机械原理与设计之平面连杆机构

第2章 平面连杆机构,21 铰链四杆机构的基本型式和特性,22 铰链四杆机构有整转副的条件,23 铰链四杆机构的演化,24 平面四杆机构的设计,自用盘编号JJ321002,应用实例：,内燃机、鹤式吊、火车轮、急回冲床、牛头刨床、翻箱机、椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车等。,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。,21 铰链四杆机构的基本型式和特性,自用盘编号JJ321002,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：,四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍四杆机构。,自用盘编号JJ321002,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；,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。,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,自用盘编号JJ321002,A,B,C,1,2,4,3,D,A,B,D,C,1,2,4,3,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,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,曲柄主动,缝纫机踏板机构,应用实例：如,叶片泵,、,惯性筛,等。,2,1,4,3,摇杆主动,3,1,2,4,自用盘编号JJ321002,A,D,C,B,1,2,3,4,旋转式叶片泵,A,D,C,B,1,2,3,A,B,D,C,1,2,3,4,E,6,惯性筛机构,3,1,自用盘编号JJ321002,A,B,C,D,耕地,料斗,D,C,A,B,耕地,料斗,D,C,A,B,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,AB=CD,特征：两连架杆等长且平行，,连杆作平动,BC=AD,A,B,D,C,摄影平台,A,D,B,C,B,C,天平,播种机料斗机构,自用盘编号JJ321002,反平行四边形机构,-车门开闭机构,反向,F,A,E,D,G,B,C,A,B,E,F,D,C,G,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。,自用盘编号JJ321002,A,B,D,C,E,（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,B,C,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,电机,A,B,D,C,E,A,B,D,C,E,电机,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,电机,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,A,B,D,C,自用盘编号JJ321002,A,B,C,D,B,1,C,1,A,D,1.急回运动,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。,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从,C,1,D,位置,摆到,C,2,D。,所花时间为,t,1,平均速度为,V,1,那么有：,曲柄摇杆机构,3D,此两处曲柄之间的夹角,称为极位夹角。,180,C,2,B,2,自用盘编号JJ321002,B,1,C,1,A,D,C,2,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从,C,2,D,置摆到,C,1,D,，所花时间为,t,2,平均速度为,V,2,那么有：,180-,因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。,显然：,t,1,t,2,V,2,V,1,摇杆的这种特性称为急回运动。,用以下比值表示急回程度,称K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 K,1,所以可通过分析机构中是否存在,以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,自用盘编号JJ321002,F,F,F”,当BCD90时，,BCD,2,.压力角和传动角,压力角,：,从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,A,B,C,D,设计时要求:,min,50,min,出现的位置：,当BCD90时，,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,F,对传动有利,。,=Fsin,称,为传动角,。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,C,D,B,A,F,可用,的大小来表示机构传动力性能的好坏,F”,F,当BCD最小或最大时，都有可能出现,min,为了保证机构良好的传力性能,自用盘编号JJ321002,C,1,B,1,a,b,c,d,D,A,车门,由余弦定律有：,B,1,C,1,Darccosb,2,+c,2,-(d-a),2,/2bc,B,2,C,2,Darccosb,2,+c,2,-(d+a),2,/2bc,假设B,1,C,1,D90,则,假设B,2,C,2,D90,则,1,B,1,C,1,D,2,180-B,2,C,2,D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,v,1,min,B,1,C,1,D,180-B,2,C,2,D,min,C,2,B,2,2,F,自用盘编号JJ321002,F,3,.机构的死点位置,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.,防止措施：,两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,F,A,E,D,G,B,C,A,B,E,F,D,C,G,0,F,0,自用盘编号JJ321002,工件,A,B,C,D,1,2,3,4,P,A,B,C,D,1,2,3,4,工件,P,钻孔夹具,=0,T,A,B,D,C,飞机起落架,A,B,C,D,=0,F,也可以利用死点进行工作,：飞机,起落架、钻夹具等。,自用盘编号JJ321002,l,1,l,2,l,4,l,3,C,B,A,D,平面,四杆机构,具有,整转副可能存在,曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l,2,(,l,4,l,1,)+,l,3,则由,BCD,可得：,三角形任意两边之和大于第三边,则由,B”C”D,可得：,l,1,+,l,4,l,2,+,l,3,l,3,(,l,4,l,1,)+,l,2,AB,为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和,22 铰链四杆机构有整转副的条件,l,1,+,l,2,l,3,+,l,4,C”,l,1,l,2,l,4,l,3,A,D,l,4,-,l,1,将以上三式两两相加的：,l,1,l,2,l,1,l,3,l,1,l,4,l,1,+,l,3,l,2,+,l,4,自用盘编号JJ321002,2.,连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。,曲柄存在的条件：,1.,最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链,A,为整转副。,假设取,BC,为机架，则结论相同，可知铰链,B,也是整转副。,称为杆长条件。,A,B,C,D,l,1,l,2,l,3,l,4,自用盘编号JJ321002,当满足杆长条件时，说明存在整转副，中选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：,曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆机构。,自用盘编号JJ321002,(1)改变构件的形状和运动尺寸,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,s,=l sin,l,23 铰链四杆机构的演化,自用盘编号JJ321002,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,导杆机构,摆动导杆机构,转动导杆机构,3,1,4,A,2,B,C,曲柄滑块机构,3,1,4,A,2,B,C,自用盘编号JJ321002,牛头刨床,应用实例:,A,B,D,C,1,2,4,3,C,2,C,1,小型刨床,A,B,D,C,E,1,2,3,4,5,6,自用盘编号JJ321002,应用实例,B,2,3,4,C,1,A,自卸卡车举升机构,(3)选不同的构件为机架,A,C,B,1,2,3,4,应用实例,B,3,4,C,1,A,2,应用实例,4,A,1,B,2,3,C,应用实例,1,3,C,4,A,B,2,应用实例,A,1,C,2,3,4,B,导杆机构,3,1,4,A,2,B,C,曲柄滑块机构,3,1,4,A,2,B,C,摇块机构,3,1,4,A,2,B,C,自用盘编号JJ321002,(3)选不同的构件为机架,3,1,4,A,2,B,C,直动滑杆机构,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,B,C,3,2,1,4,A,导杆机构,3,1,4,A,2,B,C,曲柄滑块机构,3,1,4,A,2,B,C,摇块机构,3,1,4,A,2,B,C,A,B,C,3,2,1,4,自用盘编号JJ321002,椭圆仪机构,例：选择双滑块机构中的不同构件,作为机架可得不同的机构,1,2,3,4,正弦机构,3,2,1,4,自用盘编号JJ321002,24 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)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、,运动副结构合理等）;,b)动力条件（如,min,）;,c)运动连续性条件等。,自用盘编号JJ321002,飞机起落架,A,D,C,B,B,C,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。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数,y=logx,x,y=logx,A,B,C,D,自用盘编号JJ321002,三类设计要求：,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。,前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动,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,B,C,A,B,D,C,自用盘编号JJ321002,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,Q,Q,A,B,C,D,E,C,B,A,D,E,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。,自用盘编号JJ321002,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定,min,）,设计方法：图解法、解析法、实验法,自用盘编号JJ321002,E,一、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C,2,P,C,1,C,2,，作C,1,P使,作P,C,1,C,2,的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为,l,1,，连杆为,l,2,，则:,以A为圆心，A,C,2,为半径作弧交于E,得：,l,1,=EC,1,/2,l,2,=A,C,1,EC,1,/2,A,C,2,=,l,2,-,l,1,=,l,1,=(,A,C,1,A,C,2,)/2,C,2,C,1,P=90,交于,P;,90-,P,A,C,1,=,l,1,+,l,2,C,1,C,2,D,A,自用盘编号JJ321002,m,n,=,D,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)。,=,A,d,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此