02章 平面连杆机构机械传动系统设计与实践.pptx

平面连杆机构导学平面连杆机构-导学本章与前面章节的联系：本章与前面章节的联系：运动副 低副 高副 转动副 移动副 l前面章节内容：平面机构：所有构件都在同一个平面内或者彼此平行的平面内运动的机构。运动副：两个构件直接接触，并且能够产生相对运动的连接。l本章内容：平面连杆机构：由若干个构件通过低副连接而成的平面机构。平面连杆机构-导学平面连杆机构的优缺点：平面连杆机构的优缺点：优点优点：1）运动形式多样，可以实现给定运动规律或运动轨迹；2）面接触，压强小，耐磨损，能承担较大载荷，3）且圆柱面和平面制造简便；缺点缺点：1）低副中存在间隙，会引起运动累积误差；2）设计较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。平面四杆机构：由四个杆件构成的平面连杆机构平面四杆机构：由四个杆件构成的平面连杆机构本章的学习目标：本章的学习目标：1.了解平面四杆机构的基本类型、典型应用及其演化形式；2.能根据铰链四杆机构各杆的长度判断铰链中是否存在曲柄及曲柄的位置；3.理解四杆机构的急回特性及其产生的原因、理解压力角、传动角、死点的概念及其对传动的影响；4.能根据给定从动件位置、行程速度变化系数、连架杆对应位置，利用作图法设计连杆机构。平面连杆机构-导学本章的重难点：本章的重难点：本章的重点有：1.铰链四杆机构的基本类型和演化的基本方法，2.铰链四杆机构中曲柄存在的条件；3.曲柄摇杆机构摇杆的极限位置、急回特性、压力角、传动角、死点等概念；4.连杆机构的设计。本章的难点为：曲柄存在条件和四杆机构的设计平面连杆机构-导学平面连杆机构平面四杆机构的基本形式平面四杆机构的基本形式平面四杆机构全转动副的铰链四杆机构含一个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构最基本的形态由铰链四杆机构演化得到由四个杆件构成的平面连杆机构铰链四杆机构含一个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构铰链铰链四杆机构四杆机构的的组成：组成：1234曲柄：曲柄：作整周转动的连架杆作整周转动的连架杆摇杆：摇杆：仅能在某一角度内摆动的连架杆仅能在某一角度内摆动的连架杆机架机架：固定件（构件：固定件（构件4）连杆连杆：不直接与机架相连的杆（构件：不直接与机架相连的杆（构件2）连架杆连架杆：与机架相连的杆（构件：与机架相连的杆（构件1、3）铰链四杆机构铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的。按连架杆的类型，可将铰链四杆机构分为三三种基本型式种基本型式：曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构：两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是摇杆两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是摇杆双曲柄机构：双曲柄机构：两个连架杆都是曲柄两个连架杆都是曲柄双摇杆机构：双摇杆机构：两个连架杆都是摇杆两个连架杆都是摇杆平面四杆机构的基本形式曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构：两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是摇杆摇杆雷达天线仰俯角的调整机构雷达天线仰俯角的调整机构搅拌器机构搅拌器机构送料送料机构机构通常曲柄是原动件作匀速转动，摇杆为从动件，作变速往通常曲柄是原动件作匀速转动，摇杆为从动件，作变速往复摆动。复摆动。摆动摆动等速转动等速转动应用案例：应用案例：缝纫机驱动机构缝纫机驱动机构平面四杆机构的基本形式双曲柄机构：两个连架杆都是曲柄1.普通双曲柄机构运动特点：主动曲柄等速转动从动曲柄变速转动惯性筛惯性筛机构运动简图应用案例：平面四杆机构的基本形式2.平行四边形机构（特殊双曲柄机构1）连杆与机架的长度相等，双曲柄的长度也相等且转向相同。运动特点：两曲柄转动的角速度始终相等，连杆作平动，且始终平行于机架。应用案例：摄影车座斗升降机构当这种机构四个铰链中心处于同一直线上时，将出现运动不确定状态。平面四杆机构的基本形式3.反平行四边形机构（反平行四边形机构（特殊特殊双曲柄机构双曲柄机构2）连杆与机架长度相等，双曲柄的长度相等，但转向相反。运动特点：两曲柄转动的角速度始终相等，连杆作平动，且始终平行于机架。应用案例：应用案例：公交公交车车门启闭机构车车门启闭机构 可通过添加构件（虚约束）来消除这种可通过添加构件（虚约束）来消除这种运动运动不确定状态不确定状态。添加虚约束构件添加虚约束构件应用案例：应用案例：机车车轮联动机构机车车轮联动机构反平行四边形机构反平行四边形机构平面四杆机构的基本形式双摇杆机构：双摇杆机构：两个连架杆都是摇杆两个连架杆都是摇杆有整转副的双摇杆机构有整转副的双摇杆机构无整无整转副的双摇杆机构转副的双摇杆机构双摇杆机构又可分为：1.无整转副的双摇杆机构2.有整转副的双摇杆机构鹤式吊车鹤式吊车飞机起落架机构飞机起落架机构应用案例：应用案例：车轮转向机构车轮转向机构平面四杆机构的基本形式平面连杆机构平面四杆机构的演化方法1.将转动副演化为移动副将转动副演化为移动副动画动画1：曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构动画动画2:将摇杆做成曲线滑块将摇杆做成曲线滑块动画动画3：扩大曲线滑块的半径到无穷大：扩大曲线滑块的半径到无穷大 （偏置式曲柄滑块机构）（偏置式曲柄滑块机构）动画动画4：对心式曲柄滑块机构：对心式曲柄滑块机构动画动画5：正弦机构：正弦机构平面四杆机构的演化方法2.取不同的构件作为机架取不同的构件作为机架动画动画6：取：取绿色杆绿色杆为机架：为机架：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构低副运动的可逆性：当取不同的构件作为机架时，各构件之间的相对运动关系不会发生改变。如右边的铰链四杆机构，最短杆（红色杆）两端为整转副，其余为非整转副。无论取哪个构件作为机架，各转动副能否整转的性质不会发生改变。但当取不同构件作为机架时，整转副是否位于机架上会发生改变。相应地，铰链四杆机构的类型也会发生改变。动画动画7：取：取红色杆红色杆为机架：为机架：双曲柄机构双曲柄机构动画动画8：取：取黑色杆黑色杆为机架：为机架：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构动画动画9：取：取蓝色杆蓝色杆为机架：为机架：双摇杆机构双摇杆机构平面四杆机构的演化方法2.取不同的构件作为机架取不同的构件作为机架对于曲柄滑块机构，同样可通过取不同构件作为机架的方法将其演变成其他机构。动画动画10：曲柄滑块机构：曲柄滑块机构动画动画11：定定块机构块机构动画动画12：摇块机构：摇块机构动画动画13：回转导杆机构：回转导杆机构平面四杆机构的演化方法3.扩大转动副的尺寸扩大转动副的尺寸动画动画14：曲柄滑块机构：曲柄滑块机构动画动画16：双偏心轮机构：双偏心轮机构动画动画15：偏心轮机构：偏心轮机构曲柄摇杆机构的演化扩大扩大B点点处的转动处的转动副的副的尺寸尺寸进一步扩进一步扩大大C点处点处的转动副的转动副的的尺寸尺寸平面四杆机构的演化方法3.扩大转动副的尺寸扩大转动副的尺寸动画动画17：曲柄滑块机构：曲柄滑块机构动画动画19：滑块：滑块内置内置偏心轮机构偏心轮机构动画动画18：偏心轮机构：偏心轮机构曲柄滑块机构的演化扩大扩大B点点处的转动处的转动副的副的尺寸尺寸进一步扩进一步扩大大C点处点处的转动副的转动副的的尺寸尺寸平面四杆机构的演化方法平面连杆机构曲柄存在的条件对于于图1所示的所示的铰链四杆机构四杆机构ABCD，不妨假不妨假设A为整整转副，相副，相应地，地，AB为曲柄，即曲柄，即AB杆杆应能占据整周中的任何位置能占据整周中的任何位置。而。而AB杆杆回回转一整周的一整周的过程中，最程中，最难以通以通过的两个位置的两个位置是是 AB应能占据与机架能占据与机架AD共共线的两位置的两位置 和和 。“存在曲柄存在曲柄”和和“具有整具有整转副副”之之间是什么关系是什么关系?“具有整具有整转副副”是是“存在曲柄存在曲柄”的前提的前提。而是否具有整而是否具有整转副，取决于副，取决于各杆的相各杆的相对长度度。无无整整转副副一定没有一定没有曲柄，曲柄，有有整整转副副有可能有有可能有曲柄。曲柄。曲柄存在的条件曲柄摇杆机构有整转副双曲柄机构有整转副双摇杆机构有整转副双摇杆机构无整转副图1 因为：三角形任意两边之和大于第三边设构件设构件AB、BC、CD、AD的长度分别为的长度分别为a、b、c、d铰链四杆机构铰链四杆机构有整转副的条件有整转副的条件是是a为最短杆杆长条件杆长条件满足杆长条件，则满足杆长条件，则机构中机构中存在整转副。存在整转副。整转副由最短杆与其邻边构成整转副由最短杆与其邻边构成（最短杆的两端均为整转副最短杆的两端均为整转副）。）。存在整转副存在整转副存在曲柄！存在曲柄！整整转副副处于机架上于机架上才能形成曲柄。才能形成曲柄。曲柄存在的条件 因为：三角形任意两边之和大于第三边设构件设构件AB、BC、CD、AD的长度分别为的长度分别为a、b、c、d铰链四杆机构铰链四杆机构有整转副的条件有整转副的条件是是a为最短杆杆长条件杆长条件满足杆长条件，则满足杆长条件，则机构中机构中存在整转副。存在整转副。整转副由最短杆与其邻边构成整转副由最短杆与其邻边构成（最短杆的两端均为整转副最短杆的两端均为整转副）。）。存在整转副存在整转副存在曲柄！存在曲柄！整整转副副处于机架上于机架上才能形成曲柄。才能形成曲柄。曲柄存在的条件（1）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副得双曲柄机构；（2）取最短杆的邻边为机架，机架上只有一个整转副，得曲柄摇杆机构；（3）取最短杆的对边为机架，机架上没有整转副，得双摇杆机构。整整转副处于机架上才能形成曲柄转副处于机架上才能形成曲柄。具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还与选。具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还与选择何杆为机架有关。择何杆为机架有关。双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构曲柄存在的条件判别铰链四杆机构基本类型的方法流程图曲柄曲柄摇杆机构杆机构双曲柄机构双曲柄机构考察机架考察机架双双摇杆机构杆机构以最短杆邻边为机架以最短杆为机架以最短杆对边为机架无论取哪个杆为机架否否是是铰链四杆机构四杆机构无整转副无整转副杆长条件杆长条件有整转副有整转副判断铰链四杆机构类型的流程：曲柄存在的条件课堂练习1练习：依据上述流程，判断下列铰链四杆机构的类型。10090120301501207030150120706016020140170曲柄存在的条件平面连杆机构急回特性、传动角与压力角、死点极限位置极限位置：曲柄曲柄在转动一周的过程中，有两次在转动一周的过程中，有两次与连杆共线与连杆共线，即即 为重叠共线为重叠共线，为为拉直共线。此时拉直共线。此时A A与与C C之间的距离之间的距离 和和 分别为分别为最短和最长最短和最长，而此时，而此时摇摇杆杆CDCD摆至其摆至其左、右极限位置左、右极限位置。摇杆两极限位置间的夹角摇杆两极限位置间的夹角 称为称为摇杆摆角摇杆摆角。极位极位夹角角：当：当摇杆杆处于两极限位置于两极限位置时，对应曲柄的两共曲柄的两共线位置之位置之间所所夹的的锐角角 ，称称为极位极位夹角角。急急回特性回特性运动特性运动特性四杆机构的急回特性 当曲柄以等角速度当曲柄以等角速度转动时，因转动时，因 1 2、故故有有t 1 t2、则则2 1，即摇杆的摆回平均速度大即摇杆的摆回平均速度大于摆出的平均速度，这种性质称为于摆出的平均速度，这种性质称为急回特性。急回特性。一般情况：摆出一般情况：摆出工作行程工作行程 摆回摆回非工作行程非工作行程急回运动示意图急回运动特性可用急回运动特性可用行程速度变化系数行程速度变化系数K K表示表示 极位极位夹角角 越越大，大，K值就越就越大，急回运大，急回运动性性质也越也越显著著设计新机械新机械时，根据机械的急回要求先，根据机械的急回要求先给出出K值，算出，算出极位极位夹角角,再确定构件的尺寸再确定构件的尺寸四杆机构的急回特性对于对心式曲柄滑块机构，因其0，故无急回特性 对于偏置曲柄滑块机构，因其0，故有急回特性四杆机构的急回特性对于摆动导杆机构，其0，同样具有急回特性。四杆机构的急回特性受力构件上，受力点的速度方向与该点所受力的方向之间所夹的锐角称为压力角。压力角 越小，有效分力就越大。压力角可作为判断机构传力性能的标志。为了度量方便，习惯用压力角的余角传动角 来判断机构传力性能。压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好。机构在运转一周的过程中，传动角是变化的。为保证机构正常工作，规定最小传动角压力角和传动角：压力角和传动角：压力角和传动角四杆机构的压力角和传动角BCD90o,=180o-BCD.最小最小传动角角 出出现在什么位置呢？在什么位置呢？当BCD90o时，B点距离D点越近，传动角越小。即A、B、D三点共线（B点在A点和D点之间）时，传动角最小。当BCD90o时，B点距离D点越远，传动角越小。即A、B、D三点共线（A点在B点和D点之间）时，传动角最小。min=minmin,min四杆机构的压力角和传动角死点位置：死点位置：以摇杆为原动件，曲柄为从动件时，机构的两个极限位置即为死点位置。在这两个位置上，摇杆通过连杆加给曲柄的力恰好通过曲柄的回转中心A，此时力对A点不产生力矩，无论驱动力有多大，都不能使曲柄转动。在死点位置上，机构的从动件会出现卡死或运动不确定现象。四杆机构的死点应对死点的措施：应对死点的措施：（1）对从动曲柄施加外力；（2）利用飞轮及构件自身的惯性，闯过死点。死点位置的死点位置的应用：应用：死点位置对传动不利，但对某些夹紧装置却可用于防松。四杆机构的死点平面连杆机构平面四杆机构的设计1.按给定连杆位置设计四杆机构平面四杆机构的设计已知连杆长度及其三个位置 、，设计四杆机构。根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。作图法作图法、解析法、实验法、解析法、实验法假如只假如只给定了定了连杆杆长度和两度和两个位置呢？个位置呢？这种情况实际上就是要确定A和D的位置。利用A和D分别是B点和C点运动轨迹的圆心来求解。2.按照给定的行程速度变化系数K值设计平面四杆机构的设计设计具有急回运动要求的四杆机构：据K值算出极位夹角 ，再根据机构在极限位置的几何关系，结合有关辅助条件来确定机构的尺寸参数。、曲柄曲柄摇杆机构杆机构 已知条件：摇杆长度 ，摆角 ,K值。1.求极位夹角：求解求解过程：程：2.选定比例尺，画出摇杆CD两极限位置；PC2C1=90o-3.求作点P,点P满足：C2C1P=90o4.以PC2为直径，PC2的中点为圆心，作点C1、C2、P的外接圆。平面四杆机构的设计a=(AC2-AC1)/2 b=(AC2+AC1)/25.在点C1、C2、P的外接圆上任选一点作为A点，连接AC1、AC2。6.检验机构的最小传动角是否满足要求。平面四杆机构的设计AB+BC=AC2BC-AB=AC1则曲柄AB和连杆BC的长度分别为：平面四杆机构的设计2、曲柄滑、曲柄滑块机构机构2aAB134CbvcH已知已知：行程：行程H，行程速比系数行程速比系数K，偏距偏距e，求运动学尺寸。，求运动学尺寸。C1C21.求极位夹角：求解求解过程（与曲柄程（与曲柄摇杆机构杆机构类似）：似）：2.选定比例尺，画出摇杆CD两极限位置；平面四杆机构的设计HOeAc1c2BAB=(AC1-AC2)/2BC=AC1-ABAB+BC=AC1BC-AB=AC2C1C2O=90o-且点O在C1C2的中垂线上3.求作点O,点O满足：4.以点O为圆心，OC1为直径做圆。5.做一条平行于C1C2，且与C1C2间距为e的直线，取这条直线与圆的交点作为A点，连接AC1、AC2，则则曲柄AB和连杆BC的长度分别为：HOeAc1c2Bmax=lAB=lACsin(/2)平面四杆机构的设计已知已知：机架长度：机架长度lAC，行程速比系数行程速比系数K，求构件尺寸求构件尺寸。3、摆动导杆机构杆机构