第三讲-平面连杆机构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机械设计基础,*,机械设计基础,何俊 冯鉴 范志勇,西南交通大学机械工程系,平面连杆机构,第三章,机械设计基础,第三章 平面连杆机构,3.1,概述,3.2,四杆机构的基本形式及其演化,3.3,四杆机构的工作特性,3.4,平面四杆机构的设计,机械设计基础,第一节 概述,一、连杆机构,Linkages,用低副连接的机构,1,2,3,A,B,C,4,机架,连杆,coupler,连架杆,A,1,B,2,C,3,D,4,四杆机构,*,four-bar linkage mechanism,五杆机构,六杆机构,二、连杆机构的类型,空间连杆机构、平面连杆机构,机械设计基础,第一节 概述,优点：,缺点：,1.,能够实现多种运动形式的转换，也可以实现各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹，容易满足生产中各种动作要求；,2.,构件间接触面上的比压小、易润滑、磨损轻、适用于传递较大载荷的场合；,3.,机构中运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度。,1.,只能近似地满足给定的运动规律和轨迹要求，且设计比较复杂；,2.,运动构件产生的惯性力难以平衡，高速时会引起较大的振动，因此常用于速度较低的场合。,机械设计基础,三、连杆机构的传动特点,四、学科研究现状, 运动副易加工，承载能力大，易润滑，不易磨损；, 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；,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。,第一节 概述,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,一、平面四杆机构的组成要素,铰链四杆机构,four-bar mech,结构特点：四个运动副均为转动副,铰链四杆机构的组成,AD,：（固定构件）机架,A,1,B,2,C,3,D,4,AB,、,CD,：,连架杆,曲柄：能做整周回转的连架杆（狭义曲柄）,摇杆：只能在一定范围内摆动连架杆,BC,：连杆,运动副,周转副：组成转动副的两构件,能整周相对转动,摆转副：组成转动副的两构件不能作整周相对转动,平面四杆机构的基本型式,:,基本型式,铰链四杆机构,，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释：,曲柄,作整周定轴回转的构件,；,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；,周转副,能作,360,0,相对回转的运动副；,摆转副,只能作有限角度摆动的运动副,。,曲柄,连杆,摇杆,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,二、四杆机构的功能,靠连架杆实现给定的运动规律（或传动函数）,传动机构,靠非连架杆实现给定的刚体位置和刚体上点的轨迹,导引机构,机械设计基础,三、四杆机构的基本形式,运动变换：转动,摆动,结构特点：构件,1,为曲柄，构件,3,为摇杆,应用实例：雷达天线机构、,缝纫机脚踏板机构,、,输送机构,等,雷达天线机构,A,1,B,2,C,3,D,4,缝纫机踏扳机构,曲柄摇杆机构,Crank-rocker Mechanism,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,2,、,双曲柄机构,double crank mechanism,振动筛机构,结构特点：二连架杆均为曲柄,应用实例：惯性振动筛,运动变换：转动,转动,通常二转速不相等,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,特例,1,：平行四边形机构,平行四边形机构,运动不确定问题,特点：二曲柄等速,应用,1,火车牵引机构,应用,2,自动搬运车货物搬运机构,（叉车）,应用,3,装载机,Solution:1,、,在从动曲柄上加飞轮。,2,、,错位排列,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,特例,2,：,反平行四边形机构,车门开闭机构,特点：二曲柄转向相反,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,结构特点：二连架杆均为摇杆,3.,双摇杆机构,double rocker mechanism,应用实例：,1,、,铸造用大型造型机的翻箱机构,运动变换：摆动,摆动,实例动画,2,、,翻台机构,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,汽车前轮转向机构,应用实例：,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,特例,等腰梯形机构,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,四、四杆机构的演化型式,1,、改变运动副的尺寸,对心式曲柄滑块机构,1,B,2,4,A,C,3,h=2l,AB,偏心轮机构,eccentric mechanism,4,C,2,3,1,B,A,B,副扩大,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,3,D,3,D,r,1,B,2,C,3,4,A,D,1,B,2,C,4,A,铰链四杆机构,曲线导轨曲柄滑块机构,变,3,构件形状,r, ,e, 0,1,B,2,4,A,C,3,1,B,2,4,A,C,3,e,对心式曲柄滑块机构,slider-crank mechanism,偏置式曲柄滑块机构,offset S-C,2,、,改变构件形状和运动尺寸,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,3,、选不同构件作机架,机构倒置,A,4,1,A,4,曲柄滑块机构,1,B,2,C,3,2,作机架,3,B,2,C,曲柄摇块机构,液压作动筒,车箱举升机构,动画,机械设计基础,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,1,B,A,2,1,B,A,2,A,A,4,1,B,2,C,3,曲柄滑块机构,1,B,2,4,C,3,直动滑杆机构,prismatic guide mech,.,C,4,1,B,A,2,1,B,A,2,1,B,A,2,3,手动唧筒机构,3,作机架,应用,机械设计基础,C,2,3,4,A,4,1,B,2,C,3,曲柄滑块机构,作机架,A,4,1,B,2,C,3,导杆机构,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,转动导杆机构,whitworth mech.,l,BC, l,AB,，,导杆,AC,整周转动,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,C,2,3,4,A,B,1,2,3,C,4,l,BC, l,AB,，,导杆,AC,摆动,摆动导杆机构,crank shaper mech.,A,B,1,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,机械设计基础,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,4,A,B,3,2,1,B,3,2,1,B,4,A,3,2,正弦机构,4,A,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,B,3,2,1,作机架,1,双转块机构,double slider mech.,十字滑块联轴器,半联轴器,4,十字滑块,3,半联轴器,2,应用：,缝纫机刺布机构,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,机械设计基础,1,4,A,D,2,3,作机架,双摇杆机构,3,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,2,4,A,1,B,3,2,正弦机构,3,作机架,双滑块机构,曲柄摇杆机构,4,A,D,1,2,3,4,A,D,1,2,3,1,作机架,双曲柄机构,4,A,D,2,3,作机架,曲柄摇杆机构,椭圆规,实例,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,机械设计基础,4,、运动副元素的逆换,2,3,C,4,A,B,1,2,3,C,4,A,B,1,3, 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：,1,.,改变构件形状和运动尺寸；,2,.,改变运动副的尺寸；,3,.,选不同构件作机架；,4,.,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。,第二节 四杆机构的基本形式及其演化,机械设计基础,第三节 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,、,广义曲柄定义,2,、狭义,曲柄定义,机构中能对相连的构件作周转的构件（曲柄不一定是连架杆）,能做整周回转的连架杆,实例：摇头风扇,机械设计基础,3,、狭义,曲柄存在条件,C,B,C”,B”,A,B,C,D,a,b,c,d,设,ad,B,过,B,:,B,过,B,:,a+d,b+c,即,a+b,d+c,b,(d-a)+c,或,c,(d-a)+b,即,a+c,d+b,得：,a,b,a,c,a,d,即,a,最短,；,设,d t,2, v,2, v,1,急回特性,行程速比系数,K,advance-to,return-time ratio,急回特性的应用例插床的主运动机构,慢,快,K=1,无急回特性,牛头刨工作要求,5,、,急回特性,quick-return characteristics,或,！,实物动画,第三节 四杆机构的工作特性,运动特性,机械设计基础,第三节 四杆机构的工作特性,运动特性,3,B,C,2,1,C,1,C,2,3,B,C,2,1,3,B,2,1,C,2,3,B,1,C,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,2,C,3,B,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,3,B,C,2,3,B,2,1,C,2,C,3,B,1,3,B,C,2,1,1,3,B,C,2,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,3,B,C,2,1,B,2,1,3,C,2,3,B,1,C,3,B,C,2,4,A,D,C,2,C,1,3,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,r,max,= l,AB,+ l,BC,r,min,= l,BC,- l,AB,r,max,r,min,6,、,运动连续性,continuity of motion,机械设计基础,1,、,传动角,和压力角,pressure/transmission angle,衡量机构传力性能好坏的标准：,输出同样的功率，机构运动副中传递的力（运动副的反力）应当最小；,当不计构件质量和运动副摩擦时，用传动角,来衡量。,”,”,C,B,C”,B”,A,B,C,D,a,b,c,d,作用在从动件,CD,上受力点,C,的力为,P,。,P,正交分解为,P,t,和,P,n,，,压力角,：,输出,件的受力方向与受力点的速度方向的所夹的锐角。,P,t,=Pcos, = Psin P,n,=Psin = Pcos ,传动角,：,输出件的受力方向与受力点到其转动中心连线所夹的锐角。,+,=90,第三节 四杆机构的工作特性,传力特性,机械设计基础,第三节 四杆机构的工作特性,传力特性,机构的传力性能要求：,min,min,可能出现的位置：曲柄与机架共线。,重叠共线时：,拉直共线时：,或,对偏置曲柄滑块机构：,max,min,a,B,b,A,C,e,b),b,min,1,机械设计基础,max,min,a,B,b,A,C,e,b),a,B,b,A,C,a),A,b,b,min,min,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.,d),a,C,A,B,b, ,0,0,;, 90,0,.,e),e), ,0,0,;, 90,0,.,第三节 四杆机构的工作特性,传力特性,机械设计基础,2,、死点,dead point,死点：机构运动时出现传动角,=0,0,的位置。在此处，主动件不能驱动机构。,B,1,C,1,B,2,C,2,4,A,B,C,D,2,3,1,=0,0,=0,0,B,A,C,B,1,C,=0,0,C,2,B,2,=0,0,克服死点的措施,利用惯性力,相同机构错位排列,G,G,E,F,E,F,蒸汽机车车轮联动机构,第三节 四杆机构的工作特性,传力特性,机械设计基础,1,、,飞机起落架机构,=0,0,2,、折叠家具机构,=0,0,死点的利用,实体动画,3,、,夹具夹紧机构,第三节 四杆机构的工作特性,传力特性,机械设计基础,第四节 四杆机构的设计,按行程速比系数,K,设计,1,、工程要求,：设计满足给定的行程速比系数,K,的四杆机构,，,给定摇杆长，从动件行程,2,、要点,：掌握极位夹角及其与,K,的关系,3,、思路,：,A, C,1, C,2,三点所在圆和,角之关系。,90,0-,4,、问题,A C,1, AC,2, AB, BC,长度,关系。,AC,1,=BC-AB,AC,2,=BC+AB,AB=(AC,2,-AC,1,),2,根据条件，只有,D,C,1,C,2,确定，,A,点待定。如何确定,A,点,?,B,1,C,1,1,B,2,C,2,4,A,B,C,D,2,3,1,o,A,机械设计基础,r=B,2,C,2,r=EF,90,0-,5,、作图方法,B,2,C,2,o,已知,：,L,CD, K,。,求,：,曲柄摇杆机构其它三杆长,度,L,AB, L,BC, L,AD,。,比例尺,C,1,D,A,E,F,B,C,未知杆长,l,AB,= AB,u,l,mm,l,BC,= BC,u,l,mm,l,AD,= AD,u,l,mm,6,、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,AC,1,C,2,求解,。,第四节 四杆机构的设计,按行程速比系数,K,设计,机械设计基础,第四节 四杆机构的设计,按两连架杆的位置设计,1,、 工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置。,即，已知机架长,l,AD,和两,连架杆对应位置，设,计四杆机构（求其,它三杆长）问题。,2,、 方法：反转法,A,B,C,D,A,B,C,D,转化机构，使,DC,成为,机架，成为刚体导引。,倒置,1,2,3,1,2,3,-,12,-,13,B,3,b,3,B,2,b,2,B,1,b,1,e,3,C,3,e,2,e,1,C,2,C,1,A,D,3,、 设计思路,先自定一动铰,链,B,或连架杆,AB,的长度。,已知二固定铰,链和一个活动,铰链,B,，求另,一活动铰链,C,。,机械设计基础,第四节 四杆机构的设计,按两连架杆的位置设计,d,B,1,B,2,B,3,C,1,A,D,B,2,B,3,b,12,b,23,1,2,3,1,2,3,a,4,、 图解法,机械设计基础,未知杆长,l,BC,=,l,B,1,C,1,m,l,CD,=,l,C,1,D m,问题讨论,给定,AB,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,;,四组对应位置问题干杆,AB,不能任意给定。,注意问题 二连架杆的实际转向与反转方向。,第四节 四杆机构的设计,按两连架杆的位置设计,机械设计基础,第四节 四杆机构的设计,刚体位置导引设计,B,2,B,1,C,2,C,1,D,A,B,3,C,3,P,3,3,e,3,e,2,2,P,2,e,1,1,P,1, 用类似的方法定出定铰链,D,。,思考：,1,、当只给定刚体的两个位置时，情况如何？,2,、当给定的刚体位置多于三个时，情况如何？, 连接,AB,3,、,DC,3,，得四杆机构,AB,3,C,3,D,。, 在刚体的角位置标线上任取一点,e,i,；, 在刚体平面的第三个位置上自定一个动铰链,B,3,，由,e,2,P,2,B,2,e,1,P,1,B,1,找出,B,；同理可找出,B,1,，则定铰链,A,在,B,3,B,2,和,B,2,B,1,的中垂线的交点处；,机械设计基础,The End,