第二章-平面连杆机构及其设计--武汉理工大学课件

第二章平面连杆机构及其设计§2-1平面四杆机构的基本形式一平面连杆机构的特点和应用1、平面连杆机构（planarlinkagemechanism）（低副机构）由若干刚性构件用低副（转动副、移动副、圆柱副、及螺旋副等）联结而成的机构；至少包含一个不直接与机架相连的中间构件——连杆。1、平面连杆机构（低副机构）一连杆机构及其传动特点共同特点：其原动件的运动都是要经过一个不直接与机架相联的中间构件才能传动从动件。连杆机构可分为空间连杆机构和平面连杆机构一连杆机构及其传动特点(a)平面连杆机构(b)平面连杆机构(c)平面连杆机构(c)平面连杆机构(d)空间连杆机构(e)空间连杆机构平面连杆机构的类型很多，单从组成机构的杆件数来看就有四杆、五杆和多杆机构。一般的多杆机构可以看成是由几个四杆机构所组成。1、平面连杆机构（低副机构）一连杆机构及其传动特点ABCDE+ABDDCE四杆机构是最简单的连杆机构。一连杆机构及其传动特点平面四杆机构是平面连杆机构研究的基础。2、特点•其运动副为低副面接触，压强较小，承载能力高，便于润滑，磨损少，几何形状较简单，便于加工制造。优点：•从动件能实现各种预期的运动规律。一连杆机构及其传动特点•实现多种运动规律和轨迹要求。φ0xyADCBabcdβψ0φψADM2BφMM1M3连杆曲线连杆连杆ABCD缺点：•运动链较长，积累误差较大，降低机械效率。•连杆及滑块的质心都在作变速运动，产生动态不平衡，惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，增加机构的动载荷。2、特点一连杆机构及其传动特点•不易精确实现各种运动规律和轨迹要求。二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构连架杆(Sidelink)机架(Frame)连架杆ABCD能绕其轴线转360º的连架杆。能绕其轴线作往复摆动的连架杆。曲柄(Crank)：摇杆(Rocker):连架杆A、B周转副。C、D摆动副。一连杆机构及其传动特点按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构1曲柄摇杆机构(Crank-rockerlinkage)在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。反之也可。二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构1曲柄摇杆机构(Crank-rockerlinkage)车窗刮水器机构脚踏砂轮机构二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构飞剪搅拌器2双曲柄机构(Double-cranklinkage)在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构惯性筛机构CABDE惯性筛正平行四边形机构2双曲柄机构G3ADBCE45FH1267摄影机升降机构二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构B′C′BA21D1C34汽车车门开启机构反平行四边形机构BA21D1C34二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构3双摇杆机构(Double-rockerlinkage)铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构3双摇杆机构飞机起落架夹紧机构二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构QBCADEQCBE鹤式起重机3双摇杆机构风扇机构：分别装在构件1、2上的蜗杆、蜗轮相对运动从而带动摇杆AB摇动。整周转动副ABCD1234二平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构3A2BCD14等腰梯形机构PC1B1在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则成为等腰梯形机构。等腰梯形机构可用作轮式车辆的前轮转向机构，在车辆转弯时，与两前轮固联的两摇杆摆角不相等，以实现车辆四个车轮都在地面上作纯滚动。3双摇杆机构§2-2平面连杆机构的演化1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）C3AB124AB1234CCABD1234L3ABD1234CL3→∞偏置曲柄滑块机构e0对心曲柄滑块机构还可以转化为双滑块机构曲柄移动导杆机构AB1234CL2L2→∞1234ABe=0双滑块机构1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）2.机架置换(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABCD曲柄摇杆机构整周转动副(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABDC(0~360°)(0~360°)(360°)1234ABCD(360°)双曲柄机构双摇杆机构(a)曲柄滑块机构ACB12342.机架置换曲柄滑块机构的应用2.机架置换BA1234C曲柄转动导杆机构曲柄摆动导杆机构导杆机构:组成移动副的两活动构件，LBCLABLBCLAB画成杆状的构件称为导杆，画成块状的构件称为导块。2.机架置换(b)曲柄导杆机构21AB43C自卸卡车翻斗装置曲柄摇块机构在自卸卡车翻斗装置中的实际应用。当压力油进入油缸3（摇块）时推动活塞杆4（导杆），使车厢（即构件1）绕轴线B摆起，实现自动卸料。(c)曲柄摇块机构2.机架置换2.机架置换自卸卡车翻斗装置A234CB1(d)定块机构2.机架置换手动抽水泵rB3、改变运动副的尺寸RBRAB当曲柄的长度很短时，根据结构需要，可将其改成几何中心B不与回转中心A相重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮。1）设a＜d，当AB杆能绕A点作整周回转时，AB杆应能占据AB'与AB''两个位。各杆的长度应满足：cbdadcbadbca(bc)(cb)bacadacbda则由上式得：即：AB（连架杆）杆为最短杆。最短杆与最长杆的长度和小于或等于其他两杆的长度和。bcadcbad一、平面四杆机构曲柄存在的条件§2-3平面四杆机构的基本特性bacdcabdcbda(bc)d-ab-c(cb)d-ac-badcdbd2）设d＜a，同理则cbda由上式得：即：AD（机架）杆为最短杆。最短杆与最长杆的长度和小于或等于其他两杆的长度和。一、平面四杆机构曲柄存在的条件由此可得曲柄存在条件：推论：1）若不满足条件(1)，2）若满足条件(1)则：当最短杆是连杆时，是双摇杆机构（Ⅰ）；当最短杆是机架时，是双曲柄机构；当最短杆是连架杆时，是曲柄摇杆机构；1)最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其他两杆的长度和(必要条件）。2)最短杆是机架或连架杆（充分条件）。无曲柄存在，是双摇杆机构（Ⅱ）。一、平面四杆机构曲柄存在的条件解：图(a)，有：∵30+7040+553070405520804070(a)(b)例一：判断两图示机构类型∴该机构为双摇杆机构。图(b)，有：∵20+8040+70，且最短杆为连架杆，∴该机构为曲柄摇杆机构。B1107060ACD即LAB+110≤60+70LAB≤20即LAB+60≤110+70110≤LAB≤120即110+60≤LAB+70110≥LAB≥100LAB≤20，100≤LAB≤120例二：若要求该机构为曲柄摇杆机构，问AB杆尺寸应为多少？解：1.设AB为最短杆2.设AB为最长杆3.设AB为之间杆所以AB杆的取值范围为：1、对心式BACab对心式D∞D∞a+LAD∞≤b+LCD∞a≤b2、偏置式a+e≤b例三、曲柄滑块机构曲柄存在条件D∞D∞ABCeba偏置式若两连架杆均整周回转，则机架应最短，而LAD∞=LCD∞，所以有:例四、导杆机构曲柄存在条件BACabab时，转动导杆机构；ab时，摆动导杆机构。牛头刨床二、急回运动和行程速比系数K从动件运动到两极限位置时，曲柄之间所夹的锐角称为极位夹角(ExtremePositionAngle)——（θ）。当AB运动到与连杆重和共线位置AB1时，摇杆运动到左极限C1D位置，当AB运动到与连杆拉直共线位置AB2时，摇杆运动到右极限C2D位置，B2极位夹角C1B1C2摆角2a1DAC34Bbcd11、急回运动(Quick-returnMotion)二、急回运动和行程速比系数K(Quick-returnMotionandCoefficientofTravelSpeedRatio)分析：AB1→AB2，AB2→AB1，1、急回运动(Quick-returnMotion)显然：φ1φ2，φ1C1D→C2D，ψ，t1，V1；=1800+θ，φ2C2D→C1D，ψ，t2，V2；=1800-θ，所以：t1t2；因为：C1C2弧长=C2C1弧长，而V1=C1C2/t1，摇杆的这种运动性质称为急回运动。v112v2C2B2A211C34BDabcdC1B1所以：V2V1V2=C2C1/t2，平面四杆机构具有急回特性的条件：（1）原动件作等速整周转动；（2）输出件作往复运动；（3）0讨论：1）若θ≠0，2）若θ=0，空回行程平均速度V2与工作行程平均速度V1之比，称为行程速比系数，用K表示，则：2、行程速比系数K(CofficentofTravelSpeedRatio)K=V2V1=C2C1/t2C1C2/t1t1t2==180º+θ180º-θ则K1，即V2V1，机构有急回运动；则K=1，即V2=V1，机构无急回运动。=φ1φ2二、急回运动和行程速比系数K(Quick-returnMotionandCoefficientofTravelSpeedRatio)对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构曲柄滑块机构例题1.偏置曲柄滑块机构C1B1B2HC22AB134Cab10,有急回特性。例题只有使偏置方位、工作行程回程输出件工作行程方向、输出件具有急回特性。曲柄转向、正确匹配，就能保证：结论：有急回特性。例题2.曲柄摆动导杆机构≠01B2B11AB工作行程回程牛头刨床三、传动角与压力角在不计重力、摩擦力、惯性力的条件下，机构中输出件所受主动力的方向线与该受力点的绝对速度方向线所夹的锐角。压力角的余角，γ=900-α。1、压力角α2、传动角γF1ABCD1234V例题：作出下列机构的压力角和传动角0vB3B1231ACF=900导杆机构FaAB134Cb12偏置曲柄滑块机构vc如何用压力角或传动角来表示机构的传力性能呢？cos1FF=Fsinγα越小，γ越大，则机构传力性能越好。sin2FF=Fcosγ有效分力有害分力min0050~40F1ABCD1234V三、传动角与压力角F1F23、最小传动角的确定图示铰链四杆机构中，原动件为AB。各杆长度为：a、b、c、d。F1vcDF1CABF21234abcdf由图可见，γ与机构的∠BCD有关。cos2222addaBDBCDbccbBDcos2222bcaddacbBCD2cos2cos22221则在ΔABD和ΔBCD中，由余弦定理得：三、传动角与压力角讨论：F1vcDF1CABF21234abcdfDAbcaddacbBCD2cos2cos22221minC1B11）当∠BCD900时，即曲柄与机架重合共线时，机构将出现最小值。γ=∠BCD，则γmin=∠BCDmin，由公式可知，当φ=00时，有∠BCDmin。三、传动角与压力角bcaddacbBCD2cos2cos22221讨论：4vcABCD1F123B2DAC2max2）当∠BCD900时，γ=1800-∠BCD，则γmin=1800-∠BCDmax。由公式可知，当φ=1800时，有∠BCDmax。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现最小值。三、传动角与压力角min结论：min2min1min,即三、传动角与压力角以AB为原动件的曲柄摇杆机构，当曲柄和机架处于两共线位置时，机构会出现最小传动角。B2DAmaxC2B1m