机械设计基础课件

机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成书名：机械设计基础（第2版）作者：张久成ISBN：7-111-08516-7出版社：机械工业出版社机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成第一节平面连杆机构的基本类型第三章平面连杆机构第三节平面连杆机构的设计第二节平面连杆机构的工作特性机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成第一节平面连杆机构的基本类型◆平面连杆机构的特征1）构件间的相对运动为平面运动；2）所有的运动副均为低副；3）包含连杆构件。曲柄滑块机构连杆◆平面连杆机构的特点及应用优点运动副为平面或圆柱面接触，承载能力大，制造容易；运动形式多样，能实现多种运动规律和轨迹。缺点构件数较多，低副中存在间隙，运动累积误差大；惯性力不易平衡；设计较难，不易精确实现复杂的运动规律。应用平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪器中。◆平面四杆机构由四个构件组成的平面连杆机构。是最简单的连杆机构。机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成构件名称机架－构件4连架杆－与机架相连的构件1、3。连杆－与机架间接相连的构件2。曲柄－可回转360°的连架杆。摇杆－转角小于360°的连架杆。连杆连架杆连架杆机架平面连杆机构的基本类型定义运动副全为转动副的四杆机构。一、铰链四杆机构的基本类型3124ABCD铰链四杆机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构铰链四杆机构一曲一摇二曲二摇按两连架杆的运动情况铰链四杆机构可分为平面连杆机构的基本类型机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成（一）曲柄摇杆机构平面连杆机构的基本类型定义两个连架杆中，一个为曲柄，一个为摇杆。特性可实现曲柄转动与摇杆摆动的相互转换。曲柄常为主动件，作匀速转动，摇杆为从动件，作变速摆动。应用实例曲柄摇杆机构BC1243AD雷达天线俯仰机构脚踏缝纫机驱动机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成（二）双曲柄机构平面连杆机构的基本类型定义两个连架杆均为曲柄。特性当主动曲柄匀速转动时，从动曲柄可作同向或反向、等速或变速转动。一般双曲柄机构BCADAD平行四边形机构ADBCAD反平行四边形机构应用实例机车驱动机构车门启闭机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成（三）双摇杆机构平面连杆机构的基本类型定义两连架杆均为摇杆。特性可实现两个摇杆摆动的相互转换。应用实例双摇杆机构BCAD等腰梯形机构汽车转向机构摇头扇机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成曲柄摇杆机构转化方法改变构件的形状和尺寸(摇杆长度l3增至无穷大)。二、铰链四杆机构的转化机构（一）转动副转化成移动副平面连杆机构的基本类型对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构圆弧导轨曲柄滑块机构特性可实现曲柄（摇杆）转动与滑块移动的相互转换机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的基本类型（二）取不同的构件为机架曲柄滑块机构回转导杆机构牛头刨床摆动导杆机构牛头刨床机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成定块机构摇块机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成扩大转动副B的半径，使其大于曲柄AB的长度，成为偏心轮机构，偏心距ｅ=曲柄长。ABCABCe平面连杆机构的基本类型（三）扩大运动副扩大转动副扩大移动副应用当曲柄长度较小，一般的联接结构难于实现；或因装配及需传递较大载荷时，常采取扩大回转副或移动副的方法。机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成一、运动特性第二节平面连杆机构的工作特性（一）整转副存在条件◆整转副若组成转动副的两构件能相对整周转动，称为整转副，否则，称为摆转副。曲柄摇杆机构平行四边形机构双摇杆机构１双摇杆机构２铰链四杆机构是否存在整转副，取决于各构件长度间的关系。经理论分析有如下结论◆整转副存在条件最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，最短杆两端的转动副为整转副。机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成◆整转副判别方法若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则最短杆两端的转动副同为整转副，其它的转动副为摆转副。若最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，则该机构不存在整转副，全部为摆转副。平面连杆机构的工作特性机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的工作特性◆铰链四杆机构基本类型的判别根据周转副存在条件、曲柄与摇杆的定义及相对运动原理:1）如果最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则取最短杆为机架(含两个整转副)时，为双曲柄机构；取最短杆的临杆为机架(含一个整转副)时，为曲柄摇杆机构取最短杆的对杆为机架(不含整转副)时，为双摇杆机构。2）如果最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，则不论取哪个构件为机架(不含整转副)，均为双摇杆机构。机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的工作特性◆曲柄存在条件1）杆长条件（必要条件）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。2）机架条件（充分条件）最短杆或其临杆为机架。双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成◆急回特性构件往复运动（摆动或移动），一快一慢。意义：工作行程慢，空回行程快，以提高生产率。当曲柄ＡB1→ＡB2(φ1＝180°+θ，t1)→摇杆C1D→C2D(ψ，t1)（二）急回特性及行程速比系数平面连杆机构的工作特性(曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构摆动导杆机构)曲柄摇杆机构分析极限位置：曲柄与连杆共线摇杆摆角ψ极位夹角θ：摇杆处于两极限位置时，曲柄两对应位置所夹锐角。∵φ1＞φ2，t1＞t2，ψ不变，∴摇杆往复摆动的速度不同。当曲柄ＡB2→ＡB1(φ2＝180°-θ，t2)→摇杆C2D→C1D(ψ，t2)Ｃ1B1B2Ｃ2ψθφ1φ2慢速快速机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成摆动导杆机构◆行程速比系数kθ=0，k=1，无急回特性；θ↑，k↑，急回特性越显著，k=1.1~1.4。11180kk18018012112112mmttttk平面连杆机构的工作特性表示构件运动的急回程度，定义为快程平均角速度与慢程平均角速度之比mm对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成◆压力角α作用在从动件3上的驱动力F与该力作用点绝对速度vC之间所夹的锐角。驱动力F沿二力杆BC的方向；Ｃ点的速度vC⊥CD。◆传动角γ压力角α的余角。二、传力特性（一）压力角α和传动角γ平面连杆机构的工作特性有用分力sincosFF有害分力cossinFF◆意义压力角α越小，或传动角γ越大，有用分力越大，有害分力越小，机构的传力性能越好。压力角α或传动角γ的大小，表征了机构传力性能的好坏。FFCvF机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的工作特性◆最小传动角γmin机构运动时，传动角一般是变化的。可以证明，曲柄摇杆机构的最小传动角，出现在曲柄与机架共线的两个位置之一。ADCBFvCvCABCFD传动角太小，或压力角过大，可能导致机构自锁，为了保证传力性能良好，规定一般机械γmin≥40°~50°。机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成ＡＤB2Ｃ2vB1vB1（二）止点（死点）位置平面连杆机构的工作特性◆定义传动角γ=0（压力角α=90°）时的机构位置。ＦＣ1B1ＡＤvB1vB2Ｆ090090◆后果机构卡死不能动；机构运动方向不确定。缝纫机曲柄摇杆机构，摇杆主动时的死点位置机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成夹紧机构D曲柄滑块机构滑块主动时的死点位置摆动导杆机构导杆主动时的死点位置◆止点的克服1）利用自身或飞轮的惯性2）多组机构，止点错开平面连杆机构的工作特性◆止点的利用机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成第三节平面连杆机构的设计◆设计的两类问题1）按照给定的运动规律（位置、速度、加速度）确定四杆机构各构件的长度。2）按照给定点的运动轨迹确定四杆机构各构件的长度。◆设计方法图解法形象，直观，概念清楚。解析法利用计算机进行，精确，效率高。实验法可解决一些复杂的设计问题，简便，实用。一、按给定的行程速比系数设计四杆机构（图解法）二、按给定连杆位置设计四杆机构（作图法）三、按给定两连架杆对应位置设计四杆机构（解析法）四、按给定点的运动轨迹设计四杆机构（实验法）机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成1．曲柄摇杆机构一、按照给定的行程速比系数设计四杆机构（图解法）平面连杆机构的设计已知：摇杆长度lCD，行程速比系数k，摆角ψ求曲柄长度lAB、连杆长度lBC和机架长度lAD。11180kk解1）作图分析◆根据k可求出极位夹角θ◆若按θ确定了Ａ点因为AC1=AB+BCAC2=BC-AB所以AB=(AC1-AC2)/2BC=(AC1+AC2)/2AD可直接量出。关键是按θ确定A点的位置机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的设计◆若作出△AC1C2的外接圆该圆C1C2弦所对的圆周角均为θ，其中心角为2θ。外接圆作法一作C2M⊥C2C1作∠C2C1N=斜边PC1中点即为外接圆的圆心O。90外接圆作法二作∠C2C1N=作∠C1C2Q=C1N与C2Q的交点即为外接圆的圆心O。9090P2θθQ90N90MO机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成平面连杆机构的设计PθN90MO2）任选D点，选取适当的比例，作摇杆两极限位置C1D和C2D。3）作C2M⊥C2C1作∠C2C1N=C2M与C1N交于P点904）作△PC1C2的外接圆，在圆上任选一点A5）AB=(AC1-AC2)/2BC=(AC1+AC2)/2AD可直接量出有无数解C1C2ψDA机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成已知:机架长L4,K解:(1)任选固定铰链中心C→作导杆两极位Cm和Cnφ=θ(2)作摆角φ的平分线AC,取AC=L4→固定铰中心A(3)过A作导杆极位垂线AB1(AB2)→L1=AB1→唯一解11180KKCmnφAB1B2CmnφAB1B2θ2.导杆机构平面四杆机构的设计机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成●DB1C1B2C2A●ABCD步骤：1、连接B1B2,C1C22、作B1B2,C1C2中垂线3、在中垂线上取一点作A,D4、连AB1C1D1.已知:连杆BC长L2及连杆两个位置B1C1,B2C2固定铰A必在B1B2垂直平分线上固定铰D必在C1C2垂直平分线上分析解:无穷多解二、按给定连杆位置设计四杆机构机械设计基础第2版7-111-08516-7张久成连杆给定的三个位置铰点已给定B1C1B2C2B3C3ADABCD步骤：1.连接B1B2,B2B3,C1C2,C2C32.作各连线中垂线3.B1B2,B2B3中垂线之交点即为点A4.C1C2,C2C3中垂线之交点即为点D5.连接AB1C1D即为所求2.已知:连杆BC长L2及连杆三个位置B1C1,B2C2,B3C3唯一解平面四杆机构的设计要使转动副Ａ成为整转副，则机构必须存在以下三个位置转动副为整转副的条件在图a△BCD中a+d≤b+c①在图c△BCD中c≤d+b-a即a+b≤c+d③b≤c+(d-a)在图b△ACD中即a+c≤b+d②根据三角形存在条件有因不等式进行加减运算后，解的范围会变化，故与原不等式联合有a为最短杆，其余三杆b、c、d中必有一杆为最长杆，只要最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和（不等式）成立，则其他两个不等式一定成立。a+d≤b+c①a+c≤b+d②a+b≤c+d③①+②2a+c+d≤2b+c+da≤b①+③2a+b+d≤2c+b+da≤c②+③2a+b+c≤