(1.3)--02章 平面连杆机构机械传动系统设计与实践.pdf

平面连杆机构 导学平面连杆机构-导学本本章章与与前前面面章章节节的的联联系系：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-导学平平面面连连杆杆机机构构的的优优缺缺点点：优优点点：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；缺缺点点：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。平平面面四四杆杆机机构构：由由四四个个杆杆件件构构成成的的平平面面连连杆杆机机构构本本章章的的学学习习目目标标：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-导学本本章章的的重重难难点点：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铰链链四四杆杆机机构构的的组组成成：1234曲曲柄柄：作作整整周周转转动动的的连连架架杆杆摇摇杆杆：仅仅能能在在某某一一角角度度内内摆摆动动的的连连架架杆杆机机架架：固固定定件件（构构件件4）连连杆杆：不不直直接接与与机机架架相相连连的的杆杆（构构件件2）连连架架杆杆：与与机机架架相相连连的的杆杆（构构件件1、3）铰铰链链四四杆杆机机构构中，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种基基本本型型式式：曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构：两两个个连连架架杆杆中中，一一个个是是曲曲柄柄，另另一一个个是是摇摇杆杆双双曲曲柄柄机机构构：两两个个连连架架杆杆都都是是曲曲柄柄双双摇摇杆杆机机构构：两两个个连连架架杆杆都都是是摇摇杆杆平面四杆机构的基本形式曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构：两两个个连连架架杆杆中中，一一个个是是曲曲柄柄，另另一一个个是是摇摇杆杆雷雷达达天天线线仰仰俯俯角角的的调调整整机机构构搅搅拌拌器器机机构构送送料料机机构构通通常常曲曲柄柄是是原原动动件件作作匀匀速速转转动动，摇摇杆杆为为从从动动件件，作作变变速速往往复复摆摆动动。摆摆动动等等速速转转动动应应用用案案例例：缝缝纫纫机机驱驱动动机机构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.反反平平行行四四边边形形机机构构（特特殊殊双双曲曲柄柄机机构构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。应应用用案案例例：公公交交车车车车门门启启闭闭机机构构 可可通通过过添添加加构构件件（虚虚约约束束）来来消消除除这这种种运运动动不不确确定定状状态态。添添加加虚虚约约束束构构件件应应用用案案例例：机机车车车车轮轮联联动动机机构构反反平平行行四四边边形形机机构构平面四杆机构的基本形式双双摇摇杆杆机机构构：两两个个连连架架杆杆都都是是摇摇杆杆有有整整转转副副的的双双摇摇杆杆机机构构无无整整转转副副的的双双摇摇杆杆机机构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鹤式式吊吊车车飞飞机机起起落落架架机机构构应应用用案案例例：车车轮轮转转向向机机构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.将将转转动动副副演演化化为为移移动动副副动动画画1：曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构动动画画2:将将摇摇杆杆做做成成曲曲线线滑滑块块动动画画3：扩扩大大曲曲线线滑滑块块的的半半径径到到无无穷穷大大 （偏偏置置式式曲曲柄柄滑滑块块机机构构）动动画画4：对对心心式式曲曲柄柄滑滑块块机机构构动动画画5：正正弦弦机机构构平面四杆机构的演化方法2.取取不不同同的的构构件件作作为为机机架架动动画画6：取取绿绿色色杆杆为为机机架架：曲曲柄柄摇摇杆杆机机构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。动动画画7：取取红红色色杆杆为为机机架架：双双曲曲柄柄机机构构动动画画8：取取黑黑色色杆杆为为机机架架：曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构动动画画9：取取蓝蓝色色杆杆为为机机架架：双双摇摇杆杆机机构构平面四杆机构的演化方法2.取取不不同同的的构构件件作作为为机机架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。动动画画10：曲曲柄柄滑滑块块机机构构动动画画11：定定块块机机构构动动画画12：摇摇块块机机构构动动画画13：回回转转导导杆杆机机构构平面四杆机构的演化方法3.扩扩大大转转动动副副的的尺尺寸寸动动画画14：曲曲柄柄滑滑块块机机构构动动画画16：双双偏偏心心轮轮机机构构动动画画15：偏偏心心轮轮机机构构曲柄摇杆机构的演化扩扩大大B点点处处的的转转动动副副的的尺尺寸寸进进一一步步扩扩大大C点点处处的的转转动动副副的的尺尺寸寸平面四杆机构的演化方法3.扩扩大大转转动动副副的的尺尺寸寸动动画画17：曲曲柄柄滑滑块块机机构构动动画画19：滑滑块块内内置置偏偏心心轮轮机机构构动动画画18：偏偏心心轮轮机机构构曲柄滑块机构的演化扩扩大大B点点处处的的转转动动副副的的尺尺寸寸进进一一步步扩扩大大C点点处处的的转转动动副副的的尺尺寸寸平面四杆机构的演化方法平面连杆机构 曲柄存在的条件对对于于图图1所所示示的的铰铰链链四四杆杆机机构构ABCD，不不妨妨假假设设A为为整整转转副副，相相应应地地，AB为为曲曲柄柄，即即AB杆杆应应能能占占据据整整周周中中的的任任何何位位置置。而而AB杆杆回回转转一一整整周周的的过过程程中中，最最难难以以通通过过的的两两个个位位置置是是 AB应应能能占占据据与与机机架架AD共共线线的的两两位位置置 和和 。BABA “存存在在曲曲柄柄”和和“具具有有整整转转副副”之之间间是是什什么么关关系系?“具具有有整整转转副副”是是“存存在在曲曲柄柄”的的前前提提。而而是是否否具具有有整整转转副副，取取决决于于各各杆杆的的相相对对长长度度。无无整整转转副副一一定定没没有有曲曲柄柄，有有整整转转副副有有可可能能有有曲曲柄柄。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 CBDCBD adbc()bdac()cdab因为：三角形任意两边之和大于第三边设设构构件件AB、BC、CD、AD的的长长度度分分别别为为a、b、c、dcbdacdbabdcaminmaxLLLLca ba da铰铰链链四四杆杆机机构构有有整整转转副副的的条条件件是是a为最短杆杆杆长长条条件件满满足足杆杆长长条条件件，则则机机构构中中存存在在整整转转副副。整整转转副副由由最最短短杆杆与与其其邻邻边边构构成成（最最短短杆杆的的两两端端均均为为整整转转副副）。存存在在整整转转副副存存在在曲曲柄柄！整整转转副副处处于于机机架架上上才才能能形形成成曲曲柄柄。曲柄存在的条件 CBDCBD 因为：三角形任意两边之和大于第三边设设构构件件AB、BC、CD、AD的的长长度度分分别别为为a、b、c、dcbdacdbabdcaminmaxLLLLca ba da铰铰链链四四杆杆机机构构有有整整转转副副的的条条件件是是a为最短杆杆杆长长条条件件满满足足杆杆长长条条件件，则则机机构构中中存存在在整整转转副副。整整转转副副由由最最短短杆杆与与其其邻邻边边构构成成（最最短短杆杆的的两两端端均均为为整整转转副副）。存存在在整整转转副副存存在在曲曲柄柄！整整转转副副处处于于机机架架上上才才能能形形成成曲曲柄柄。曲柄存在的条件adbc()bdac()cdab（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。整整转转副副处处于于机机架架上上才才能能形形成成曲曲柄柄。具具有有整整转转副副的的铰铰链链四四杆杆机机构构是是否否存存在在曲曲柄柄，还还与与选选择择何何杆杆为为机机架架有有关关。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曲柄柄摇摇杆杆机机构构双双曲曲柄柄机机构构考考察察机机架架双双摇摇杆杆机机构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铰链链四四杆杆机机构构无无整整转转副副杆杆长长条条件件有有整整转转副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、死点极极限限位位置置：曲曲柄柄在在转转动动一一周周的的过过程程中中，有有两两次次与与连连杆杆共共线线，即即 为为重重叠叠共共线线，为为拉拉直直共共线线。此此时时A A与与C C之之间间的的距距离离 和和 分分别别为为最最短短和和最最长长，而而此此时时摇摇杆杆C CD D摆摆至至其其左左、右右极极限限位位置置。摇摇杆杆两两极极限限位位置置间间的的夹夹角角 称称为为摇摇杆杆摆摆角角。11CAB22CAB1AC2AC极极位位夹夹角角：当当摇摇杆杆处处于于两两极极限限位位置置时时，对对应应曲曲柄柄的的两两共共线线位位置置之之间间所所夹夹的的锐锐角角 ，称称为为极极位位夹夹角角。急急回回特特性性运运动动特特性性四杆机构的急回特性 当当曲曲柄柄以以等等角角速速度度转转动动时时，因因 1 2、故故有有t 1 t2、则则2 1，即即摇摇杆杆的的摆摆回回平平均均速速度度大大于于摆摆出出的的平平均均速速度度，这这种种性性质质称称为为急急回回特特性性。一一般般情情况况：摆摆出出工工作作行行程程 摆摆回回非非工工作作行行程程急回运动示意图急急回回运运动动特特性性可可用用行行程程速速度度变变化化系系数数K K表表示示211122180180vtvtK 极极位位夹夹角角 越越大大，K值值就就越越大大，急急回回运运动动性性质质也也越越显显著著设设计计新新机机械械时时，根根据据机机械械的的急急回回要要求求先先给给出出K值值，算算出出极极位位夹夹角角,再再确确定定构构件件的的尺尺寸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，规定最小传动角压压力力角角和和传传动动角角：压力角和传动角40min90四杆机构的压力角和传动角BCD90o,=180o-BCD.最最小小传传动动角角 出出现现在在什什么么位位置置呢呢？min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死点点位位置置：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。四杆机构的死点应应对对死死点点的的措措施施：（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。死死点点位位置置的的应应用用：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22CB33CB11BC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。根根据据给给定定的的运运动动条条件件，确确定定机机构构运运动动简简图图的的尺尺寸寸参参数数。作作图图法法、解解析析法法、实实验验法法假假如如只只给给定定了了连连杆杆长长度度和和两两个个位位置置呢呢？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。、曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构 已知条件：摇杆长度 ，摆角 ,K值。3l11180KK1.求极位夹角：求求解解过过程程：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、曲曲柄柄滑滑块块机机构构2aAB134CbvcH已已知知：行行程程H，行行程程速速比比系系数数K，偏偏距距e，求求运运动动学学尺尺寸寸。C1C211180KK1.求极位夹角：求求解解过过程程（与与曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构类类似似）：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HO90eAc1c2BAB=(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：HO90eAc1c2Bmax=lAB=lACsin(/2)平面四杆机构的设计已已知知：机机架架长长度度lAC，行行程程速速比比系系数数K，求求构构件件尺尺寸寸。3、摆摆动动导导杆杆机机构构