第二章-平面四杆机构课件.ppt

本章主要内容本章主要内容第一节 概述第二节 平面四杆机构的基本类型第三节 平面四杆机构的特性第四节 平面四杆机构的演化第五节 平面四杆机构的设计第六节 平面多杆机构介绍 2.1 2.1 平面连杆机构概述平面连杆机构概述1.1.平面连杆机构的定义平面连杆机构的定义 由若干刚性构件用低副联接而成的平面机构，故又称为平面低副机构。2 2、平面连杆机构的特点、平面连杆机构的特点1.构件运动形式多样；.低副面接触的结构使其具有磨损减小，制造方便，几何 封闭的优点；3.只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；4.运动中惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。活塞式发动机活塞式发动机 牛头刨床机构牛头刨床机构2.2.12.2.1组成与基本术语组成与基本术语1432组成：组成：构件构件1 1，3-3-连架杆连架杆构件构件 2 -2 -连杆连杆构件构件 4 -4 -机架机架能作整周转动的连架杆。能作整周转动的连架杆。只能在一定角度范围内摆动的只能在一定角度范围内摆动的 连架杆。连架杆。曲柄：曲柄：曲柄：曲柄：摇杆：摇杆：摇杆：摇杆：2.2 平面四杆机构的类型2.2.2 2.2.2 基本类型基本类型1.1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 在平面四杆机构中，若两个连架杆，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此平面四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄1为原动件，并作匀速转动；而摇杆3为从动件，作变速往复摆动 4 41 12 23 3 雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构2.2.双曲柄机构双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的平面四杆机构称为双曲柄机构。4 41 15 53 32 26 6 惯性筛惯性筛3.3.双摇杆机构双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的平面四杆机构称为双摇杆机构。E ED DC CB BA A 用于汽车，拖拉机的转向机构用于汽车，拖拉机的转向机构 车子转弯时，与前轮轴固定的两个摇杆的摆角不等，如果在任意位置都能使两前轮轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动，避免轮胎因滑动而损失。等腰梯形机构就能近似满足这个要求2.3 2.3 平面四杆机构的特性平面四杆机构的特性2.3.1 曲柄存在的条件 设四杆机构ABCD中各杆长分别为a,b,c,d。讨论：使a杆成为曲 柄的条件。C C1 14 43 32 2b bd dc ca aD DB BA A在三角形BCD中始终存在：或或当机构处在不同位置时当机构处在不同位置时,BD是变化的。是变化的。;代入上三式可写成：代入上三式可写成：即：即：将将(1)+(2)(1)+(2)，(2)+(3)(2)+(3)，(3)+(1)(3)+(1)并整理得：若设若设ad,ad,且以且以d d为机架，同理可导出：为机架，同理可导出：曲柄存在的条件：曲柄存在的条件：1 1、最短杆长度加最长杆长度之和小于或等、最短杆长度加最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。于其余两杆长度之和。2 2、在曲柄摇杆机构中，曲柄是短杆。、在曲柄摇杆机构中，曲柄是短杆。平面四杆机构类型的判断条件：平面四杆机构类型的判断条件：1 1 在满足杆长和的条件下：在满足杆长和的条件下：（1 1）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，该该该该 机构为机构为机构为机构为双曲柄机构双曲柄机构双曲柄机构双曲柄机构。（2 2）取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整）取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整 转副，该机构为转副，该机构为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构.（3 3）取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，）取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，该机构该机构为为为为双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构。2 2）若不满足杆长和条件：若不满足杆长和条件：该机构只能是双摇杆机构。该机构只能是双摇杆机构。2.3.2 2.3.2 急回特性急回特性DABCC1C2B2B11 1、极位、极位:当摇杆处在左，右两极端位置时，当摇杆处在左，右两极端位置时，对应整个机构所处的位置，即对应整个机构所处的位置，即 和和 称为极位。称为极位。2 2、极位夹角：、极位夹角：当机构处在极位时对应当机构处在极位时对应曲柄两位置之间所夹锐角，称为极位夹曲柄两位置之间所夹锐角，称为极位夹角。用角。用 表示。表示。为摇杆在两极限位置的为摇杆在两极限位置的摆角。摆角。y yDABCC1C2B2B1y y 曲柄匀速转动，摆杆变速摇动，急回曲柄匀速转动，摆杆变速摇动，急回运动如下：运动如下：曲柄：曲柄：摇杆摇杆:令：令：K-K-称为行程速比系数称为行程速比系数上式可导出：上式可导出：k1k1有急回运动；有急回运动；急回运动显著。急回运动显著。k kB BD DC CA A1 14 43 32 2F Fv vC C C C2.3.3 2.3.3 压力角和传动角压力角和传动角压力角：压力角：压力角：压力角：F Fn nF Ft t 作用在从动件上的驱动力方向与作用在从动件上的驱动力方向与该点绝对速度方向所夹锐角，用该点绝对速度方向所夹锐角，用a a 表示。表示。Ft a a 传动性能传动性能好，好，a amaxa a 在实际机构中，在实际机构中，不直观不直观,用用 的余角的余角 表示表示.为传动角为传动角.曲柄摇杆机构中的压力角和传动角 要注意的是，机构的压力角和传动角是对从动件而言的。在机构的运动过程中，压力角和传动角的大小是随着从动件的位置的变化而变化的，曲柄AB转到与机架AD共线的两个位置AB1和AB2时，传动角将出现极值和。比较这两个位置的传动角，其值较小者即为最小传动角。ABCDabcdB1B2C1C2PV2.3.4 2.3.4 2.3.4 2.3.4 死点位置死点位置死点位置死点位置 死点位置：死点位置：在有往复运动构件的在有往复运动构件的机构中，从动件与连杆共线的位置即机构中，从动件与连杆共线的位置即为死点位置。为死点位置。传动角：传动角：传动角：传动角：压力角的余角，用压力角的余角，用压力角的余角，用压力角的余角，用g g g g表示表示表示表示.从受力观点看从受力观点看,g g Ft 传力性能好！传力性能好！a a+g g=90o，g g=90o-a a由于由于 Ft=Fcos a a=Fsin g g一般：一般：o传递大扭矩时：传递大扭矩时：o位置的确定位置的确定位置的确定位置的确定ABCDabcdC1C2B1B2当当BCD 90o时，时，g=180g=180o o-BCD 最小传动角出现在最小传动角出现在下列位置之一下列位置之一.当当BCD90o时，时，g=g=BCD位置的确定位置的确定ABCDabcdC1C2B1B2（1 1）当曲柄）当曲柄AB AB 与机架与机架ADAD重叠共线时。重叠共线时。（2 2）当曲杆）当曲杆ABAB与机架与机架ADAD拉直共线时。拉直共线时。出现在曲柄与机架共线的两出现在曲柄与机架共线的两位置之一。位置之一。2.4 2.4 平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化2.4.1 2.4.1 移动副取代转动副的演化移动副取代转动副的演化 移动副可以认为是转动副的一种特殊情况，即转动中心位于垂直移动副导路的无限远处的一个转动副。C C4 41 12 23 3A AD DB B当当 时时的曲率的曲率4 41 12 23 3A AD DC CB B当当 时时直线。直线。C C4 41 12 2A AB B3 3 曲柄滑块机构就是用移动副代替曲柄摇杆机构中的转动副而演化得到的。曲柄滑块机构广泛应用活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。当滑块轨迹的延长线与回转中心存在偏距时，则称为偏置曲柄滑块机构。对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构1.双滑块机构双滑块机构 具有两个移动副的四杆机构。可以认为是铰链四杆机两杆长度趋于无穷大而演化成的。按照两个移动副所处位置的不同，可将双滑块机构按照两个移动副所处位置的不同，可将双滑块机构分为四种类型：分为四种类型：（1）两个移动副不相邻。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，故称为正切机构。正切机构。C C4 41 12 2A AB B3 3C C4 41 12 2A AB B3 3（2）两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构正弦机构。这两种机构常见于计算装置之中。（3）两个移动副相邻，且均不与机架相关联。下图的滑块连轴器就是这种机构的应用实例，它可以用来连接中心线不重合的两根轴。（4）两个移动副都与机架相关联。当滑块1和3沿机架的十字槽滑动时，连杆2上的各点描绘出长、短径不同的椭圆。1 14 43 32 22.4.2 2.4.2 变更机架的演化变更机架的演化 导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固定件而演化来的。4 4C C1 12 2A AB B3 34 41 12 2B BA A3 3C C取取取取1 1 1 1构件为机架构件为机架构件为机架构件为机架:当当当当 时，称为时，称为时，称为时，称为 摆动导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构。当当当当 时，称为时，称为时，称为时，称为 转动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构。1 14 4C C2 2A AB B3 3 刨床中的摆动导杆机构 B B取取取取2 2 2 2构件为机架构件为机架构件为机架构件为机架:称为称为称为称为摇块机构摇块机构摇块机构摇块机构 或或或或翻斗车机构。翻斗车机构。翻斗车机构。翻斗车机构。4 41 12 2A A3 3C C1 14 4C C2 2A AB B3 3取取取取3 3 3 3构件为机架构件为机架构件为机架构件为机架:称为称为称为称为压水井机构压水井机构压水井机构压水井机构 或或或或定块机构。定块机构。定块机构。定块机构。B B2 23 3C C4 41 1A A1 14 4C C2 2A AB B3 3 定块机构及其应用 2.4.3 2.4.3 扩大转动副的演化扩大转动副的演化4 4C C1 12 2A AB B3 3将将B B点转动副扩大点转动副扩大4 4C C1 12 2A AB B3 3转动副扩大演化为偏心轮的过程 当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮广泛应用于传力较在的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械之中。2.4.2 2.4.2 变更杆长的演化变更杆长的演化 如前所述，对于铰链四杆机构，各杆长的相对长度不同，机构的类型可能不同。当满足曲柄存在条件时，该机构可能有曲柄。此外，移动副取代转动副的演化也可以视为杆长趋于无穷大的演化。表表 四杆机构的几种形式四杆机构的几种形式 表表(续续)四杆机构的几种形式四杆机构的几种形式 2.5 2.5 平面连杆机构设计平面连杆机构设计2.5.1 2.5.1 平面连杆设计的基本问题平面连杆设计的基本问题即要求连杆机构中做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。（1）实现构件给定位置实现构件给定位置即要求连杆机构能引导构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。（2）实现已知运动规律实现已知运动规律即要求主、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求，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。（3）实现已知运动轨迹实现已知运动轨迹2.5.2 2.5.2 按照给定的行程速比系数设计四杆机构按照给定的行程速比系数设计四杆机构1)1)、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构解解:分析已知曲柄摇杆机构分析已知曲柄摇杆机构已知已知:求求:。解解:分析已知曲柄摇杆机构分析已知曲柄摇杆机构ADC1C2B1B2abcd关键问题关键问题关键问题关键问题:A A点如何找到点如何找到点如何找到点如何找到C1AC2=q,q,该角始终对应定直线该角始终对应定直线C1C2 ；A在以在以q q为圆周角的圆上为圆周角的圆上。作图如下作图如下:DC1C2MPNAEB2B1oo由于由于由于由于A A点任取点任取点任取点任取,有无穷解。有无穷解。有无穷解。有无穷解。2.5.3 2.5.3 2.5.3 2.5.3 按给定连杆位置设计四杆机构按给定连杆位置设计四杆机构按给定连杆位置设计四杆机构按给定连杆位置设计四杆机构1)1)已知：连杆的两位置已知：连杆的两位置B B1 1 1 1C C1 1 1 1和和B B2 2 2 2C C2 2 2 2，设，设计满足该两位置的四杆机构。计满足该两位置的四杆机构。B1B2C1C2解：解：B1B2C1C2b12Ac12D解：解：步骤同上类似。（但有唯一解。）步骤同上类似。（但有唯一解。）2)2)已知：连杆的三个位置已知：连杆的三个位置B B1 1 1 1C C1 1 1 1，B B2 2 2 2C C2 2 2 2和和B B3 3 3 3C C3 3 3 3，设计满足该三个位置的四杆机构。，设计满足该三个位置的四杆机构。B1B2B3C1C2C3B1B2B3C1C2C3b12b23Ac12c23D 2.5.42.5.4按两连架杆的对应角位移设计四杆机构按两连架杆的对应角位移设计四杆机构已知已知:两连架杆的对应角位移及四杆机构中某一构件两连架杆的对应角位移及四杆机构中某一构件的长度。求的长度。求:其余三杆长度。其余三杆长度。ABCDabcdi0i0解解:0ABDbci0iCaYXd(A)(B)0ABDbci0iCaYXda+b=d+c (B)其中其中:(C)解：解：将已知条件代入将已知条件代入(C)式：式：2.5.5 2.5.5 按照给定点的运动轨迹设计四杆机构按照给定点的运动轨迹设计四杆机构 四杆机构运动时，其连杆作平面复杂运动，连杆上每一点都描出一条封闭曲线的连杆曲线。连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。连杆曲线形状的多样性使它有可能用于实现复杂的轨迹。平面连杆曲线是高阶曲线，所以设计四杆机构使其连杆的某点实现给定的任意轨迹，是十分复杂的。为了便于设计，工程上常常利用事先编就的连杆曲线图谱。从图谱中找出所需的曲线。便可直接查出该四杆机构的各尺寸参数。这种方法称为图谱法。2.6 2.6平面多杆机构简介平面多杆机构简介 除上述以外，生产中常见的某些多杆机构，也可以看成是由若干个四杆机构组合扩展形成的。图示为筛料机主体机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两上四杆机构组成。第一个是由原动曲柄1、连杆2、从动曲柄3和机架6组成的双曲柄机构；第二个是由曲柄3（原动件）、连杆4、滑块5（筛子）和机架6组成的曲柄滑块机构。