《机械原理》第三章平面连杆机构及其设计

第三章平面连杆机构及其设计§3-1平面连杆机构的特点及其设计的基本问题§3-2平面四杆机构的基本型式及其演化§3-3平面四杆机构的主要工作特征§3-4实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计§3-5实现给定运动规律的平面四杆机构运动设计§3-6实现给定运动轨迹的平面四杆机构运动设计§3-1平面连杆机构的特点及其设计的基本问题由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称为连杆机构，又称为平面低副机构。摆动导杆机构四杆机构抽油机中的连杆机构抽油机内燃机中的连杆机构内燃机缝纫机中的连杆机构缝纫机平面连杆机构的传动优点（1）、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。（2）、制造方便易获得较高的精度。（3）、两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，不需要力封闭。平面连杆机构的缺点（1）、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。（2）、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。（3）、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。平面连杆机构设计的三类基本问题1）实现构件给定位置2）实现已知运动规律3）实现已知运动轨迹平面连杆机构的运动设计方法：图解法：形象直观，但精度较低解析法：设计精度高，但不直观。低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称为低副运动的可逆性。补：低副运动的可逆性§3-2平面四杆机构的基本型式及其演化一、铰链四杆机构铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运动副均为转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。构件名称连架杆：与机架相连的构件称为连架杆。连架杆机架连架杆连杆机架：固定不动的构件称为机架。连杆：不直接与机架相连的构件称为连杆。整转副—组成转动副的两构件能作整周相对转动的运动副。摆动副—组成转动副的两构件不能相对作整周转动的运动副。能绕其轴线转360º的连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。曲柄摇杆连架杆铰链四杆机构可分为三种基本型式：1）曲柄摇杆机构：1个曲柄、1个摇杆2）双曲柄机构：2个曲柄3）双摇杆机构：2个摇杆1)、曲柄摇杆机构：若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构的应用雷达天线机构搅拌机机构2)、双曲柄机构在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。双曲柄机构双曲柄机构的应用惯性筛机构在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。a.平行四边形机构：平行四边行机构平行四边形机构的应用蒸汽机车驱动装置在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行(BC与AD)，两曲柄转向相反（AB与CD），称为反平行四边形机构。b.反平行四边形机构：反平行四边形车门开闭机构3)、双摇杆机构若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。双摇杆机构双摇杆机构的应用鹤式起重机机构鹤式起重机变化铰链四杆机构的机架(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABCD双曲柄机构(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABDC双摇杆机构(0~360°)(0~360°)(360°)1234ABCD(360°)整转副曲柄摇杆机构倒置机构：通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。二、含一个移动副的四杆机构改变相对杆长、转动副演化为移动副曲柄滑块机构C3AB124偏置曲柄滑块机构（e0)对心曲柄滑块机构(e=0)变化单移动副机构的机架曲柄滑块机构BA1234C曲柄摇块机构导杆机构定块机构曲柄摇块机构定块机构曲柄摇块机构汽车装卸机构转动导杆机构BA1234C摆动导杆机构3A124CB导杆机构转动导杆摆动导杆转动与摆动比较演示刨床机构摆动导杆机构(ABBC)转动导杆机构(ABBC)移动导杆机构（定块机构）压水井对心曲柄滑块机构变连杆为滑块正弦机构双滑块机构连杆尺寸为无穷大从动件3的位移与原动件1的转角成正比：sinABls移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来三、含两个移动副的四杆机构曲柄移动导杆机构（正弦机构）sinas联轴器双转块机构双滑块机构双滑块机构应用缝纫机针杆机构椭圆仪机构ly正切机构y=ltg◆改变运动副的尺寸偏心轮机构曲柄滑块机构当曲柄AB的尺寸较小时，由于结构需要，常将曲柄作成几何中心与回转中心不重合的圆盘，称此圆盘为偏心轮。几何中心与回转中心间的距离称为偏心距，等于曲柄长。转动副B的半径扩大超过曲柄长四、偏心轮机构偏心轮机构平面四杆机构的演化方法1、选用不同构件为机架2、改变相对杆长使转动副演化为移动副3、扩大转动副径向尺寸，使其演化为偏心轮机构一、转动副为整转副的充分必要条件a+d≤b+cb≤d-a+cc≤d+b-aadbcabcdacbda+b≤d+ca+c≤b+da≤ba≤ca≤dC2A1a4b3cdBD§3-3平面四杆机构的主要工作特征拉直共线重叠共线曲柄摇杆机构1.铰链四杆运动链中转动副为整转副的充分必要条件两构件能作相对整周转动的条件（1）此两构件中必定有一构件为最短杆构件。（2）该最短构件与机构中最长构件的长度之和小于或等于其他两构件长度之和。（杆长条件）四杆机构有曲柄的条件是：（1）各杆的长度应满足杆长条件；（2）最短杆为连架杆或机架。铰链四杆机构可以分为两大类：1、不满足杆长条件时，不管取那个构件为机架，所组成的机构都是双摇杆机构。2、满足杆长条件时，最短构件相对于与它组成转动副的构件可以作相对整周转动。（1）、取最短构件为机架时，得双曲柄机构。（2）、取最短构件的任一相邻构件为机架时，均得曲柄摇杆机构。（3）、取最短构件的对面构件为机架时，得双摇杆机构。判断：所有铰链四杆机构取不同构件为机架时，都能演化成带曲柄的机构。例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时各得什么机构？取最短杆相邻的构件为机架得曲柄摇杆机构最短杆为机架得双曲柄机构取最短杆对边为机架得双摇杆机构特殊情况：如果铰链四杆机构中两个构件长度相等且均为最短杆1、若另两个构件长度不相等，则不存在整转副。2、若另两个构件长度也相等，（1）当两最短构件相邻时，有三个整转副。（2）当两最短构件相对时，有四个整转副。例1'课后3-32.含一个移动副四杆运动链中转动副为整转副的充分必要条件（曲柄滑块有曲柄的条件）b-aeba+ebae当e=0时ba二、行程速度变化系数1.机构极位（极限位置）：曲柄回转一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别处于两个位置，称为机构极位。2.极位夹角：机构在两个极位时，原动件所处两个位置之间所夹的角θ称为极位夹角。一般K≤2，q为锐角。3.急回运动：q180121DCDCq180221DCDC1＞21t＞2t曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为急回运动。摇杆C点平均速度2v＞1v曲柄摇杆急回运动qq00212112122112180180//tttCCtCCvvK4.行程速比系数K为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量：q角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著。一般K≤2，q为锐角11-1800KKqAB2C2B1C1e21qw1曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构，没有急回运动偏置曲柄滑块机构，有急回运动对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构摆动导杆机构的急回运动ADBq=12w1有急回特性的机构：部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构无急回特性的机构：正弦机构、对心曲柄滑块机构、双曲柄四杆机构机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。注意：急回具有方向性gFtFFnvcgADBCB2C2maxB1C1min三、压力角和传动角1.机构压力角a机构从动件上力的作用线与力作用点的绝对速度之间所夹的锐角，为机构在此位置的压力角。2.传动角机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角g。g90机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。50~40ming；，，；，，gg设计时g°高速和大功率g°机构在运转过程中，传动角g随机构的位置不同而变化，为保证机构的传力效果，40mingg压力角bcadcb2)(arccos2221g)90(2)(arccos222222DCBbcadcbg曲柄摇杆机构：gmin出现在曲柄与机架共线的两位置之一。3.最小传动角的位置：)90(2)(arccos180222222DCBbcadcbg或),min(21mingggbaeggmin补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时，gmin出现的位置。beaeaxxbxarccoscosminmaxggg最小。最大时，当x四、死点位置B1C1B2C2ADBC曲柄摇杆机构：若以摇杆CD为主动件，则当连杆与曲柄共线时，机构传动角为零，这时CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件AB转动而“顶死”的现象，机构的这种位置称为死点。曲柄滑块机构的死点位置出现死点位置的条件：（1）用有极限位置的构件作原动件；（2）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。判断下列机构中有没有死点位置。传动机构中使机构通过死点的措施：措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其中一个机构处于死点位置时，另一个并列机构不处于死点位置。措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过通过死点位置。机车车轮联动机构缝纫机脚踏板机构利用死点实现特定工作要求的机构示例：工件夹紧机构飞机起落架机构机构的极位和死点位置的关系：是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；当原动件与连杆共线时为极位；当从动件与连杆共线时为死点。总结：一、机构有整转副的条件曲柄与机架共线二、行程速度变化系数机构极限位置时，曲柄与连杆共线三、压力角和传动角传动角极限值时，曲柄与机架共线四、死点位置曲柄与连杆共线ABCDc12b12a.分析几何特点：活动铰链轨迹圆上任意两点连线的垂直平分线必过回转中心(固定铰链点)b.设计C1C2B1B2b12c12A点所在线D点所在线ADB1B2C1C2§3-4实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计一、图解法1、连杆位置用动铰链中心B、C两点表示★已知连杆两位置——无穷解。要唯一解需另加条件★已知连杆三位置B2ADC2C3B3b23c23C1B1b12c23——唯一解★已知连杆四位置——无解B2C2C3B3C1B1C4B4分析图3-202.连杆位置用连杆平面上任意两点表示a.问题（已知连杆位置及固定铰链找活动铰链—采用转换机架法，把EF看做机架）b.相对运动分析站在机架上看：B点饶A点顺时针转动，C点饶D点顺时针转动。站在连杆上观察：从位置1到位置2，C2B2E1DF2E2F1AB1C1∠ABC增大，∠BCD减小，即A点饶B点顺时针转动，D点饶C点顺时针转动。(avi)(avi)连杆运动1连杆运动2E1F2E2F1B1C1B2C2ADD′A′11d′12a′12E1F2E2F1B1C1B2C2ADA′2D′2(avi)c.设计●两对应位置E1F2E2F1B1C1B2C2ADD′A′11d′12a′12E1ADE2F1F2A1′D1′B1C1C2B2●三对应位置E1ADE2F1F2C2B2F3A2′D2′E3B1C1a23′a12′d12′d23′设计步骤：1.连接E3A、F3D、E2A、F2D(或E1A、F1D）；2.刚化E3F3DA、E2F2DA(或E1F1DA)，3.并将E3F3和E2F2分别重合于E1F1，得到A3′、D3′和A2′、D2′点；5.连接AB1、DC1、B1C1、B1E1和C1F1得所需机构。4.连接AA2、A2A3、DD2和D2D3、并分别作其垂直平分线，得交点B1和C