机械设计基础课件第三章

机械设计基础国家级精品课程教材电子工业出版社主编：唐林虎副主编：张亚萍等第三章平面连杆机构第三章平面连杆机构§3.1概述1§3.2平面连杆机构的基本类型和应用2§3.3平面四杆机构的演化形式3§3.4平面连杆机构的基本特性4§3.5平面连杆机构的设计5§3.6平面多杆机构简介6第三章平面连杆机构12346课后习题答案第三章平面连杆机构教学要求（1）掌握平面四杆机构的基本形式、应用及演化；（2）掌握平面四杆机构的基本特性，理解急回特性、行程速比因数、传动角、压力角、死点位置等概念；（3）掌握铰链四杆机构曲柄存在的条件；（4）掌握四杆机构的设计方法。重点与难点重点：平面四杆机构的基本形式、应用及基本特性；难点：平面四杆机构类型的判断及设计方法。§3.1概述连杆机构是用转动副和移动副将构件相互联接而成，用以实现运动变换和动力传递的机构。连杆机构按各构件间相对运动性质的不同，可分为空间连杆机构和平面连杆机构两类。平面连杆机构是由若干构件通过低副（转动副或移动副）联接而成的平面机构，又称为平面低副机构。平面连杆机构的优点：（1）能够进行多种运动形式的转换。（2）运动副一般均为低副。两构件之间为面接触，接触表面是圆柱面或平面，单位面积上的压力较小，制造容易，磨损较慢，可承受较大载荷。（3）具有丰富的连杆曲线。§3.1概述平面连杆机构的缺点：（1）连接处的间隙造成的积累误差较大，机械效率较低。（2）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。（3）设计方法比较复杂，难以实现精确的轨迹。平面连杆机构应用于各种机器和仪器中，如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。本章着重介绍平面四连杆机构的类型、基本特性和设计方法。§3.2平面连杆机构的基本类型和应用铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构。连杆连架杆连架杆机架构件名称：（1）机架：机构中固定不动的构件AD。（2）连架杆：与机架相连的构件AB和CD。（3）连杆：不与机架直接连接的构件BC。§3.2平面连杆机构的基本类型和应用（1）曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构（3）双摇杆机构连架杆曲柄：能绕轴线作整周回转运动的连架杆。摇杆：只能在某一角度(小于360°)内摆动的连架杆。因此，铰链四杆机构又根据其连架杆运动形式的不同，分为以下三种基本类型：§3.2平面连杆机构的基本类型和应用3.2.1曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构。运动特点：若选曲柄为主动件，则该机构可将曲柄的回转运动转变为摇杆的往复摆动。若选摇杆为主动件，则该机构可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周回转运动。动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用破碎机的破碎机构缝纫机的驱动机构应用实例：动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用3.2.2双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。1.普通双曲柄机构运动特点：主动曲柄等速回转一周，从动曲柄变速回转一周，从动曲柄的角速度在一周中有时小于主动曲柄的角速度，有时大于主动曲柄的角速度。普通双曲柄机构动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用应用实例：惯性筛§3.2平面连杆机构的基本类型和应用2.平行双曲柄机构运动特点：两曲柄的回转方向相同，且角速度时时相等。应用实例：机车联动机构路灯检修车升降机构平行双曲柄机构动态演示动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用3.反向双曲柄机构运动特点：两曲柄反向不等速。应用实例：车门启闭机构反向双曲柄动态演示动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用3.2.3双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。运动特点：两摇杆均可作为主动件。当主动摇杆摆动时，通过连杆带动从动摇杆摆动。应用实例：双摇杆机构港口起重机动态演示动态演示§3.2平面连杆机构的基本类型和应用电风扇摇头机构汽车前轮转向机构§3.3平面四杆机构的演化形式在实际机械中，还广泛采用着其他多种形式的四杆机构。这些机构可认为是由四杆机构的基本类型演化而成的。其演变的方法有：（1）改变构件的形状、长度。（2）改变运动副的尺寸。（3）选不同构件为机架等。较为常用的演化机构有：曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构、定块机构等。它们均属于滑块四杆机构，即含有移动副和转动副的四杆机构。§3.3平面四杆机构的演化形式曲柄滑块机构是由曲柄、连杆、滑块及机架组成。是在曲柄摇杆机构的基础上，采用了改变构件尺寸和形状的方法而得到的另一种平面连杆机构，常用作回转运动与往复直线运动之间的转换。3.3.1曲柄滑块机构曲柄摇杆机构圆弧导轨曲柄滑块机构§3.3平面四杆机构的演化形式若滑块移动导路中心通过曲柄转动中心，则称为对心曲柄滑块机构；若不通过曲柄转动中心，则称为偏置曲柄滑块机构，e为偏心距。对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构动态演示动态演示§3.3平面四杆机构的演化形式应用实例：机构示意图机构简图内燃机中的曲柄滑块机构1-曲轴；2-连杆；3-活塞机构示意图机构简图压力机中的曲柄滑块机构1-工件；2-滑块；3-连杆；4-曲轴；5-齿轮§3.3平面四杆机构的演化形式3.3.2导杆机构曲柄滑块机构转动导杆机构（l1＜l2）若改选曲柄滑块机构中的构件AB为机架，则构件AC将绕A转动，而滑块将以构件AC为导轨，沿该构件相对移动，并一起绕A点转动，构件AC称为导杆，而由此演化成的四杆机构称为导杆机构。摆动导杆机构（l1＞l2）改选AB为机架动态演示动态演示§3.3平面四杆机构的演化形式应用实例：简易刨床的主运动机构动态演示牛头刨床的主运动机构§3.3平面四杆机构的演化形式3.3.3摇块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构中，如改选与滑块铰接的构件BC为机架，使滑块只能摇摆不能移动，则将演化成摇块机构，改选BC为机架摇块机构应用实例：自卸汽车的翻斗机构动态演示动态演示§3.3平面四杆机构的演化形式3.3.4定块机构将曲柄滑块机构中的滑块改为机架，将演化成定块机构。应用实例：手动唧筒曲柄滑块机构改选滑块为机架动态演示定块机构§3.4平面连杆机构的基本特性平面连杆机构具有传递和变换各种运动，实现力的传递和变换的功能，前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。3.4.1运动特性1．铰链四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构中有曲柄的前提是运动副中必有整转副存在。影响平面铰链四杆机构中曲柄存在的因素有：（1）构成四杆运动链的各构件长度。（2）运动链中选取的机架与其它构件的相对位置。下面以曲柄摇杆机构为例，讨论铰链四杆机构曲柄存在的条件。§3.4平面连杆机构的基本特性设曲柄摇杆机构各杆的杆长分别为a、b、c、d，设da，在杆AB绕转动副A转动过程中，要使A成为整转副，则AB应能占据与机架AD重叠和拉直共线的两个特殊位置AB1和AB2，即可构成ΔB1C1D和ΔB2C2D。根据三角形两边之和大于第三边这一几何关系，并结合机构运动的特点，可得：dbcadcbacbda将上式两两相加，得：a≤c；a≤b；a≤d§3.4平面连杆机构的基本特性故四杆机构有曲柄的条件为：（1）最短杆与最长杆的长度之和应小于其他两杆长度之和；（2）连架杆或机架中必有一最短杆。曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构根据上述结论，可得出以下推论：（1）当lmin+lmax≤l+l′时：•若以最短杆的相邻构件为机架，该机构为曲柄摇杆机构。•若以最短杆为机架，该机构为双曲柄机构。•若以最短杆相对的构件为机架，该机构为双摇杆机构。§3.4平面连杆机构的基本特性l1，l2，l3，l4lmax+lmin≤l'+llmin为连架杆吗？曲柄摇杆机构lmin为机架吗？双曲柄机构双摇杆机构NNNYYY铰链四杆机构基本类型的判别流程可用下面框图表示：（2）当lmin+lmaxl+l′时：则无论取哪个构件为机架，均无曲柄存在，只能为双摇杆机构。§3.4平面连杆机构的基本特性2．急回运动特性（1）曲柄摇杆机构分析曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为原动件。在曲柄以等角速度ω1逆时针转动一周的过程中，两次与连杆共线。此时C1D和C2D为摇杆的两个极限位置，简称极位。其夹角ψ称为最大摆角。曲柄与连杆两次共线位置间所夹的锐角θ为极位夹角。当主动件曲柄AB以等角速度ω1逆时针旋转，从动件在正行程（行程）C1D至C2D和反行程（回程）C2D至C1D时C点的平均线速度分别为和，所需时间为t1和t2，对应曲柄的转角分别为α1=π+θ和α2=π-θ，显然有t1＞t2，即摇杆(回程)的速度大于行程的速度。1v2v§3.4平面连杆机构的基本特性（2）急回运动特性构件返回速度大于推进速度的现象称为急回运动特性。（3）行程速比因数通常用与的比值K来描述急回特性，K称为行程速比因数。1v2v180180212112ttvvK111800KK•θ＞0，K＞1，有急回特性；•θ越大，K越大，急回特性越明显；•θ越小，K越小，急回特性越不明显；•θ=0时，K=1，机构无急回特性。机构有无急回特性，急回特性是否显著，取决于机构的极位夹角θ§3.4平面连杆机构的基本特性除曲柄摇杆机构外，偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构等也都具有急回特性。偏置曲柄滑块机构摆动导杆机构§3.4平面连杆机构的基本特性3.4.2传力特性1．压力角和传动角（1）压力角力F与受力点的速度vc方向之间所夹的锐角α，称为压力角。（2）传动角压力角α的余角γ。Ft=FcosαFn=Fsinα有效分力有害分力压力角α越小，或传动角γ越大，则力F在vc方向的有效分力越大，机构的传力性能越好。因此，压力角或传动角的大小是衡量机构传力性能的重要标志。§3.4平面连杆机构的基本特性（3）机构具有良好传力性能的条件传动角γ随机构的不断运动而相应变化，为保证机构有较好的传力性能，应控制机构的最小传动角γmin。一般可取γmin≥40°，重载高速场合取γmin≥50°。（4）最小传动角γmin的确定•曲柄摇杆机构的γmin在曲柄整转一周的过程中，当曲柄转到与机架共线的两个位置时，传动角将出现极值γ′和γ″，其中较小者即为最小传动角γmin。§3.4平面连杆机构的基本特性•曲柄滑块机构的最大压力角αmax若机构的主动件为曲柄AB，从动件为滑块C，在曲柄与滑块导路垂直时，α=αmax。•摆动导杆机构的最小压力角αmin构件3作用于导杆4上的力F和导杆4上的C点速度VC4都始终垂直于AC，压力角α始终为0，传力性能最好。曲柄滑块机构的αmax摆动导杆机构的αmin§3.4平面连杆机构的基本特性2．死点位置不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置。（1）死点位置举例曲柄摇杆机构的死点位置摆动导杆机构的死点位置曲柄滑块机构的死点位置§3.4平面连杆机构的基本特性（2）死点位置的克服当死点位置的存在对机构运动不利时，应尽量避免出现死点，克服死点位置的方法有：•采用机构死点位置错位排列的办法，以保持从动曲柄的转向不变。利用飞轮惯性•采用加大从动件惯性的方法，靠惯性帮助通过死点。§3.4平面连杆机构的基本特性（3）死点位置的利用在实际工程应用中，有许多场合是利用死点位置来实现一定工作要求的，例如：工件夹紧机构飞机起落架动态演示动态演示§3.5平面连杆机构的设计3.5.1连杆机构设计的基本问题连杆机构设计可归纳为下列两类问题：（1）按照给定从动件的位置设计四杆机构，即位置设计。（2）按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，即轨迹设计。设计方法：（1）作图法：直观、清晰，简单易行，但误差较大。（2）实验法：适用于运动要求较复杂的四杆机构的初步设计，但工作较繁琐。（3）解析法：可得到较准确的结果并具有较高的精度，但计算求解较麻烦。本节主要介绍采用作图法设计四杆机构。§3.5平面连杆机构的设计3.5.2按给定的连杆位置设计四杆机构1．按给定连杆的两个位置设计四杆机构设已知连杆BC的长度和预定要占据的两个位置B1C1和B2C2，设计此四杆机构。设计分析：该设计的主要问题是如何确定铰链A和D的位置，从而确定除连杆外其它三个构件的长度。设计步骤：（1）选