機(jī)械設(shè)計(jì):平面連桿機(jī)構(gòu).ppt
第2章平面連桿機(jī)構(gòu),21鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式和特性,22鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件,23鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化,24平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),應(yīng)用實(shí)例:,內(nèi)燃機(jī)、鶴式吊、火車輪、手動(dòng)沖床、牛頭刨床、橢圓儀、機(jī)械手爪、開窗戶支撐、公共汽車開關(guān)門、折疊傘、折疊床、牙膏筒拔管機(jī)、單車制動(dòng)操作機(jī)構(gòu)等。,特征:有一作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件,稱為連桿。,特點(diǎn):采用低副。面接觸、承載大、便于潤(rùn)滑、不易磨損形狀簡(jiǎn)單、易加工、容易獲得較高的制造精度。,改變桿的相對(duì)長(zhǎng)度,從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。,連桿曲線豐富。可滿足不同要求。,定義:由低副(轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng))連接組成的平面機(jī)構(gòu)。,21鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式和特性,缺點(diǎn):構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副多,累積誤差大、運(yùn)動(dòng)精度低、效率低。,產(chǎn)生動(dòng)載荷(慣性力),不適合高速。,設(shè)計(jì)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的軌跡。,分類:,平面連桿機(jī)構(gòu),空間連桿機(jī)構(gòu),常以構(gòu)件數(shù)命名:四桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)。,本章重點(diǎn)內(nèi)容是介紹四桿機(jī)構(gòu)。,平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式:,基本型式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的。,名詞解釋:曲柄作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件;,三種基本型式:,(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu),特征:曲柄搖桿,作用:將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)。如雷達(dá)天線。,連桿作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件;,連架桿與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件;,搖桿作定軸擺動(dòng)的構(gòu)件;,周轉(zhuǎn)副能作360相對(duì)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)副;,擺轉(zhuǎn)副只能作有限角度擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。,曲柄,連桿,搖桿,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,(2)雙曲柄機(jī)構(gòu),特征:兩個(gè)曲柄,作用:將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。,雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)曲柄主動(dòng),縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu),應(yīng)用實(shí)例:如葉片泵、慣性篩等。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,旋轉(zhuǎn)式葉片泵,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,實(shí)例:火車輪,特例:平行四邊形機(jī)構(gòu),特征:兩連架桿等長(zhǎng)且平行,連桿作平動(dòng),攝影平臺(tái),天平,播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,反平行四邊形機(jī)構(gòu),-車門開閉機(jī)構(gòu),平行四邊形機(jī)構(gòu)在共線位置出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定。,采用兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開排列。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,(3)雙搖桿機(jī)構(gòu),特征:兩個(gè)搖桿,應(yīng)用舉例:鑄造翻箱機(jī)構(gòu),特例:等腰梯形機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),、風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì):潘存云,1.急回運(yùn)動(dòng),在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中,當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時(shí),搖桿位于兩個(gè)極限位置,簡(jiǎn)稱極位。,當(dāng)曲柄以逆時(shí)針轉(zhuǎn)過180+時(shí),搖桿從C1D位置擺到C2D。,所花時(shí)間為t1,平均速度為V1,那么有:,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3D,此兩處曲柄之間的夾角稱為極位夾角。,180,設(shè)計(jì):潘存云,當(dāng)曲柄以繼續(xù)轉(zhuǎn)過180-時(shí),搖桿從C2D,置擺到C1D,所花時(shí)間為t2,平均速度為V2,那么有:,180-,因曲柄轉(zhuǎn)角不同,故搖桿來回?cái)[動(dòng)的時(shí)間不一樣,平均速度也不等。,顯然:t1>t2V2>V1,搖桿的這種特性稱為急回運(yùn)動(dòng)。用以下比值表示急回程度,稱K為行程速比系數(shù)。,且越大,K值越大,急回性質(zhì)越明顯。,只要0,就有K>1,所以可通過分析機(jī)構(gòu)中是否存在以及的大小來判斷機(jī)構(gòu)是否有急回運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的程度。,設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí),往往先給定K值,于是:,設(shè)計(jì):潘存云,當(dāng)BCD90時(shí),BCD,2.壓力角和傳動(dòng)角,壓力角:從動(dòng)件驅(qū)動(dòng)力F與力作用點(diǎn)絕對(duì)速度之間所夾銳角。,設(shè)計(jì)時(shí)要求:min50,min出現(xiàn)的位置:,當(dāng)BCD>90時(shí),,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,F,對(duì)傳動(dòng)有利。,=Fsin,稱為傳動(dòng)角。,此位置一定是:主動(dòng)件與機(jī)架共線兩處之一。,可用的大小來表示機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力性能的好壞,當(dāng)BCD最小或最大時(shí),都有可能出現(xiàn)min,為了保證機(jī)構(gòu)良好的傳力性能,設(shè)計(jì):潘存云,由余弦定律有:B1C1Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,B2C2Darccosl42+l32-(l4-l1)2/2l2l3,若B1C1D90,則,若B2C2D>90,則,1B1C1D,2180-B2C2D,機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角一般在運(yùn)動(dòng)鏈最終一個(gè)從動(dòng)件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,3.機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置,搖桿為主動(dòng)件,且連桿與曲柄兩次共線時(shí),有:,此時(shí)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng).,避免措施:兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開排列,如火車輪機(jī)構(gòu);,稱此位置為:,“死點(diǎn)”,0,靠飛輪的慣性(如內(nèi)燃機(jī)、縫紉機(jī)等)。,0,0,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,鉆孔夾具,飛機(jī)起落架,也可以利用死點(diǎn)進(jìn)行工作:飛機(jī)起落架、鉆夾具等。,設(shè)計(jì):潘存云,平面四桿機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副可能存在曲柄。,桿1為曲柄,作整周回轉(zhuǎn),必有兩次與機(jī)架共線,l2(l4l1)+l3,則由BCD可得:三角形任意兩邊之和大于第三邊,則由B”C”D可得:,l1+l4l2+l3,l3(l4l1)+l2,AB為最短桿,最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和其他兩桿長(zhǎng)度之和,22鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件,l1+l2l3+l4,l4-l1,將以上三式兩兩相加得:l1l2,l1l3,l1l4,l1+l3l2+l4,設(shè)計(jì):潘存云,2.連架桿或機(jī)架之一為最短桿。,可知:當(dāng)滿足桿長(zhǎng)條件時(shí),其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是整轉(zhuǎn)副。,曲柄存在的條件:,1.最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和應(yīng)其他兩桿長(zhǎng)度之和,此時(shí),鉸鏈A為整轉(zhuǎn)副。,若取BC為機(jī)架,則結(jié)論相同,可知鉸鏈B也是整轉(zhuǎn)副。,稱為桿長(zhǎng)條件。,作者:潘存云教授,當(dāng)滿足桿長(zhǎng)條件時(shí),說明存在整轉(zhuǎn)副,當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時(shí),可得不同的機(jī)構(gòu)。如:曲柄搖桿1、曲柄搖桿2、雙曲柄、雙搖桿機(jī)構(gòu)。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,(1)改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸,23鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化,偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),曲柄搖桿機(jī)構(gòu),曲柄滑塊機(jī)構(gòu),雙滑塊機(jī)構(gòu),正弦機(jī)構(gòu),=lsin,設(shè)計(jì):潘存云,(2)改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架,偏心輪機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,牛頭刨床,應(yīng)用實(shí)例:,小型刨床,設(shè)計(jì):潘存云,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架,設(shè)計(jì):潘存云,(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架,手搖唧筒,這種通過選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的方法稱為:,機(jī)構(gòu)的倒置,例:選擇雙滑塊機(jī)構(gòu)中的不同構(gòu)件作為機(jī)架可得不同的機(jī)構(gòu),橢圓儀機(jī)構(gòu),正弦機(jī)構(gòu),24平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題,機(jī)構(gòu)選型根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)要求選擇機(jī)構(gòu)的類型;,尺度綜合確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)(長(zhǎng)度尺寸)。,同時(shí)要滿足其他輔助條件:,a)結(jié)構(gòu)條件(如要求有曲柄、桿長(zhǎng)比恰當(dāng)、運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)合理等);,b)動(dòng)力條件(如min);,c)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性條件等。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,飛機(jī)起落架,三類設(shè)計(jì)要求:,1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。,函數(shù)機(jī)構(gòu),要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足函數(shù)y=logx,設(shè)計(jì):潘存云,三類設(shè)計(jì)要求:,1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。前者要求兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),后者要求急回運(yùn)動(dòng),2)滿足預(yù)定的連桿位置要求,如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。,要求連桿在兩個(gè)位置垂直地面且相差180,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,鶴式起重機(jī),攪拌機(jī)構(gòu),要求連桿上E點(diǎn)的軌跡為一條卵形曲線,要求連桿上E點(diǎn)的軌跡為一條水平直線,三類設(shè)計(jì)要求:,1)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,兩連架桿轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng),如:飛機(jī)起落架、函數(shù)機(jī)構(gòu)。,2)滿足預(yù)定的連桿位置要求,如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。,3)滿足預(yù)定的軌跡要求,如:鶴式起重機(jī)、攪拌機(jī)等。,給定的設(shè)計(jì)條件:,1)幾何條件(給定連架桿或連桿的位置),2)運(yùn)動(dòng)條件(給定K),3)動(dòng)力條件(給定min),設(shè)計(jì)方法:圖解法、解析法、實(shí)驗(yàn)法,設(shè)計(jì):潘存云,一、按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu),計(jì)算180(K-1)/(K+1);,已知:CD桿長(zhǎng),擺角及K,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。步驟如下:,任取一點(diǎn)D,作等腰三角形腰長(zhǎng)為CD,夾角為;,作C2PC1C2,作C1P使,作PC1C2的外接圓,則A點(diǎn)必在此圓上。,選定A,設(shè)曲柄為l1,連桿為l2,則:,以A為圓心,AC2為半徑作弧交于E,得:l1=EC1/2l2=AC1EC1/2,AC2=l2-l1,=>l1=(AC1AC2)/2,C2C1P=90,交于P;,AC1=l1+l2,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,2)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),分析:由于與導(dǎo)桿擺角相等,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)時(shí),僅需要確定曲柄a。,計(jì)算180(K-1)/(K+1);,任選D作mDn,,取A點(diǎn),使得AD=d,則:a=dsin(/2)。,作角分線;,已知:機(jī)架長(zhǎng)度d,K,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。,設(shè)計(jì):潘存云,3)曲柄滑塊機(jī)構(gòu),已知K,滑塊行程H,偏距e,設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。,計(jì)算:180(K-1)/(K+1);,作C1C2H,作射線C1O使C2C1O=90,以O(shè)為圓心,C1O為半徑作圓。,以A為圓心,AC1為半徑作弧交于E,得:,作射線C2O使C1C2O=90。,作偏距線e,交圓弧于A,即為所求。,l1=EC2/2,l2=AC2EC2/2,設(shè)計(jì):潘存云,二、按預(yù)定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),a)給定連桿兩組位置,有唯一解。,將鉸鏈A、D分別選在B1B2,C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿足設(shè)計(jì)要求。,b)給定連桿上鉸鏈BC的三組位置,有無窮多組解。,設(shè)計(jì):潘存云,三、給定兩連架桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),給定連架桿對(duì)應(yīng)位置:構(gòu)件3和構(gòu)件1滿足以下位置關(guān)系:,建立坐標(biāo)系,設(shè)構(gòu)件長(zhǎng)度為:l1、l2、l3、l4,在x,y軸上投影可得:,機(jī)構(gòu)尺寸比例放大時(shí),不影響各構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)角.,l1coc+l2cos=l3cos+l4,l1sin+l2sin=l3sin,if(i)i=1,2,3n設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)(求各構(gòu)件長(zhǎng)度)。,令:l1=1,代入移項(xiàng)得:l2cos=l4l3coscos,則化簡(jiǎn)為:cocP0cosP1cos()P2,代入兩連架桿的三組對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角參數(shù),得方程組:,l2sin=l3sinsin,coc1P0cos1P1cos(11)P2,coc2P0cos2P1cos(22)P2,coc3P0cos3P1cos(33)P2,可求系數(shù):P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,將相對(duì)桿長(zhǎng)乘以任意比例系數(shù),所得機(jī)構(gòu)都能滿足轉(zhuǎn)角要求。若給定兩組對(duì)應(yīng)位置,則有無窮多組解。,舉例:設(shè)計(jì)一四桿機(jī)構(gòu)滿足連架桿三組對(duì)應(yīng)位置:,代入方程得:,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相對(duì)長(zhǎng)度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各桿相對(duì)長(zhǎng)度為:,選定構(gòu)件l1的長(zhǎng)度之后,可求得其余桿的絕對(duì)長(zhǎng)度。,cos45=P0cos50+P1cos(50-45)+P2,l1=1,l4=-l3/P1=1.442,l2=(l42+l32+1-2l3P2)1/2=1.783,l3=P0=1.553,設(shè)計(jì):潘存云,實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),當(dāng)給定連架桿位置超過三對(duì)時(shí),一般不可能有精確解。只能用優(yōu)化或試湊的方法獲得近似解。,1)首先在一張紙上取固定軸A的位置,作原動(dòng)件角位移i,2)任意取原動(dòng)件長(zhǎng)度AB,3)任意取連桿長(zhǎng)度BC,作一系列圓弧;,4)在一張透明紙上取固定軸D,作角位移i,5)取一系列從動(dòng)件長(zhǎng)度作同心圓弧。,6)兩圖疊加,移動(dòng)透明紙,使ki落在同一圓弧上。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,四、按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),攪拌機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì):潘存云,四、按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),連桿作平面運(yùn)動(dòng),其上各點(diǎn)的軌跡均不相同。,B,C點(diǎn)的軌跡為圓弧;,其余各點(diǎn)的軌跡為一條封閉曲線。,設(shè)計(jì)目標(biāo):就是要確定一組桿長(zhǎng)參數(shù),使連桿上某點(diǎn)的軌跡滿足設(shè)計(jì)要求。,設(shè)計(jì):潘存云,設(shè)計(jì):潘存云,本章重點(diǎn):,1.四桿機(jī)構(gòu)的基本形式、演化及應(yīng)用;,2.曲柄存在條件、傳動(dòng)角、壓力角、死點(diǎn)、急回特性:極位夾角和行程速比系數(shù)等物理含義,并熟練掌握其確定方法;,3.掌握按連桿二組位置、三組位置、連架桿三組對(duì)應(yīng)位置、行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的原理與方法。,