 空间运动副 Spatial pairs,1,2,2,2,2,1,1,1,1,2,2,2,2,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,1,1,1,2,2,2,2,1,运动副符号,17,18,三运动链 ( Kinematic chains),用运动副将构件连接而成的相对可动的系统。,四机构 Mechanisms,原动件,机架,机 架 Frame / Fixed link：相对静止的构件。,原动件 Driver / driving link：按给定的已知运动规律独立运动的构件。,从动件 Followers / driven link：运动取决于原动件和其余活动构件。,平面机构 Planar mechanism：各构件的运动平面相互平行的机构。,空间机构 Spatial mechanism,构件的组合； 构件间用运动副相连； 各构件间具有确定的相对运动； 构件中有机架原动件从动件。,3 机构运动简图,一机构运动简图的作用,二影响机构运动的因素,原动件的运动规律； 构件数； 运动副数及类型； 机构的运动尺寸；,三机构运动简图,包含内容：,构件数； 各构件的作用（机架原动件中间传动构件运动输出构件）； 构件间的连接关系（运动副数及类型）； 机构的运动尺寸（确定各运动副相对位置的尺寸）；,根据机构运动尺寸，用国标规定的符号表示运动副，用国标规定 的符号和简单线条表示构件，按一定比例绘的表示机构运动情况的简图，,Kinematic scheme,五机构运动简图的绘制,确定原动件中间传动件运动输出构件？ 搞清原动件的运动如何经过中间传动件传递到运动输出构件？ 多少构件？ 各构件间构成何种运动副？（注意微动部分） 选择投影面，确定原动件某一位置，绘机构示意图； 测量运动尺寸； 定比例尺，绘机构运动简图。,绘制路线：原动件中间传动件最终从动件（输出构件） 观察重点：各构件间构成的运动副类型； 良好习惯：各种运动副和构件用规定的符号表达。 误 区：构件外形。,四机构示意图,六常用机构运动简图符号及构件表示方法,电 机,带 传 动,机构运动简图符号,外啮合圆柱齿轮机构,内啮合圆柱齿轮机构,机构运动简图符号(续二),链 传 动,齿 轮 齿 条 传 动,圆 锥 齿 轮 传 动,圆 柱 蜗 杆 蜗 轮 传 动,机构运动简图符号(续三),凸 轮 机 构,棘 轮 机 构,杆轴 类构件,固定 构件,见GB4460-84,构件表示方法（续）,同一 构件,两 副 构 件,三 副 构 件,机构运动简图绘制练习。 据模型； 据结构示意图。,4 机构具有确定运动的条件,A,D,铰链四杆机构，给定1个独立运动 参数，其余构件的运动完全确定。,一运动确定性分析,A,E,4,铰链五杆机构，给定2个独立运动 参数，其余构件的运动完全确定。,二机构自由度,使机构具有确定运动所必须给定的独立运动参变数。,三机构具有确定运动的条件,机构原动件数机构自由度。,5 平面机构自由度的计算,一平面运动构件的自由度,与其它构件未连之前：3,用运动副与其它构件连接后， 运动副引入约束，原自由度 减少。,二平面运动副引入的约束,结论：低副引入2个约束； 平面高副引入1个约束。,一平面机构自由度计算公式 Mobility equation,设：可动构件数：n 低副数： pl 高副数： ph,未连接前总自由度：,3n,连接后引入的总约束数：,2pl+ph,机构自由度F：,F=3n - (2pl + ph),例：,F=3n - (2pl + ph),F=3n - (2pl + ph),=33 - (2 4+0)=1,=34 - (2 5+0)=2,F=3n - (2pl + ph),=32 - (2 3+0)=0,F=3n - (2pl + ph),=33 - (2 5+0)=-1,30,F=3n - (2pl + ph),=33 - (2 4+0)=1,F=3n - (2pl + ph),=32 - (2 2+1)=1,F=3n - (2pl + ph),=34 - (2 5+1)=1,F=3n - (2pl + ph),=33 - (2 3+1)=2,?,6 平面机构自由度计算应注意的问题,一正确计算运动副数,复合铰链 multiple pin joints /compound hinges 两个以上构件在同一处铰接。,1,2,3,A,1,2,3,F=3n - (2pl + ph) =？,37-(2 10+0)=1,n= pl =,二构件只构成一个运动副,二构件多处接触构成 移动副，且移动方向 平行；,二构件多处配合构成 转动副，且转动轴线 重合；,二构件多处接触构成 平面高副，且接触点 相对位置不变，实为 转动副；,实为转动副,实为移动副,二构件多处接触构成 平面高副，且接触点 公法线互相平行，实 为移动副；,其它情况的多点高副接触；,三 除去局部自由度 passive degree of freedom,构件的局部运动， 不影响其它构件 的运动，其自由度 为局部自由度F。,F=3n - (2pl + ph),=33 - (2 3+1)-1=1,1,2,3,-F,四 除去虚约束 redundant(passive) constraint,有些运动副引入的 约束，实际上不起 约束作用，这样的 约束为虚约束p。,E,F,1,2,3,4,5,虚杆！1杆2低副， 引入个虚约束。 P=2pl-3n,F=3n - (2pl + ph ),=34 - (2 6+0-1)=1,- p),F=3n - (2pl + ph ),=33 - (2 4+0)=1,F=3n - (2pl + ph ),=34 - (2 6+0)=0,?,常见虚约束：,1) 二构件上轨迹重合点 用转动副连接，引入 虚约束；,2) 机构运动过程中二构件 上两点距离不变，用双 转动副杆连接该两点， 引入虚约束；,F=3n - (2pl + ph ),=34 - (2 6+0-1)=1,- p),F=3n - (2pl + ph ),=34 - (2 6+0-1)=1,- p),3) 对机构运动无约束 作用的对称重复部 分引入虚约束。,F=3n - (2pl + ph ),=33- (2 3+2)=1,F=3n - (2pl + ph ),F=35- (2 5+6-2)=1,- p),重复部分：构件数 n=2; 低副数 pl=2; 高副数 ph=4;,p=2 pl + ph -3 n =2 2+4-3 2=2,注意虚约束的特定条件，若特定 条件不满足，虚约束变实约束。,p=2 pl + ph -3 n,=2 5+0-3 3=1,五机构自由度计算步骤,确定活动构件数 n;,确定运动副数 plph;,确定局部自由度 F;,确定虚约束 p;,按下式计算自由度： F=3n-(2 pl+ph-p)-F,p=2 pl+ph-3n,例：图示机构需几个原动件 才能具有确定运动？,解：机构自由度：,n= pl= ph= F= p=,10;,14;,1;,1;,22-3=1;,F=3n-(2 pl+ph-p)-F,则，该机构需要个原动件。,=3 10-(2 14+1-1)-1 =1,6 平面机构的组成原理结构分类及结构分析,一平面机构的组成原理,1. 基本杆组（阿苏尔杆组）,？ 机构确定运动条件,基本杆组 F=0,将从动件系统从机架和原动件拆出。,设平面低副机构，n个活动构件， pl个低副，必有,3n-2pl=0 或,n的取值：2, 4, 6.,杆组类型,双杆组（II级杆组） n=2, pl=3；,内副(B)与外副(A,C),2. 机构组成原理,机构由基本杆组联接于原动件和机架上而构成。,多杆组（III级杆组） n=4, pl=6；,内副B,C,E; 外副A,D,F。,二 平面机构的结构分类,II级机构：只含II级杆组的机构； III级机构：含有III级杆组的机构。,三 机构的结构分析,任务：把机构分解为机架及原动件若干基本杆组； 要点：机架和原动件开始, 能拆则拆，至不可拆为止； 优先拆II级杆组，不能出现单杆从动件； 同一构件或运动副，不能在两处出现。,例题分析：计算图示冲压机构自由度，并分析在下列情况下组成机构的 基本杆组及机构的级别：1) 1构件为原动件；2) 6构件为原动件 。,解：1. 机构自由度,F=3n-(2pl+ph-p)-F,=39-2 13=1,2. 机构结构分析,当构件为 原动件时,该机构为 II级机构。,当构件6为 原动件时,该机构为 III级机构。,本章基本要求,1. 掌握基本概念,2. 正确绘制机构运动简图,3. 正确计算机构自由度,4. 根据机构组成原理正确进行机构的结构分析,本 章 作 业,平面机构的运动分析,第三章,研究机构运动分析的目的和方法,速度瞬心法及其在机构速度分析上的运用,用相对运动图解法作机构的运动分析,用解析法作机构的运动分析,1 研究机构运动分析的目的和方法,一机构运动分析的任务,二机构运动分析的目的,根据原动件的运动规律和机构运动尺寸，求其它构件的角位移 角速度角加速度及某些点的位移轨迹速度加速度。,通过位置分析：,确定构件所占运动空间； 判断各构件是否相互干涉； 确定从动件的行程； 考查构件上某些点能否到达预期位置或实现预期轨迹；,通过速度分析：,考查从动件的速度变化能否满足工作要求； 已知功率了解机构的受力；,三机构运动分析的方法主要有相对运动图解法、解析法两种,通过加速度分析：,确定各构件和构件上某些点的加速度变化规律，以确定惯性力。,一、针对的工程问题,2 速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用,主从动件 之速度关系,二、速度瞬心及其求法,1. 速度瞬心：互作平面运动的二构件上瞬时速度 相等的重合点。,2. 机构瞬心数目,组成机构的构件数,3. 瞬心的确定,显瞬心(直接用运动副相联的二构件之瞬心),P12在nn线上某点,纯滚动,滚滑,转动副,移动副,平面高副,49,隐含的瞬心（不直接相联的二构件之瞬心）,三心定理：互作平面平行运动的三构件共有三个瞬心，且三瞬心共线。,证明：瞬心数目 N=3(3-1)/2=3,反证p23在p1p13连线上：,p12,p13,则vC2vC3，不是23构件之瞬心p23, p23必在p1p13上。,设p23在p1p13之外点，,三、瞬心法作机构的速度分析,显瞬心 p12, p23, p34, p14;,p12,p23,p34,p14,隐含的瞬心 p13, p24,要点：,取含1、3构件的三构件组 两次确定p13。,1-2-3构件组：,1-3-4构件组：,同理得p24,例1. 已知铰链四杆机构各杆的长度。求机构的传动比 i=2/4。,解：1. 求瞬心p24,2. 由Vp2=Vp4得,解：1. 求瞬心p13.,p14,p12,p23,2. vp1 = vp3,例2. 已知曲柄滑块机构各杆 的长度，1。 求滑块速度v3。,例3. 已知齿轮或摆动从动件凸轮机构尺 寸及位置。求机构的传动比 i12。,解：1. 求瞬心p12,2.,p23,p13,解：1. 求瞬心p12,p13,2. Vp1 = vp2,例4: 已知直动从动件凸轮机构 的尺寸位置及1；求从 动件速度v2.,3 用相对运动图解法作机构运动分析,一、针对的工程问题示例,已知机构尺寸 及原动件运动， 求从动件的运动 （构件的角运动 及某些点的运动）,二相关理论依据及在工程上的两类具体化问题,1. 力学问题：牵连运动为平动时点的 速度加速度关系,2. 力学问题：牵连运动为转动时点的 速度加速度关系,工程问题：同一构件上两点之速度 加速度关系,工程问题：移动副相连的两构件上 的重合点之速度加速 度关系,C,(C1, C2),A,B,极点p,三矢量方程图解法作机构的运动分析,例1：已知lABlBClBElCElCD2； 求：,解：,1. 作机构运动简图,2. 速度分析,大小： 方向：,？,CD,lAB 2,AB,？,BC,比例尺,矢量图,？,lAB 2,AB,？,BE,？,？,CD,？,CE,？,vE3=vE5= pel,影像原理,3 =vEBlBE=be llBE,转向：如图示,4 =vClCD=pc llCD,？,EF,pe,？,/xx,vE6= pe6l,6 =5= vE6lEF=pe6 llEF,3. 加速度分析,CD,？,CD,BA,CB,？,CB,加速度比例尺,b,c,EF,？,EF,pe,/xx,25vE6E5,xx向右,？,k,e6,n6,要求,1. 正确绘制机构运动简图；,2. 适当确定比例尺，严格按比例作图；,3. 应注意的几个问题,角速度和角加速度方向的判定；,速度和加速度各作一个矢量图；,科氏加速度方向的判定;,同一矢量的分量应画在一起。,每个矢量方程可解2个未知数；,极点出发为绝对速度或绝对加速度； 其它矢量为相对速度或相对加速度。,两种问题正确归类,b,c,e(e3, e5),e6,三矢量方程图解法作机构的运动分析,例1：已知lABlBClBElCElCD2； 求：,解：,1. 作机构运动简图,2. 速度分析,大小： 方向：,？,CD,lAB 2,AB,？,BC,比例尺,矢量图,？,lAB 2,AB,？,BE,？,？,CD,？,CE,？,b,c,e(e3, e5),vE3=vE5= pel,影像原理,3 =vEBlBE=be llBE,转向：如图示,4 =vClCD=pc llCD,例1分解页1,极点p,？,EF,pe,？,/xx,e6,vE6= pe6l,6 =5= vE6lEF=pe6 llEF,转向如图示。,例1分解页2,3. 加速度分析,CD,？,CD,BA,CB,？,CB,加速度比例尺,EF,？,EF,pe,/xx,25vE6E5,xx向右,？,b,c,k,e6,n6,例1分解页3,要求,1. 正确绘制机构运动简图；,2. 适当确定比例尺，严格按比例作图；,3. 应注意的几个问题,角速度和角加速度方向的判定；,速度和加速度各作一个矢量图；,科氏加速度方向的判定;,同一矢量的分量应画在一起。,每个矢量方程可解2个未知数；,极点出发为绝对速度或绝对加速度； 其它矢量为相对速度或相对加速度。,两种问题正确归类,例2: 已知摇动筛机构(III级)各构件尺寸 lABlBClCD lEDlCE lEF lDG 2； 进行机构的速度分析。,解题要点：,C,D,E三铰链的运动；,3构件上的两C,B的 速度关系：,？,lAB 2,AB,？,BC,？,三未知数不能求解。,用速度瞬心法求 的方向。为此确定p14;,？其它两点速度求法。,？如何进行加速度分析。,问题讨论：,4 用解析法作机构运动分析,一机构组成,II级机构的组成：原动件(单杆构件)若干II级杆组(双杆组)，连接于机架。,基本单元：单杆构件和双杆组均视为平面机构的基本单元。,二平面机构运动分析的基本单元,1. 角运动已知的构件,输入:,输出：,2. 可变杆长二杆组,输入:,输出：,3. 两点运动已知的构件,4. 输入导杆,输入：,输出：,输入：,输出：,5. 三点共线导杆,6. 摆动导杆,输入：,输出：,输入：,输出：,7. 偏置导杆,输入：,输出：,解：,1. 结构分析,2. 编写子程序,3. 编写主程序调用子程序， 输出待求参数。,单杆偏置导杆,本 章 作 业,平面连杆机构及其设计,平面连杆机构及其传动特点,平面四杆机构的类型和应用,平面四杆机构的的工作特性,平面四杆机构的设计,第四章,1 连杆机构及其传动特点,一、连杆机构 Linkages,用低副连接的机构。,机架,连杆 coupler,所有构件统称为杆 link。,空间连杆机构、平面连杆机构,二、连杆机构的类型,三、连杆机构传动特点,运动副易加工，承载能力大，易润滑，不易磨损；,运动规律多样化；,原动件运动不变，改变构件尺寸可得到不同的运动；,连杆上点的运动轨迹多样化；,运动副累积误差大，效率低；,惯性力难以平衡，不宜用于高速；,准确设计难；,四、学科研究现状,单自由度多自由度；,四杆多杆；,运动学设计运动学+动力学设计；,优化设计+计算机辅助设计；,平面连杆机构+空间连杆机构；,2 平面四杆机构的类型和应用,一、平面四杆机构的基本型式铰链四杆机构 four-bar mech.,1. 曲柄摇杆机构 Crank-rocker Mechanism,周转副、摆转副,结构特点：四个运动副均为转动副,结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆。,运动变换：转动摇动,搅拌器机构,雷达天线机构,2. 双曲柄机构 double crank mechanism,结构特点：二连架杆均为曲柄,运动变换：转动转动 通常二转速不相等,振动筛机构,平行四边形机构,平行四边形机构 运动不确定问题,反平行四边形机构,车门开闭机构,特殊机构,特点：二曲柄等速,特点：二曲柄转向相反,3. 双摇杆机构 double rocker mechanism,结构特点：二连架杆均为摇杆,运动变换：摆动摆动,鹤式起重机,汽车前轮转向机构,特殊机构,基本型 铰链四杆机构： 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 平行四边形机构 反平行四边形机构 双摇杆机构 等腰梯形机构,等腰梯形机构,二、平面四杆机构的演化型式,1. 改变构件形状和运动尺寸,铰链四杆机构,曲线导轨曲柄滑块机构,变3构件形状,e 0,偏置式曲柄滑块机构 offset S-C,对心式曲柄滑块机构 slider-crank mechanism,变2,3构件形状,正弦机构 sine generator / scotch yoke,s=lABsin,2. 改变运动副的尺寸,对心式曲柄滑块机构,偏心轮机构 eccentric mechanism,1,B,B副扩大,3. 选不同构件作机架机构倒置,曲柄滑块机构,2作机架,曲柄摇块机构,液压作动筒,车箱举升机构,A,曲柄滑块机构,4,C,3,直动滑杆机构 prismatic guide mech.,C,4,手动唧筒机构,曲柄滑块机构,作机架,导杆机构,回转导杆机构 whitworth mech.,lBC lAB， 导杆AC整周转动,lBC lAB， 导杆AC摆动,摆动导杆机构 crank shaper mech.,正弦机构,双转块机构 double slider mech.,十字滑块联轴器,正弦机构,3 作机架,双滑块机构,曲柄摇杆机构,. 运动副元素的逆换,3, 4包容 关系互换,摆动导杆机构,曲柄摇块机构,四杆机构的演化： 改变构件形状和运动尺寸； 改变运动副的尺寸； 选不同构件作机架； 运动副元素逆换。,不同类型的四杆机构，其 传递和变换运动的特点不同， 传递和变换力的特性不同。正 确选择平面四杆机构的类型， 可以达到不同的运动和力的传 递和变换的要求。,3 平面四杆机构的工作特性,不同的四杆机构具有不同的运动特性和传力特性； 同一种四杆机构，不同的运动尺寸具有不同的运动和传力特性。,一运动特性,1. 曲柄存在条件,设ad,B过B:,B过B”:,a+db+c,得：ab, ac, ad, 即a最短；,设da，得,d a, d b, d c, 即d最短；,结论：,1. 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和；,2. 机架和两连架杆中必有最短杆。,d+ba+c,d+ab+c,d+ca+b,格拉霍夫定理,问题讨论,下列机构的曲柄存在条件,a b,a b+e,a b-e,?,牛头刨工作要求,2. 急回特性 quick-return characteristics,极位夹角 crank angle between extreme positions,1 = C,1 = 1 t1 =1800 + ,2 = 1 t2 =1800 - ,t1 t2 , v2 v1,急回特性,行程速比系数K advance-to return-time ratio,急回特性的应用例。,K=1, 无急回特性,问题讨论：下列机构有无急回特性，若有，标出极位夹角。,0,C1,C2,3. 运动连续性 continuity of motion,C2,C1,可行域,可行域,非可行域,非可行域,从动件运动可行域及非可行域,从动件运动连续性要求,不可能在非 可行域 运动；,不可能从 一个可行 域跃入另 一个可行 域。,可行域与 杆长有关,可行域的确定,rmax = lAB + lBC rmin = lBC - lAB,二传力特性,1. 压力角和传动角 pressure/ transmission angle,不计惯性力重力 摩擦力，作用在从 动件CD上受力点C 的力为P。,P正交分解为Pt 和Pn，,Pt =Pcos = Psin Pn =Psin = Pcos ,压力角： 从动件受力点受力方向与 绝对速度方向所夹之锐角。,传动角 900 - ,传力要求 min 400。,出现位置： 曲柄与机架共线。,重叠共线时：,拉直共线时：,或,问题讨论：标出下列机构在图示位置的压力角传动及最小传动角min., 00; 900., 00; 900.,2. 死点 dead point,死点：机构运动时出现传动角 =00 的位置。,克服死点的措施,利用惯性力,相同机构错位排列,蒸汽机车车轮联动机构,死点的利用,折叠家具机构,飞机起落架机构,小结,三平面连杆机构的功能,1. 实现有轨迹位置或运动规律要求的运动,圆轨迹复制机构,AMF保龄球置瓶机扫瓶机构,2. 实现从动件运动形式及运动特性的改变,步进式工件传送机构,3. 实现较远距离的传动,4. 调节扩大从动件行程,特点：调节 可改变滑块D的行程,汽车用空气泵机构,特点：曲辆CD短，滑块行程大,可变行程滑块机构,5. 获得较大的机械增益：输出力（矩）与输入力（矩）之比。,肘节机构,特点：机械增益大,剪切机构,特点：机械增益大,4 平面四杆机构的设计,一连杆机构设计的基本问题,1. 设计任务,根据给定的运动要求，选定机构的类型；,确定各构件的尺度参数；,检验是否满足结构运动和动力条件；,如：运动副结构曲柄存在条件最小传动角运动连续性等。,2. 一般设计要求,实现预定的运动要求函数生成机构设计,车门开闭机构,如：车门开闭机构，要求两 连架杆转角相同，转向 相反。,汽车前轮转向机构，要 求两连架杆满足某种函 数关系，保证顺利转弯。,牛头刨床要求满足一定 的急回等性。,实现预定的连杆位置要求刚体导引机构设计,飞机起落架机构,要求实现机轮放下和收起两个位置。,铸造翻砂机构,要求实现两个翻转位置。,实现预定的轨迹要求轨迹生成机构设计,鹤式起重机,搅拌器机构,要求连杆上某点能 生成近似直线轨迹,要求连杆上某点按搅 拌材料生成某种轨迹,二图解法设计四杆机构设计,1. 刚体导引机构设计,1) 刚体作连杆， 选定其上二 活动铰链， 即定连杆长 lBC，定比例 尺l作图；,2) 活动铰链相 对于固定铰 链的运动轨 迹为圆；,（按连杆预定的位置设计）,3) 用三点定心 法确定二固 定铰链D,C。,4) 计算待求杆长,lAB=AB l m; lCD=CD l m; lAD=AD l m;,二位置设计， 无穷解，可添 加其它条件， 如机构尺寸 传动角大小 有无曲柄等。,问题讨论 连杆尺寸确定 后有唯一解；,四个位置设计， BC不能任意选 定。但总可以 在连杆上找到 一些点，其四 个位置在同一 圆上，涉及布 尔梅斯特理论。,2. 函数生成机构设计,（转换机架法）,工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置。,即，已知机架长lAD和两连架杆对应位置， 设计四杆机构（求其它三杆长）问题。,与刚体导引问题的比较,思路,先定一个连架 杆的长度。,倒置,已知二固定铰 链和一个活动 铰链，求另一 活动铰链，或 已知两杆长， 求另两杆长。,转化机构，使 DF成为机架， 成为刚体导引。,作图法（机构倒置反转法）,C1,比例尺,未知杆长,lBC = lB1C1 m,lCD = lC1D m,给定BC杆后只 有确定解；,两组对应位置问 题无穷多解，可 加其它条件;,四组对应位置问 问题BC不能任意 给定。,注意问题 二连架杆的实际转向 与反转方向；,问题讨论,b23,b12,B4,B3,B2,B1,B3,C1,lAB = AB ul =30.8 mm lBC = BC ul = 18.2 mm lCD = CD ul = 63.3 mm,例题 参考图8-49/P223,ul = lAD/AD = 0.00054 m/mm,AB长度确定：,B2,(B4 ),3. 按急回特性要求设计四杆机构,工程要求：设计满足给定的行程速比系数K的四杆机构,要点：掌握极位夹角及其与K的关系,思路：,A, C1, C2三点所在圆和 角之关系。,给定摇杆长 ，摆角 ，从动件行程,900- ,问题,A C1, AC2, AB, BC长度 关系。,AC1=BC-AB,AC2=BC+AB,AB=(AC2-AC1)2,o,A,作图方法,B2,o,已知：LCD, , K。,曲柄摇杆机构其它三杆长 度LAB, LBC, LAD。,比例尺,A,E,F,B,C,未知杆长,lAB = AB ul mm lBC = BC ul mm lAD = AD ul mm,问题讨论,无其它条件，有无穷多解；,有其它条件，如最小传动角 要求时，要检验最小传动角。,无穷多解为简单解析计算提 供了机会。如确定A点一个特殊位置，用AC1C2求解。,按急回特性设计曲柄滑块机构,已知：滑块行程H, 行程速比系数K,思路：,o,从动件受力点 二极限位置C1C2 与曲柄回转中心 A所在之圆。,作法同曲柄摇杆 机构,有偏距e要求时 解数受限。,按急回特性设计导杆机构,思路：,已知：机架长lAC, 行程速比系数K,特点：,4. 轨迹发生机构设计,参考材料:,各种版本机械原理 四连杆机构图谱 现代机构手册 孟宪源 机械工业出版社 1994,116,本 章 作 业,凸轮机构及其设计,Cam Mechanism and its Design,第五章,凸轮机构的组成及类型,推杆运动规律,凸轮轮廓曲线的设计,凸轮机构基本尺寸的确定,1 凸轮机构的组成和类型,一、凸轮机构的组成,三构件高副机构,凸轮 cam：具有曲线轮廓或凹槽的构件。,推杆/ 从动件 follower：运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定。,机架 frame,二、凸轮机构的类型,1. 按凸轮形状分,盘形凸轮 disk/plate cam,圆柱凸轮 cylindrical cam,移动凸轮 wedge cam,2. 按推杆的形状分,尖顶 推杆 knife-edge follower,滚子推杆 roller follower,曲面推杆 curved-shoe follower,平底推杆 flat-face follower,3. 按推杆运动形式分,直动推杆 reciprocating follower,摆动推杆 oscillating follower,4. 按推杆布置形式分,对心直动推杆 radial reciprocating follower,偏置直动推杆 offset reciprocating follower,尖顶推杆,滚子推杆,曲面推杆,平底推杆,对心推杆,偏置推杆,直动推杆,摆动推杆,凸轮机构的命名,布置形式+运动形式 +推杆形状+凸轮形状,5. 根据凸轮与推杆的接触形式分,力封闭凸轮机构,几何封闭凸轮机构,重力封闭 弹簧力封闭,等宽凸轮 constand-breath cam,等径凸轮 conjugate yoke radial cam,主回凸轮 conjugate cam,凹槽凸轮 grooved cam, 推杆的运动规律,一凸轮机构的运动过程,B,C,D,基 圆 prime circle ，基圆半径 r0;,A,推 程 rise，推程运动角0;,远休止 dwell，远休止角01 ;,回 程 return，回程运动角0 ;,近休止，近休止角02 ;,行 程 follower travel，h。,二推杆常用运动规律,1. 等速运动(一次多项式直线运动) constant velocity motion,运动方程,运动线图,冲击特性,+,刚性冲击,适用场合低速轻载,Displacement,Velocity,Acceleration,2. 等加速等减速运动(二次多项式抛物线运动) constant acceleration motion,运动方程,(00/2),(0/20),(00/2),(0/20),运动线图,冲击特性,柔性冲击,适用场合 中速轻载,位移 Displacement,速度 Velocity,加速度Acceleration,3. 简谐运动(余弦加速度运动) simple harmonic motion,运动方程,运动线图,冲击特性,柔性冲击,适用场合 中速中载,4. 摆线运动(正弦加速度运动) cycloidal motion,运动方程,运动线图,冲击特性,无冲击,适用场合 高速轻载,5. 3-4-5次多项式(五次多项式)运动 3-4-5 polynomial motion,运动方程,运动线图,冲击特性,无冲击,适用场合 高速中载,三运动规律的组合,满足工作对从动件的 特殊运动要求,避免刚性柔性冲击,尽可能降低vmax和amax,等加速等减速,改进梯形加速度 modified constant acceleration motion with sine curve,等速运动,Combination of cam curves,四选择运动规律应注意的问题,1. 当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运动规律 无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工。,低速轻载时，便于加工优先； 速度较高时，动力特性优先。,2. 当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时： 转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工； 转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动。,3. 除考虑冲击特性外，还应考虑速度加速度跃度的最大值vmax amax jmax。,vmax 直接影响从动件系统的最大动能m vmax ;,amax 直接影响从动件系统的最大惯性力m amax ;,jmax 与惯性力变化相关，直接影响从动件系统的振动和工作平稳性。,3 凸轮廓线设计,一凸轮廓线设计的基本原理,反转法：推杆复合运动=反转运动(-) +预期运动(s),Determination of Cam Profile Coordinates,1. 对心直动尖顶推杆 盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律， 凸轮逆时针方向转动。,设计凸轮廓线。,解：,1. 定比例尺l;,2. 初始位置及推杆位 移曲线；,3. 确定推杆反转运动 占据的各位置；,4. 确定推杆预期运动 占据的各位置；,5. 推杆高副元素族；,6. 推杆高副元素的包络线；,二、作图法设计凸轮廓线,2. 对心直动滚子推杆 盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律， 滚子半径rr，凸轮 逆时针方向转动。,设计凸轮廓线。,1. 定比例尺l;,2. 初始位置及推杆位 移曲线；,3. 确定推杆反转运动 占据的各位置；,4. 确定推杆预期运动 占据的各位置；,5. 推杆高副元素族；,6. 推杆高副元素的包络线；,注：两条廓线，理论实际廓线,实际廓线基圆rmin, base circle,理论廓线基圆r0, prime circle,解：,3. 对心直动平底推杆 盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律， 凸轮逆时针方向转 动.,设计凸轮廓线。,解：,1. 定比例尺l;,2. 初始位置及推杆位 移曲线；,3. 确定推杆反转运动 占据的各位置；,4. 确定推杆预期运动 占据的各位置；,5. 推杆高副元素族；,6. 推杆高副元素的包络线；,4. 偏置直动尖顶推杆 盘形凸轮机构,已知：r0，偏置圆半径e。 推杆运动规律，凸 轮逆时针方向转动。,设计凸轮廓线。,解：,1. 定比例尺l;,2. 初始位置及推杆位 移曲线；,3. 确定推杆反转运动 占据的各位置；,4. 确定推杆预期运动 占据的各位置；,5. 推杆高副元素族；,6. 推杆高副元素的包络线；,5. 摆动推杆盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律， 凸轮逆时针方向转动。,设计凸轮廓线。,1. 定比例尺l，确定 初始位置；,2. 定比例尺绘推杆 位移曲线；,3. 确定推杆反转运动 占据的各位置；,4. 确定推杆预期运动 占据的各位置；,5. 推杆高副元素族；,6. 推杆高副元素的包络线；,例：尖顶推杆盘形凸轮,解：,6. 直动推杆圆柱凸轮机构,7. 摆动推杆圆柱凸轮机构,“”: 内包络线 “”: 外包络线,三、解析法设计凸轮廓线,1. 直动滚子推杆盘形凸轮机构,理论廓线方程 B(x, y),实际廓线方程 B(x, y),与理论廓线等距，则理论廓线之 法线上取rr即为对应于B点的B点。,法线斜率（切线斜率的负倒数）：,cos, sin,刀具中心轨迹,加工刀具：数控铣床铣刀、磨床砂轮、线切割机钼丝,当刀具半径rc与滚子半径rr相等时（尽量采用），刀具中心轨迹与 理论廓线重合，工作图只注理论廓线和实际廓线坐标值。,当rc与rr不相等时，刀具中心轨迹与理论廓线不重合，工作图还需 注刀具中心轨迹坐标值。,rcrr:,理论廓线上各点为圆心，(rc-rr)为半径的圆族的外包络线；,rc rr:,理论廓线上各点为圆心，(rr-rc)为半径的圆族的内包络线；,则由,得,2. 直动平底推杆盘形凸轮机构,凸轮与推杆的相对瞬心P,推杆速度,凸轮工作廓线坐标 B(x, y),3. 摆动滚子推杆盘形凸轮机构,凸轮工作廓线方程 B(x, y),各种凸轮机构均有 x=x() y=y() 按10150步长给出凸轮廓 线上各点的x, y坐标。,4 凸轮机构基本尺寸的确定,一压力角及其许用值pressure angle,1. 压力角与作用力的关系,越大，F”越大，其引起的摩擦力 越大，乃至发生自锁。越小越好。,2. 压力角与机构尺寸的关系,3. 许用压力角,推程：直动=300, 摆动=450; 回程：受力小，无自锁问题，为限制加速度， =700800,加大 可减小，改善机构传力性能。但机构尺寸变大,二移动推杆盘形凸轮机构凸轮基圆半径的确定,数学方法： 机械原理教程 申永胜 清华大学出版社 1999.8,工程方法：诺模图 Nomogram 常用运动规律r0与max之关系。,只满足最大压力角要求，不保证结构和强度要求。,三从动件偏置方向的选择,正偏距，推程压力角较小， 回程压力角较大；,压力角超过许用压力角，结构又 受限制时，可用偏置从动件以减 小升程压力角（以增加回程压力 角为代价）。,负偏距，反之。,正偏距 顺左 or 逆右,负偏距 顺右 or 逆左,平底推杆时，对压力角无影响。,a= -rr0,四滚子半径的选择,a= +rr,rr,a= -rr0, = rr,1. 外包络,理论廓线最小 曲率半径0， 实际廓线平滑。,2. 内包络,rr，a0，即， 实际廓线为平滑曲线。,rr，a0,即实 际廓线变尖。,rr，a0，则过 度切割，运动失真。,a= -rr0, rr,3. 滚子半径的选择,保证amin = min -rr a =35 mm,满足结构和强度要求,rr 不足时，加大rr ， 同时加大 r0,理论廓线上点的坐标 x=x(), y=y(),通常，取滚子半径rT=（0.10.5）r0,五平底推杆凸轮机构运动失真现象的避免,r0 越小，越易 出现过度切割 而发生运动失 真。,加大r0,六平底推杆平底尺寸的确定,作图法设计凸轮廓线时,解析法设计凸轮廓线时,比较确定lmax,本 章 作 业,齿轮机构及其设计,Gears,第六章, 齿轮机构的应用及分类, 齿廓啮合基本定律, 渐开线齿廓, 渐开线齿廓的啮合特性, 渐开线标准齿轮各部分的名称和尺寸, 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动, 渐开线齿廓的切制, 渐开线变位齿轮概述, 变位齿轮传动, 斜齿圆柱齿轮传动, 蜗杆传动, 圆锥齿轮传动, 齿轮机构的应用与分类,根据传动比：,定传动比齿轮机构（圆形齿轮机构） 变传动比齿轮机构（非圆齿轮机构）,根据二齿轮运动平面是否平行：,平面齿轮机构 空间齿轮机构,一平面齿轮机构 ( 二轴平行),1. 直齿圆柱齿轮机构 spur gears,外啮合传动 external gear mesh 内啮合传动 internal gear mesh 齿轮齿条传动 pinion and rack,外啮合传动 二轮转向相反,内啮合传动 二轮转向相同,齿轮齿条传动 转动移动,内齿圈 ring gear,外齿轮 external gear,齿条 rack,外齿轮 external gear,2. 斜齿圆柱齿轮机构 helical gears,外啮合传动 内啮合传动 齿轮齿条传动,斜齿圆柱齿轮传动,3. 人字齿轮传动 herringbone gears,人字齿轮传动,二空间齿轮机构,1. 圆锥齿轮传动 bevel gears,斜齿圆锥齿轮传动,曲齿圆锥齿轮传动,直齿圆锥齿轮传动,二轴相交,2. 交错轴斜齿轮传动 （螺旋齿轮传动） crossed helical gears,交错轴斜齿轮传动,蜗杆传动,3. 蜗杆传动 worm gearing,二轴交错,二轴交错，通常交900,2 齿廓啮合基本定律,