机械制造设计基础 第二章平面连杆机构

第二章平面连杆机学习重点:1.熟练掌握并能应用四杆机构曲柄存在条件判断是否存在曲柄及机构类型；2.理解四杆机构的行程速比系数K、急回特性、极位夹角、传动角、压力角、死点位置等概念，并能熟练通过作图确定和求出四杆机构的极限位置、极位夹角、最小传动角（或最大压力角）和死点位置。3.能综合运用按给定的行程速比系数K和连杆的位置等运动条件来熟练设计四杆机构。第二章平面连杆机构第一节概述第二节铰链四杆结构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构的基本特性第四节平面四杆机构的设计第一节概述平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构，又称为平面低副机构。由四个构件通过低副联接而成的平面连杆机构，称为四杆机构。如果所有低副均为转动副，这种四杆机构就称为铰链四杆机构。平面连杆机构的优点由于是低副，为面接触，所以承受压强小、便于润滑、磨损较轻，可承受较大载荷结构简单，加工方便，构件之间的接触是有构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求平面连杆机构的缺点根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，精度不高。运动时产生的惯性难以平衡，不适用于高速场合。1、曲柄摇杆机构在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。应用举例：牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪缝纫机脚踏板机构、自行车、走步机、送料机构一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。运动特点：根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式第二节铰链四杆机构的基本形式及其演化一、铰链四杆机构的基本形式曲柄摇杆机构应用实例搅面机曲柄摇杆机构应用实例曲柄摇杆机构应用实例缝纫机脚踏板机构曲柄摇杆机构应用实例自行车曲柄摇杆机构应用实例跑步机2.双曲柄机构—两连杆架均为曲柄的四杆机构应用举例：惯性筛、插床机构运动特点：从动曲柄变速回转惯性筛双曲柄机构应用实例插床机构双曲柄机构应用实例两曲柄的长度相等，转向相同，即平行四边形机构特点：1)两曲柄角速度相等2)连杆始终与机架平行缺点：曲柄与连杆共线后的瞬间，从动曲柄运动不确定。为避免这种情况：装飞轮，加虚约束，错列机构3.双摇杆机构—两连杆架均为摇杆的四杆机构港口起重机、飞机起落架、车辆的前轮转向机构应用举例：双摇杆机构应用实例港口起重机选择连杆上合适的点，轨迹为近似的水平直线双摇杆机构应用实例飞机起落架风扇摇头双摇杆机构应用实例二、铰链四杆机构的演化1.扩大转动副，使转动副变成移动副1)一个转动副转化成移动副曲柄滑快机构演化2)偏心轮机构特点：容易加工；工作时润滑条件和受力情况好；可用于较重载荷的传动中。应用举例：蒸汽机换气阀传动机构、冲压机传动机构等。（a）等效曲柄滑块机构（b）曲柄滑块机构（c）等效曲柄摇杆机构（d)曲柄摇杆机构3)两个转动副转化成一个移动副如果两个移动副代替铰链四杆机构中的两个转动副，便可得到三种不同形式的四杆机构1.曲柄移动导杆机构2.双转块机构3.双滑块机构曲柄摇块机构移动导杆机构曲柄滑块机构转动导杆机构1111222233334444铰链四杆机构的演化单移动副机构的演化将转动导杆机构的构件2作的比构件1短，可变得摆动导杆机构。双摇杆机构曲柄摇杆机构1双曲柄机构曲柄摇杆机构424321123412342.取不同的构件为机架导杆机构图2曲柄摆动导杆机构(a)曲柄摆动导杆机构;(b)电气开关小型刨床机构卡车车厢自动翻转卸料机构手动抽水机取不同的构件为机架当构件2和构件4均能作整周转动，小型刨床就是应用实例当杆2的长度小于机架长度时，导秆4只能作来回摆动，又称为摆动导秆机构，牛头刨中的主运动机构是他的应用实例当以构件3为机架时，可演化成移动导杆机构，图示压水机就是实例正弦机构应用实例缝纫机针运动机构在中①②在中整理得③dacaba将式①、②、③中的三个不等式两两相加，化简后得④④曲柄存在条件：①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；②连架杆与机架中必有一杆为最短杆。一、曲柄存在条件DCB11DCB22bdcadcbabadccadbcbda)()(第三节平面四杆机构的基本特性双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构cbda以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架NYdcba、、、判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式(a)构件4为机架;(b)构件2为机架;(c)构件1为机架;(d)构件3为机架取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式二、急回特性和行程速比系数摇杆的摆角ψ＝∠C1DC2；极位夹角θ曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用2和的比值来衡量，称为行程速比系数。oo180180K11180oKKK极位夹角θ：曲柄在两次与连杆共线时所夹的锐角θ↗，K↗，急回程度↗。θ=0时，K=1时，机构无急回运动。具有急回特性的充要条件：1.曲柄为主动件，作匀速转动2.输出件作往复运动3.极位夹角θ0三、压力角和传动角1.压力角a压力角：从动件所受的力F与受力点速度Vc所夹的锐角a。有效分力：Ft=Fcosa有害分力：Fn=Fsinaa愈小，机构传动性能愈好。2.传动角g传动角：连杆与从动件所夹的锐角g。g=900-ag越大，机构的传动性能越好，设计时一般应使gmin≥400,对于高速大功率机械应使gmin≥500。3.最小传动角的位置铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。对于摆动导杆机构由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。四、死点位置死点的位置在从动曲柄与连杆共线的两个位置之一时，出现机构的传动角g=0，压力角a=90的情况，这时连杆对从动曲柄的作用力恰好通过其回转中心，无论摇杆的力有多大机构也无法运动（不能推动曲柄转动），机构的这种位置称为死点位置。死点位置的利弊利：工程上利用死点进行工作。弊：机构有死点，从动件将出现卡死或运动方向不确定现象，对传动机构不利在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，机构无死点位置；当摇杆为主动件时，机构有死点位置。结论：1.主动件无极限位置时，该机构无死点位置2.死点位置出现在有极限位置的四杆机构中且当摇杆、滑块或导杆为主动件时(主动件有极限位置)度过死点的方法增大从动件的质量、利用惯性度过死点位置。采用机构错位排列的方法利用惯性利用机构错位排列具夹速快第四节平面四杆机构的设计设计概论一个设计过程：已知条件→构件尺寸两类基本问题：实现给定运动规律；实现给定运动轨迹；三种设计方法：图解法解析法实验法已知条件：运动条件、几何条件、动力条件。简明易懂，精确性差。精确度好，计算繁杂。形象直观，过程复杂。图解法设计平面四杆机构一、按给定连杆位置设计四杆机构A1B2B3B1C2C3CD12b12c23b已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：设计铰链四杆机构设计步骤：①连接B1B2、B2B3，作线B1B2、B2B3的垂直平分线b12、b23，交于A点；②连接C1C2、C2C3，作线C1C2、C2C3的垂直平分线c12、c23，交于D点；③连接AB1、C1D。23c二、按给定行程速度变化系数K设计四杆机构设计具有急回特性的四杆机构，关键是要抓住机构处于极限位置时的几何关系，必要时还应考虑其他辅助条件。例：已知摇杆长度L=100，摆角=50和行程速比系数k=1.4，试设计曲柄摇杆机构。解:由给定的行程速比系数求出极位夹角:11180KK=304lDC2C190-AEB1B2以A为圆心，AC1为半径作圆弧交A与E，平分EC2得曲柄长度。再以A为圆心，为半径作圆，交C1A的延长线和C2A于B1和B2，连杆长度.ABAB2211CBCBBC已知条件：行程速比系数K、摇杆的长度CD和摇杆的摆角Ψ（1）计算极位夹角（2）取适当的比例尺μl=CD/CD(m/mm)，并由CD和Ψ作出两极限位置C1D、C2D;（3）过C2点作∠C1C2N＝90°－θ的射线C2M，然后再过C1点作C2C1的垂线C1N交C2M于P;（4）以C2P为直径作圆，圆心为O，则A点必在此圆上;（5）由其他已知条件在圆周上取点A，连AC1、AC2;（6）以A为圆心，AC1为半径做圆弧交AC2于E点，作EC2的垂直平分线得EC2之半即为AB长度由于极限位置处曲柄与连杆共线，故AC2＝BC＋AB，AC1＝BC－AB，因此，容易得到（7）讨论：由于A点可在△C1PC2的外接圆周的弧C1PC2上任意选取，所以，若仅按行程速比系数K来设计，可以得到无穷多组解。因此，在未给出其它附加条件的情况下，如欲获得良好的传动质量，可按照传动角最优或其它辅助条件来确定A点的位置。11180oKK)2()(212)(2122l12lBC2l12lABECACACAClECACACl1．曲柄摇杆机构lll2．曲柄滑块机构已知条件：行程速比系数K、滑块行程H偏心距e①计算极位夹角;②作直线C1C2＝H/μl，且C1、C2作为滑块的两极限位置;③根据C1、C2点求满足极位夹角为θ的A点（结果为一圆弧C1PC2）;④作一直线与C1C2平行，并使其间的距离等于偏心距e，则此直线与上述圆弧的交点即为曲柄的轴心A的位置;⑤连接AC1、AC2，并按上述作图方法，即可得到曲柄的长度lAB和连杆的长度lBC。11180oKK3．导杆机构分析：对于摆动导杆机构，其极位夹角θ等于导杆的摆角Ψ，而所需要确定的尺寸是曲柄长度lAB。已知条件：行程速比系数K、机架长度lAC①计算极位夹角；②选择适当的比例尺作直线μl，任选固定铰链点C；③按夹角Ψ（＝θ）作出导杆的两极限位置Cm和Cn；④作摆角Ψ的角平分线AC，并在AC上截取AC=lAC/μl，即可得到曲柄轴心A点的位置；⑤过A点作导杆极限位置的垂线AB1（或AB2），即得曲柄长度lAB=μlAB。11180oKK