《机械设计基础》教案——第三章 平面连杆机构.docx

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1、授课题目：第3章平面连杆机构3.1钱链四杆机构的基本类型和应用3.2钱链四杆机构中曲柄存在的条件及其基本类型的判别3.3钱链四杆机构的演化授课方式（请打J）理论课J讨论课口实验课口习题课口其他口课时安排2教学大纲要求：钱链四杆机构的基本类型和应用；较链四杆机构的演化；曲柄存在的条件。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）:掌握钱链四杆机构的基本类型；掌握曲柄存在的条件；掌握钱链四杆机构的演化方法。教学重点及难点:重点：钱链四杆机构的演化；曲柄存在的条件。难点：曲柄存在的条件。作业、讨论题、思考题：综合题31课后总结分析：总结较链四杆机构的演化结果；曲柄存在的条件。教学内容备注第3章平面连

2、杆机构一、基本概念连杆机构：是由若干个刚性构件通过低副联接而组成的机构，所以又称为低副机构。平面连杆机构：所有的构件都在同一平面或平行平面内运动的连杆机构。四杆机构：是平面连杆机构中应用最广泛、结构最简单而且最具代表性的平面低副机构。二、平面连杆机构的特点1、优点D适用于传递较大的动力，常用于动力机械。2）依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接触，且易于制造，易于保证所要求的制造精度3）能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，工程上常用来作为直接完成某种轨迹要求的执行机构2、缺点1）不宜于传递高速运动。2）可能产生较大的运动累积误差。3.1钱链四杆机构的基本类型和应用构件之间的连接全部是转动副

3、的四杆机构，称为钱链四杆机构。如图3-1所示为一钱链四杆机构。固定不动的杆4为机架。与机架相连的杆1和杆3称为连架杆，其中能作整周回转的称为曲柄，只能在小于360。的一定范围内摆动的则称为摇杆。连接两连架杆的杆2称为连杆。对于钱链四杆机构，按照其连架杆是曲柄还是摇杆，可分为以下三种型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。3.1.1曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的钱链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。如图3-2所示的雷达天线俯仰机构和图3-3所示的缝纫机踏板机构。图32雷达天线俯仰机构图33缝纫机踏板机构3.1.2双曲柄机构两个连架杆都是曲柄的钱链四杆机构，称为双曲柄机构。如图34

4、所示的惯性筛的四杆机构就属于这种机构。图34当双曲柄机构中的四个杆件满足相对两杆平行且长度相等时，称为平行双曲柄机构或平行四边形机构。它的运动特点是：两曲柄则以相同的角速度同向转动，而连杆作平移运动。如图3-5所示的火车联动机构和图3-6所示的摄影平台升降机构。图35火车联动机构图36摄影平台升降机构如果从动曲柄的转向发生反转，则该机构称为反平行四边形机构。车门开闭机构，就利用反平行四边形机构的两曲柄转向相反的特性，使两车门同时打开或关闭，如图37所不。图373. 1.3双摇杆机构两个连架杆都是摇杆的钱链四杆机构，称为双摇杆机构。如图3-8所示的飞机起落架和图39所示的汽车、拖拉机等的前轮转向

5、机构。图38图393.2 较链四杆机构中曲柄存在的条件及其基本类型的判别如图310所示的机构ABCD设构件1、2、3、4的长度分别为纵b、c、d,且ad,现讨论构件1相对于构件4作整周转动，即A为整转副的条件。图310若AB杆能绕A整周回转,则AB杆应能够占据与AD共线的两个位置AB，和AB”。为使AB杆能转至位置AB5,各杆长度应满足：+J+c为使AB杆能转至ABL各杆长度关系应满足：c+(d)BPa+c+J(32)或cZ?+(d)BPac+J(33)将式子(31)、(32)、(33)两两相加，得：6Z,6ZC,QWd(3一4)对于杆长da的情况，只要把式(32)和(33)中的(d-a)改为

6、Qd),然后再与式(3-1)两两相加，则可得：dWa,dWb,Jc(3一5)较链四杆机构曲柄存在条件为：1)连架杆和机架中必有一杆是最短杆；2)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。(称为杆长条件)上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄。由整转副存在的条件可知，若钱链四杆机构中最短构件与最长构件长度之和大于其余两构件长度之和时，则此机构中必不存在整转副，这时无论以哪个构件为机架，都是双摇杆机构。若钱链四杆机构中存在整转副，贝U：(1)当以最短杆为连架杆时，该机构成为曲柄摇杆机构；(2)当以最短杆为机架时，该机构成为双曲柄机构；(3)当以最短杆的连杆时，该机构成为双摇杆机构。

7、3.3 钱链四杆机构的演化3.3.1 将转动副转化为移动副这种方法是通过改变构件的形状和相对尺寸，把转动副转化为移动副，从而形成滑块机构。图3Hc所示为一个偏置曲柄滑块机构。3.3.2 取不同构件为机架1 .低副的运动可逆性用低副联接的两构件之间的相对运动关系，不因选取哪个构件为相对固定的构件而改变，这种特性称为低副的运动可逆性。2 .选取不同构件为机架实现机构的演化以低副运动的可逆性为基础，可提供选取不同构件作为机架实现机构的演化。如图312a所示的曲柄摇杆机构，若选取构件1为机架，便演化为双曲柄机构，如图312b所示；若选取构件2为机架，便演化为另一曲柄摇杆机构，如图312C所示；若选取构

8、件3为机架，便演化为双摇杆机构，如图312d所示。(a)(b)(d)图312图313a所示的曲柄滑块机构，若选构件1为机架，则演化为转动导杆机构，如图313b所示。若选构件2为机架，则演化为曲柄摇块机构，如图313C所示。若选构件3为机架，这时机构就演化成为直动导杆机构（也称定块机构），如图313d所示。(b)(d)图3133.3.3扩大转动副尺寸如图314a所示的曲柄滑块机构，当曲柄的尺寸很小时，由于结构和强度的需要,常通过扩大转动副B的尺寸，将曲柄改作成为一个如图3-14c所示的几何中心与回转中心不重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，这种机构称为偏心轮机构。授课题目：第3章平面连杆机构3. 4平

9、面四杆机构的工作特性_3.5平啊四杆机构的设计方法堂?个理论课J讨论课口实验课口习题课口其他口修2（请打J）I女排教学大纲要求：急回特性、压力角、死点；平面连杆机构的运动设计。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握平面连杆机构的急回特性、压力角、死点；掌握按给定的行程速比系数设计平面连杆机构；熟悉按给定连杆位置设计平面连杆机构；了解按给定点的运动轨迹设计平面连杆机构。教学重点及难点：重点：平面连杆机构的急回特性、压力角、死点；按给定的行程速比系数设计平面连杆机构。难点：按给定的行程速比系数设计平面连杆机构。作业、讨论题、思考题：综合题：32、33、34、35课后总结分析：总结平面连

10、杆机构产生急回特性的条件；总结产生死点的位置。教学内容I.第3章平面连杆机构1 .4平面四杆机构的工作特性3 .4.1急回特性图315曲柄摇杆机构的急回特性如图315所示的曲柄摇杆机构，曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件。原动件AB在一周的等速回转过程中，有两次与连杆共线，这时摇杆CD分别处于左右两个极限位置CbD和C2。，称为极位。机构在极位时，原动件AB所处两个位置之间所夹的锐角,称为极位夹角。=180+92=180o-2，因此介I2，故V2V10由此得出：摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种特性称为机构的急回特性。机构急回特性的大小，常用行程速比系数K来表示。C1C2/K

11、上二一二包二反（3-6）V1GG/r22180由式（3-6）可推出极位夹角。的计算式：夕二180。色（37）K+1上述分析表明，平面四杆机构具有急回特性的条件是：（1）原动件等角速整周转动，即曲柄为原动件；（2）输出件作往复运动；（3）极位夹角满足6,0o常见的具有急回特性的机构：曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构。3.4.2压力角与传动角在不计摩擦力、惯性力和重力时，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用表示。压力角的余角V=M2a,称为机构的传动角。压力角。或传动角y是衡量传力性能的重要指标。图318曲柄摇杆机构的压力角和传动角力F可分解为

12、沿DC方向的有效分力Ft=Fcosa和有害分力Fn=Fsinao为了保证机构具有良好的传动性能，一般应使最小传动角711un400-500o机构在运动过程中，压力角和传动角7是随机构位置而变化的。可以证明，Vmin必出现在曲柄AB与机架AD两次共线位置之一。3.4.3死点位置图3-19曲柄摇杆机构的死点位置如图319所示的曲柄摇杆机构，若以摇杆。为原动件，曲柄AB为从动件。不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下，当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过钱链中心A的力，对A点不产生力矩，这时，无论我们在原动件上施加多大的力都不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点。如果考虑运动副中的摩擦，

13、则不仅处于死点位置时的机构无法运动，而且处于死点位置附近的一定区域内，机构同样会发生“卡死”现象，称为自锁现象。显然，死点位置就是作往复运动的构件的极限位置，但只有当=0。时，极限位置才称为死点位置。所以对于曲柄滑块机构、摆动导杆机构及双摇杆机构中，都可能存在死点位置。死点的二重性：对于传动机构而言，死点会使机构处于停顿或运动不确定状态，它是不利的。例如，脚踏式缝纫机，有时出现踩不动或倒转现象，就是踏板机构处于死点位置的缘故。在工程实践中，也常常利用机构的死点位置来实现一些特定的工作要求。如图321所示钻床夹具，就是利用死点位置夹紧工件，并保证在钻削加工时工件不会松脱。3.5平面四杆机构的设计

14、方法3.5.1平面连杆机构设计的基本问题在生产实践中，平面连杆机构设计的基本问题可归纳为两大类：（1）实现给定从动件的运动规律即当原动件运动规律已知时，设计一个机构使其从动件（连杆或连架杆）能按给定的运动规律运动。如要求从动件按照某种速度运动，或具有一定的急回特性，或占据几个预定位置等。（2）实现给定的运动轨迹即要求机构在运动过程中连杆上某一点能实现给定的运动轨迹。如要求起重机中吊钩的轨迹为一条直线，搅拌机中搅拌杆端能按预定轨迹运动等。3.5.2按给定的行程速比系数设计例31设已知行程速比系数K,摇杆长度o,最大摆角夕，试设计一曲柄摇杆机构。设计过程如图3-22所示，具体设计步骤如下：（1）先

15、按照公式6=18（）。4,计算极位夹角公K+1（2）选取适当的比例尺仅，任取一点D,并以此点为顶点作等腰三角形，使两腰之长等于NIICD，CDC2=;（3）连接G、C2,作C2LGC2,再作GN使NCeW=90。一仇C2M与CIN交于点P；（4）以PCI为直径作一辅助圆，则在圆弧GPQ上任取一点A,连接AG、AC2,NCIAC2=仇所以曲柄回转中心A应在此圆弧上；（5）由IAB=NlQlACLIACl12）和IBC=Nl（+。/2）,确定出曲柄长度和连杆长度Ibc;（6）由图直接量取AD的长度，再按比例计算出实际长度图322按给定的行程速比系数设计曲柄摇杆机构3.5.3按给定连杆位置设计例32

16、如图324所示，设已知连杆的长度/叱，及机构在运动过程中要求占据的两个给定位置SG、&Q,试设计此较链四杆机构。图323翻转机构图324按连杆的两个给定位置图解设计四杆机构分析：设计这个机构的主要问题是，根据已知条件确定固定较链中心A、O的位置。由于连杆上5、C两点的运动轨迹分别是以A、。为圆心，以2ab、/o为半径的圆弧，所以A和。的位置必在线段囱&和CiC2的垂直平分线加和2上，但由于4和Icd未知，故此题有无穷多解。实际在设计时，一般考虑辅助条件，如机架位置、两连架杆所允许的尺寸、最小传动角等则可得唯一解。例33如图325所示，设已知连杆的长度/叱，若要求连杆占据三个给定位置BIC1、B

17、2C2,B3C3，试设计此较链四杆机构。图325按连杆的三个给定位置图解设计四杆机构具体设计步骤如下：选取适当的比例尺/,按预定位置画出BC1、B2Ci.B3C3;(2)连接送&、B2B3,ClC2、C2C3,并分别作它们的垂直平分线C2、岳3、CI2、C23,%2和岳3的交点即为圆心A,Q2和C23的交点即为圆心D;(3)以点A、。作为两固定较链的中心，连接AsGD则ASG。即为所要设计的四杆机构；(4)按比例计算出各杆长度。3.5.4按给定点的运动轨迹设计按给定点的运动轨迹设计四杆机构通常采用实验法，这里介绍工程上常用的图谱法。四杆机构在运转时，作平面运动的连杆上任一点都将在平面内描绘出一条复杂的封闭曲线，称为连杆曲线。连杆曲线的形状随连杆上点的位置以及各杆相对尺寸的不同而变化。如图326所示，为连杆平面上与5C平行的某一排上11个点的连杆曲线。为便于设计，工程上已通过实验方法，将不同比例的四杆机构上的连杆曲线整理成册，即成连杆曲线图谱。图326连杆曲线按给定点的运动轨迹设计四杆机构，可先从图谱中查找出与要求实现的轨迹形状相同或极其相似的连杆曲线，以及相应的四杆机构各杆长度的比值。