三章平面连杆机构及其设计.ppt
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1、第三章 平面连杆机构及其 设计 基本要求: 1.了解平面四杆机构的基本型式,掌握其演化方法。 2.掌握平面四杆机构的工作特性。 3.了解连杆机构传动的特点及其功能。 4.掌握平面连杆机构运动分析的方法,学会将复杂的 平面连杆机构的运动分析问题转化为可用计算机解 决的问题。 5.了解平面连杆机构设计的基本问题,熟练掌握根据 具体设计条件及实际需要,选择合适的机构型式和 合理的设计方法,解决具体设计问题。 教学内容 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性 3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计 3-5 实现已
2、知运动规律的平面四杆机构运动设计 3-6 实现已知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 一、平面连杆机构的特点 1、连杆机构中构件间以低副相连,低副两元素为面 接触,在承受同样载荷的条件下压强较低,因而 可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何 形状比较简单(如平面、圆柱面),故容易加工 。 2、 构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕 定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆,又有 作平面一般运动的连杆、作往复直线运动的滑块 等,利用连杆机构可以获得各种形式的运动,这 在工程实际中具有重要价值。 一、平面连杆机构的特点 3、在主动件运动规律不变的情况
3、下,只要改 变连杆机构各构件的相对尺寸,就可以使 从动件实现不同的运动规律和运动要求。 4、连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆 ,可以看作是在所有方向上无限扩展的一 个平面,该平面称为连杆平面。在机构的 运动过程中,固接在连杆平面上的各点, 将描绘出各种不同形状的曲线,这些曲线 称为连杆曲线。 一、平面连杆机构的特点 缺点: 1、不能满足高精度运动要求。(累积误差大 ) 2、不适宜高速场合。(运动复杂,惯性力难 以平衡) 二、平面连杆机构的作用 a.实现有轨迹、 位置或运动规 律要求的运动 图示的四杆机构 为圆轨迹复制 机构,利用该 机构能实现预 定的圆形轨迹 二、平面连杆机构的作用 b.
4、实现从动件运动形式 及运动特性的改变 图示为单侧停歇曲线槽 导杆机构,当原动件 曲柄1连续转动至左侧 时,将带动滚子2进入 曲线槽的圆弧部分, 此时从动导杆3将处于 停歇状态,从而实现 了从动件的间歇摆动 。 二、平面连杆机构的作用 c. 实现较远距离的传动 如自行车的手闸,锻压机 械中的离合器控制。 d. 调节、扩大从动件行 程 图示为可变行程滑块机构 ,通过调节导槽与水平 线的倾角,可方便地改 变滑块的行程 二、平面连杆机构的作用 e. 获得较大的机械增益 目的达到增力。 图示为杠杆机构的示意 图。利用该机构也可 以获得较大的机构增 益 。 三、设计的基本问题 平面连杆机构设计通常包括选型
5、和运动尺寸设计 两个方面 。 选型:是确定连杆机构的结构组成,包括构件 数目以及运动副的类型和数目。 运动尺寸设计:是确定机构运动简图的参数, 包括转动副中心之间的距离、移动副位置尺寸 以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等。 运动尺寸设计是本章主要研究内容,它一般可 归 纳为以下三类基本问题: 三、设计的基本问题 1、实现构件给定位置(刚 体导引机构设计 ) 要求所设计的机构能引导 一个刚体顺序通过一系 列给定的位置。该刚体 一般是机构的连杆。 图示的铸造造型机砂箱 翻转机构,砂箱固结在 连杆连杆BCBC上,要求所设计的机构中的连杆能依次通过位置上,要求所设计的机构中的连杆能依次通过位置 ,以便引
6、导砂箱实现造型振实和拔模两个动作。,以便引导砂箱实现造型振实和拔模两个动作。 三、设计的基本问题 2、实现已知运动规律 (函数生成机构设计 ) 即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置 关系,包括满足一定的急回特性要,或者在主 动件运动规律一定时,从动件能精确或近似地 按给定规律运动。(如车门开闭机构 ) 3、实现已知运动轨迹(轨迹生成机构设计) 即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点 精确或近似地沿着给定的轨迹运动。 三、设计的基本问题 如:鹤式起重机 工作要求连杆上吊钩滑轮中心E点的轨迹为一 直线,以避免被吊运的物体作上下起伏 。 这类设计问题通常称为轨迹生成机构的设计 设计方法: 大致
7、可分为图解法、解析法、实验法三类 图图解法解析法实验实验 法 直观观性强、简单简单 易行。对对于某些 设计设计 往往比解析 法方便有效,它是 连连杆机构设计设计 的 一种基本方法。设设 计计精度低,不同的 设计设计 要求,图图解 的方法各异。对对于 较较复杂杂的设计设计 要 求,图图解法很难难 解决。 解析法精度较较 高,但计计算量 大,目前由于 计计算机及数值值 计计算方法的迅 速发发展,解析 法已得到广泛 应应用。 实验实验 法通常用 于设计设计 运动动要 求比较较复杂杂的 连连杆机构,或 者用于对对机构 进进行初步设计设计 。 设计时选用哪种方法,应视具体情况来决定 3-2 平面四杆机构
8、的基本型 式及其演化 一、铰链四杆机构 在平面连杆机构中,结构最简单的且应用最 广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构 ,其它多杆机构可看成在此基础上依次增 加杆组而组成。 在平面四杆机构中最基本的是铰链四杆机构 ,它可以演化成其它形式的四杆机构 铰链四杆机构: 所有运动副均为转动副的四 杆机构称为铰链四杆机构 1、组成 机架-构件4;连架杆-直接与 机架相连的构件1,3;连 杆-不直接与机架相连的构 件2 其中:曲柄连架杆1(能做 整周回转的连架杆) 摇杆连架杆3为( 仅能 在某一角度范围内往复摆动 的连架杆)。 转动副A、B为整转副,转动副C、 D为摆动副。 整转副:以转动副相连的两构件能
9、 作整周相对转动的转动副。 摆动副:以转动副相连的两构件不 能作整周相对转动的转动副。 类型: (1)曲柄摇杆机构 定义 在铰链四杆机构中,若两 连架杆中有一个为曲柄,另 一个为摇杆,则称为曲柄摇 杆机构。 实例 a.缝纫机踏板机构(如图) b.搅拌器机构 (如图) (2)双曲柄机构 定义 在铰链四杆机构中 ,若两连架杆均为曲 柄,称为双曲柄机构 。 传动特点 当主动曲柄连 续等速转动时,从动 曲柄一般不等速转动 。 实例 惯性筛机构 (右图) 双曲柄机构中有两 种特殊机构:平行 四边形机构和反平 行四边形机构 a、平行四边形机构 定义: 在双曲柄机构中,若 两对边构件长度相等且平行,则 称为
10、平行四边形机构。 传动特点: 主动曲柄和从动曲 柄均以相同角速度转动 惯性筛机构 平行四边形机构 位置不确定问题 平行四边形机构有一个 位置不确定问题,如图示 。 解快方法: (1)加惯性轮 利用惯性 维持从动曲柄转向不变。 (2)加虚约束 通过虚约 束保持平行四边形,如机车 车轮联动的平行四边形机构 b.反四边形机构 定义 两曲柄长度相同,而 连杆与机架不平行的铰链四 杆机构,称为反平行四边形 机构。如图示 应用实例 汽车车门开闭机构 (3)双摇杆机构 定义 在铰链四杆机构中, 若两连架杆均为摇杆,则称 为双摇杆机构。 实例: 鹤式起重机中的 四杆机构即为双摇杆机构 当主动摇杆摆动时,从动
11、摇杆也随之摆动,位于连 杆延长线上的重物悬挂点 将沿近似水平直线移动。 双摇杆机构中有一种特殊机 构: 等腰梯形机构 在双摇杆 机构,如果两摇杆长度相等 ,则称为等腰梯形机构。 实例 汽车前轮转向机构中的四杆机构 二、平面连杆机构的演化 铰链四杆机构其它形式平面四杆机构 演化 演化方法: (1)将转动副变成移动副; (2)变换机架; (3)扩大转动副。 1、转动副转化为移动副 在图(a)示曲柄摇杆机构中,当曲柄1转动时,摇杆 3上C点的轨迹是圆弧mm,且当摇杆长度愈长时,曲 线mm 愈平直。当摇杆为无限长时,mm将成为一条 直线,这时可把摇杆做成滑块,转动副D 将演化成 移动副,这种机构称为曲
12、柄滑块机构 (a) 曲柄滑块机构 如图(b)示 (b) 偏置曲柄滑块机构-e 不等于零,如图(b) 对心曲柄滑块机构-e 等于零,如图(c) 偏距e:滑块导路中心到曲 柄转动中心的距离。 (c) 实例 内燃机、往复 式抽水机及冲床等。 2、选取不同构件为机架 首先我们来了解一个概念 。 低副运动的可逆性 以低副相连接的两构件之间 的相对运动关系,不会因取其中哪一个构件为机架而改变, 这一性质称低副运动的可逆性。 当取不同的构件为机架时,会得到不同的四杆机构(如表) 表2.1 四杆机构的几种型式 I铰链四杆机构II含一个移动副的四杆机构III含有两个移动副的四杆机构机架 曲柄摇杆机构 曲柄滑块机
13、构 正切机构 4 双曲柄机构 转动导杆机构 双转块机构 1 双曲柄机构 转动导杆机构 1 双转块机构 正弦机构 曲柄摇杆机构 摆动导杆机构 曲柄摇块机构 2 3-3 平面四杆机构的主要 工作特性 一、转动副为整转副的充分必要条件 1、铰链四杆运动链中有整转副的条件 机构中具有整转副的构件是关键构件,因为只 有这种构件才有可能用电机等连续转动的装 置来驱动。若具有整转副的构件是与机架铰 接的连架杆,则该构件即为曲柄。 下面以图示的四杆机构为例,说明转动副为整 转副的条件: 在图中,设d a,在杆1绕转动副 A转动过程中,铰链点B与D之间 的距离g 是不断变化的,当B点到 达图示点B1和B2两位置
14、时,g 值 分别达到最大值 gmax=d +a 和最 小值 gmin=d -a。 如要求杆1能绕转动副A相对杆4作整周转动,则杆1应通过 AB1和AB2这两个关键位置,即可以构成三角形B1C1D和三角 形B2C2D。 根据三角形构成原理有如下的推导过程 : 综合归纳以上两种情况(即a d ),可得出如下重要 结论: 在铰链四杆机构中,如果某个转动副能成为整转副,则它所连 接的两个构件中,必有一个为最短杆,并且四个构件的长度关 系满足杆长之和条件。 注:在有整转副存在的铰链四杆机构中,最短杆两端的转动副 均为整转副。 推论: (1)若取最短杆为机架-得双曲柄机构; (2)若取最短杆的任一相邻的构
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