机械设计基础第2章平面连杆机构比赛.ppt

机械设计基础 武汉理工大学 物流工程系 工业工程研究所 罗齐汉 2004年 3月 Foundation of Machine Design 第 2章 平面连杆机构 铰链四杆机构 铰链四杆机构的演变 平面四杆机构的设计 3 2021年 1月 23日星期六 平面连杆机构的特点 平面连杆机构 是构件全部由平 面低副连接而构成的机构。 优点 1. 低副是面接触，因此压强小、 耐磨损。适用于载荷较大的场 合。 2. 低副的接触面通常是容易加工 的平面或圆柱面，容易获得较 高的制造精度。 3. 连杆可做得很长，可较长距离 传递运动。适合于操纵机构。 4. 低副的约束为几何约束 (靠形状 限制运动 )，无需附加约束装置。 4 2021年 1月 23日星期六 平面连杆机构的特点 缺点 1. 低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。 2. 连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。 3. 有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。 由自由度计算公式 可知，最简单的单自由度平面连杆机构是四杆机构。 四杆机构工程上应用最多，它也是构成多杆机构的基础，本章着重讨论四杆 机构。 2-1 铰链四杆机构 5 2021年 1月 23日星期六 2-1 铰链四杆机构 全部运动副都是回转副的 平面四杆机构称为 铰链四 杆机构 。 如图所示，固定杆 4称为 机 架 ，与机架相连的杆 1、 3 称为 连架杆 ，不与机架直 接连接的杆 2称为 连杆 ，作 整周回转的连架杆 1称为 曲 柄 ，作往复摆动的连架杆 3 称为 摇杆 。 2-1 铰链四杆机构 6 2021年 1月 23日星期六 铰链四杆机构曲柄存在条件 图示曲柄摇杆机构来讨论存在曲柄的 条件。图中给出了摇杆处于两极限位置时 的情况。根据三角形任意两边边长之和必 大于等于第三边边长的定理 : 2 1 2 3 4A C D l l l l 由 有： 1 3 4 2 1A C D ( )l l l l 由 有： 4 3 2 1()l l l l 234,l l l l l l 1 1 1求解得： 1 2 3 4 1 3 2 4 1 4 2 3 l l l l l l l l l l l l 2-1 铰链四杆机构 7 2021年 1月 23日星期六 铰链四杆机构曲柄存在条件 上述关系说明 ,铰链四 杆机构曲柄存在条件 ： 最短、最长杆长度之 和 另外两杆的长度之 和； 连架杆或机架是最短 杆。 其中条件 又称为 格 拉肖夫 (Grashof)判别式 2-1 铰链四杆机构 8 2021年 1月 23日星期六 铰链四杆机构的基本类型判别 1、如果满足格拉肖夫判别式 以最短杆相邻的杆作机架，得到 曲柄摇 杆机构 ； 以最短杆作机架，得到 双曲柄机构 ； 以最短杆相对的杆作机架，得到 双摇杆 机构 。 2、如果不满足格拉肖夫判别式，则无论以 哪个杆作机架，都只能得到 双摇杆机构 。 不满足： 双摇杆 机构 格拉肖夫判别式 最短杆为连架杆： 曲柄摇杆 机构 满足： 最短杆为机架： 双曲柄 机构 最短杆为连杆： 双摇杆 机构 2-1 铰链四杆机构 9 2021年 1月 23日星期六 铰链四杆机构的基本类型和特性 曲柄摇杆机构 两个连架杆中，一个是曲柄，一个 是摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动， 但也有摇杆主动的情况。应用例：缝 纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、 钢坯输送机等。 10 2021年 1月 23日星期六 雷达调整机构和缝纫机脚踏机构 2-1 铰链四杆机构 11 2021年 1月 23日星期六 复摆式腭式破碎机 2-1 铰链四杆机构 12 2021年 1月 23日星期六 钢材输送机 2-1 铰链四杆机构 13 2021年 1月 23日星期六 曲柄摇杆机构的急回特性 当曲柄匀速转动时，摇杆作 变速摆动，而且往复摆动的平均 速度是不同的。若将平均速度小 的行程作为工作行程 (正行程 )， 将平均速度大的行程作为非工作 行程 (反行程 )，那麽，我们把曲 柄摇杆机构这种正、反行程平均 速度不等的特性称为 急回特性 。 急回特性很有用，牛头刨床、往 复式运输机等机械就常常利用急 回特性来缩短非生产时间，提高 生产率。 2-1 铰链四杆机构 14 2021年 1月 23日星期六 行程速比系数 急回特性常用 行程速比系数 (摇杆反、正行程平均速度之 比 )来度量。 如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动 (顺时针为 正行程，逆时针为反行程 )。我们把摇杆处于两极限位置时 连杆对应位置所夹的锐角称为 极位夹角 ，用 表示。根据 行程速比系数的定义有： 1 8 0 1 8 0 2 1 1 21 2 21 1 2 t t t cc t cc v vK 1 118 0 K K 2-1 铰链四杆机构 15 2021年 1月 23日星期六 曲柄摇杆机构的死点 摇杆为主动件 的曲柄摇杆机构， 当曲柄 与连杆两次共线时 ，机构就会出现卡死 或运动不确定的现象。这种机构出现卡 死或运动不确定的位置点称为 死点 。 死点通常有害，应设法消除。消除方法 有： 对从动曲柄施加附加力矩。 利用构件自身或飞轮的惯性。 多组相同机构错开一定角度布置。 缝纫机脚踏板机构就存在死点。 2-1 铰链四杆机构 16 2021年 1月 23日星期六 死点的应用 如图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱 动力 P后，由于 BCD三 点共线，工件对压头 (杆 1)的反作用力不能使 杆转动，因而工件不 会松。 2-1 铰链四杆机构 17 2021年 1月 23日星期六 飞机起落架是利用死点工作的又一 个典型实例 2-1 铰链四杆机构 18 2021年 1月 23日星期六 曲柄摇杆机构的传动角 定义： 作用力和力作用点运 动线速度方向之间所夹的锐 角称为 压力角 ，常用 表示； 压力角的余角称为 传动角 ， 常用 表示。 曲柄摇杆机构的传动角随曲 柄的转动而变。传动角越大 则机械效率越高，动力传动 中一般要求传动角最小值 应 大于 40 。因此设计曲柄摇 杆机构时有必要检验 min 值。 不难看出， 对于曲柄主动的 曲柄摇杆机构，最小传动角 就是连杆和摇杆所夹的最小 锐角 。 2-1 铰链四杆机构 19 2021年 1月 23日星期六 双曲柄机构 两连架杆都作整周转动的铰链四杆机 构称为 双曲柄机构 。 通常， 主动曲柄匀 速转动，从动曲柄 变速转动。 无死点 。 2-1 铰链四杆机构 20 2021年 1月 23日星期六 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 。 2-2 铰链四杆机构的演变 21 2021年 1月 23日星期六 2-2 铰链四杆机构的演变 一、曲柄滑块机构 22 2021年 1月 23日星期六 二、 曲柄滑块机构 的演变 2-2 铰链四杆机构的演变 23 2021年 1月 23日星期六 1. 导杆 机构 导杆机构中，通常曲柄整周转动，滑块 在导杆上滑动并跟随导杆转动或摆动。由图容 易知道，若 l2 l1，则得到 转动导杆机构 ；若 l2 l1，则得到 摆动导杆机构 。 可以看出： 导杆机构的传动角始终等于 90 ，具有很 好的传力性能，因此常用于牛头刨床、插床和回 转式油泵中。 摆动导杆机构也存在急回特性 。 2-2 铰链四杆机构的演变 24 2021年 1月 23日星期六 2. 摇块机构和定块机 构 摇块机构 广泛应 用于摆缸式内燃机和 液压驱动装置中，自 卸货车就是很典型的 应用。 定块机构 常用于抽水唧筒和抽 油泵中。 2-2 铰链四杆机构的演变 25 2021年 1月 23日星期六 3、双滑块机构 将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机 构 双滑块机构。按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形 式： (1) 两移动副不相邻 。例如图 a)所示的正切机构 (其从动件 3的位移与主动 件 1转角的正切成正比 )。 (2) 两移动件相邻且其中一个与机架相连 。例如图 b的正弦机构 (从动件 3的位 移与曲柄 1转角的正弦成正比 )。 (3) 两移动件相邻但都不与机架相连 。下面所示的十字滑块机构就是这种机构。 十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的 位置误差。 (4) 两移动副相邻且都与机架相连 。下面所示的椭圆仪就是这种机构。当两个 滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。 2-2 铰链四杆机构的演变 26 2021年 1月 23日星期六 三、偏心轮机构 下图所示为两种偏心轮机构。构件为圆盘，其几何中心。因 运动时该圆盘绕轴转动，故称为偏心轮。、之间的距离 e 称为 偏心距。按照相对运动关系，可画出机构运动简图如图中红线所示。 由图可知，偏心轮是将回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心 距 e 即为曲柄的长度。 当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。 这样一方面 提高了偏心轴的强度和刚度 (因轴颈的直径增大了 )；另一 方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使 结构简化 。因此， 偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机 等机械中。 27 2021年 1月 23日星期六 2-3 铰链四杆机构的设计 四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图 的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动 力学条件 (如最小 传动角 要求 )等。 设计问题分类 1、按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为 位置设计 。 2、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为 轨迹设计 。 设计方法 图解法 简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其 设计精度低，一般用于求解初始值。 解析法 精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。 实验法 较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。 28 2021年 1月 23日星期六 一、按给定连杆位置设计四杆机构 下图为 铸造车 间振实 造型机 的翻转 机构。 它利用 一个铰 链四杆 机构来 实现翻 台的两 个工作 位置。 29 2021年 1月 23日星期六 二、按给定行程速比系数设计四杆机构 曲柄摇杆机构设计 已知条件：摇杆 长度 l3 ，摆角 和 行程速比系数 K。 设计关键是确定 铰链 A的位置，从而 确定其余三杆长 l1、 l2和 l4。 1 118 0 K K 30 2021年 1月 23日星期六 二、按给定行程速比系数设计四杆机构 摆动导杆机构设计 已知条件：机架长度 l4、行程速比系数。 由右图知，摆动导杆机构的极位夹角 等于导杆的摆角 ，需要确定的尺寸是曲柄长 度。设计步骤如下： 1）根据行程速比系数求极位夹角。 2）任选固定铰链中心 C，以夹角 作出导 杆两极限位置 cm、 cn。 3）作摆角 的角平分线，并在线上取 AC=l4 ，得铰链 A的位置。 4）过 A点作导杆极限位置的垂线 AB1(或 AB2)，得 l1=AB1。 1 118 0 K K 31 2021年 1月 23日星期六 三、给定连架杆的三对对应位置 在给定主、从动连架杆三对对应位置条件下设计铰链四杆机构时，可用 图解的反转机架法。设计一个铰链四杆机构，使其能实现左下图所示的连架 杆 AB、 CD的三对对应位置。 32 2021年 1月 23日星期六 小结