平面连杆机构及其设计课件.ppt

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1、关于平面连杆机构及其设计第1页，此课件共45页哦2特征：特征：有一作平面运动的构件（中间构件），称为连杆。有一作平面运动的构件（中间构件），称为连杆。定义：定义：由若干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆由若干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆机构；连杆机构又称为低副机构。机构；连杆机构又称为低副机构。应用实例：应用实例：内燃机内燃机、火车轮火车轮、牛牛头刨床头刨床、椭圆仪椭圆仪、公共汽车开关门公共汽车开关门、开窗户支撑、折叠开窗户支撑、折叠伞、折叠床、伞、折叠床、单车单车制动操作机构等。制动操作机构等。开窗支撑开窗支撑(avi)钳物机构钳物机构(avi)第2页，此课件共45页哦3特点：特点

2、：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富，可满足不同要求。连杆曲线丰富，可满足不同要求。缺点：缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。设计复杂，难以实现精确的轨迹。第3页，此课件共45页哦4分类分类:本章重点内容是介绍

3、本章重点内容是介绍四杆机构。四杆机构。1、平面连杆机构平面连杆机构，如：，如：2、空间连杆机构空间连杆机构，如：，如：常以构件数命名：常以构件数命名：四杆机构四杆机构、多杆机构多杆机构。第4页，此课件共45页哦5(avi)曲柄曲柄作整周回转的构件；作整周回转的构件；连杆连杆作平面运动的构件作平面运动的构件连架杆连架杆(与机架相连的构与机架相连的构件件)摇杆摇杆作摆动的构件；作摆动的构件；曲柄曲柄摇杆摇杆5.1 5.1 平面四杆机构的基本类型及其演化平面四杆机构的基本类型及其演化5.1.1 平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式机架机架机架机架固定件固定件铰链四杆机构铰链四杆机构组成:连杆

4、连杆第5页，此课件共45页哦6（1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构铰链四杆机构的基本型式铰链四杆机构的基本型式(类型类型)（2 2）双曲柄机构）双曲柄机构（3 3）双摇杆机构）双摇杆机构第6页，此课件共45页哦71 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构作用：作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线、搅拌机、碎石机。如雷达天线、搅拌机、碎石机。第7页，此课件共45页哦82 2）双曲柄机构）双曲柄机构特征特征：两个曲柄：两个曲柄作用：作用：将等速回转转变为将等速回转转变为等速等速或或变变速速回转。回转。应用实例：应用实例：如如惯性筛惯性筛，火车轮，火车

5、轮等。等。第8页，此课件共45页哦9ABCD实例：实例：火车轮火车轮特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB=CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行，连杆作平动连杆作平动BC=ADABDC摄影平台摄影平台作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授BC天平天平第9页，此课件共45页哦10反平行四边形机构反平行四边形机构-车门开闭机构车门开闭机构反向反向第10页，此课件共45页哦113 3、双摇杆机构双摇杆机构特征：特征：两个摇杆两个摇杆应用举例：飞机起落架、吊车、夹具等。应用举例：飞机起落架、吊车、夹具等。第11页，此课件共45页哦121 1）改变构件的形状和运动尺寸改变构件的

6、形状和运动尺寸偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构s=l sin l5.1.2 平面四杆机构的演化形式平面四杆机构的演化形式第12页，此课件共45页哦132 2）改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸3 3）选不同的构件为机架选不同的构件为机架偏心轮机构偏心轮机构导杆机构导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC第13页，此课件共45页哦14牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例:ABDC1243C2C1小型刨床小型刨床ABDC

7、E123456第14页，此课件共45页哦15应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234BACB1234导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC摇块机构摇块机构314A2BC第15页，此课件共45页哦16314A2BC直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：法称为：机构的倒置机构的倒置BC3214AABC3214第16页，此课件共45

8、页哦17双双曲曲柄柄机机构构(avi)双双摇摇杆杆机机构构(avi)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(avi)5.2 5.2 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识5.2.1 铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件第17页，此课件共45页哦18曲柄摇杆机构运动特点的观察曲柄摇杆机构运动特点的观察特点：特点：曲柄曲柄与连杆出现与连杆出现一次共线、一次共线、一次重合一次重合(avi)第18页，此课件共45页哦19特点：特点：1.曲柄与连杆均未曲柄与连杆均未出现重合出现重合(或共线或共线)现现象；象；2.固定铰链均为整周固定铰链均为整周回转铰链；连杆上两回转铰链；连杆上两活动铰链均为非整周活

9、动铰链均为非整周回转铰链。回转铰链。双曲柄机构运动特点的观察双曲柄机构运动特点的观察(avi)第19页，此课件共45页哦20特点：特点：摇摇杆与连杆杆与连杆均出现重均出现重合或共线合或共线连杆与左摇杆重合连杆与左摇杆重合连杆与右摇杆共线连杆与右摇杆共线连连杆杆与与右右摇摇杆杆重重合合 连连杆杆与与左左摇摇杆杆共共线线双摇杆机构运双摇杆机构运动特点的观察动特点的观察第20页，此课件共45页哦21 结论：结论：若要连架杆能整周回转若要连架杆能整周回转(即成为曲柄即成为曲柄)，则另一连架杆与连杆不能出现重合或共线，则另一连架杆与连杆不能出现重合或共线(平行四边形机构除外）平行四边形机构除外）。第21

10、页，此课件共45页哦22fABCDdabcCBBCDminBCBCDmaxfminfmax 若要使若要使AB杆成为曲柄，必须有杆成为曲柄，必须有 BCD存在，存在，cos BCD=b2+c2-f22bc亦即亦即 0 BCD 180为使此式成立，须有：为使此式成立，须有：0 BCDmin，BCDmax 40+55 该机构为双摇杆机构。该机构为双摇杆机构。对图对图(b)，有：，有：20+80 40+70，且最短杆为连架杆，且最短杆为连架杆，该机构为曲柄摇杆机构。该机构为曲柄摇杆机构。30704055(a)20804070(b)第25页，此课件共45页哦26 b.确定构件尺寸确定构件尺寸 例：若要求

11、该机构为曲柄摇杆机构，问例：若要求该机构为曲柄摇杆机构，问AB杆尺寸应为多少？杆尺寸应为多少？B1107060ACD解：解：1.设设AB为最短杆为最短杆即即 LAB+110 60+70LAB 20 2.设设AB为最长杆为最长杆即即 LAB+60 110+70LAB 120 3.设设AB为之间杆为之间杆即即 110+60 LAB+70100 LAB所以所以AB杆的取值范围为：杆的取值范围为：0tt2 2 V V2 2 V V1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。用以下比值表示急回程度称称K为为行程速比系数行程速比系数。12VVK 18018021tt且且越大，越大，K值越大

12、，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。只要只要 0，就有就有 KK111180KK设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K值，于是值，于是:2212tCCV)180/(21CC121221tCCtCCB1C1ADC2B2第28页，此课件共45页哦29曲柄滑块机构的急回特性曲柄滑块机构的急回特性应用：应用：节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。180180180180-导杆机构导杆机构的急回特性？的急回特性？180180180180-思考题：思考题：对心曲柄滑块机构的急回特性如何？对心曲柄滑块机构的急回特性如何？第29页，此课件共45页哦3

13、0FF F”当当BCD90BCD90时，时，BCDBCD5.23 压力角和传动角压力角和传动角压力角压力角：从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。设计时要求设计时要求:minmin4040minmin出现的位置：出现的位置：当当BCD90BCD90时，时，180180-BCD-BCD切向分力切向分力:F F=Fcos=Fcos法向分力法向分力:F F”=Fcos=Fcos F F对传动有利对传动有利。=Fsin=Fsin称称为为传动角传动角。此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。ABCDCDBAFF”

14、F可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能的好坏,当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现minmin第30页，此课件共45页哦31车门车门C1B1abcdDA由余弦定律有：由余弦定律有：B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc/2bc BB2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc若若B B1 1C C1 1D90D90,则则若若B B2 2C C2 2D90D90,则则1 1B B1 1

15、C C1 1D D2 2180180-B-B2 2C C2 2D D机构的传动角一般在运动链最机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。终一个从动件上度量。v1 1minminBB1 1C C1 1D,180D,180-B-B2 2C C2 2DDminminC2B22 2F F2 2第31页，此课件共45页哦32F5.2.4 机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆与曲且连杆与曲柄两次共线柄两次共线时时，有：，有：此时此时机构不能运动机构不能运动.避免措施：避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构两组机构错开排列，如火车轮机构;称此位置为：称此位置为：“死点死点”0

16、 0靠飞轮的惯性靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBCABEFDCG0 0F0 0第32页，此课件共45页哦33工件工件ABCD1234PABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具=0=0TABDC飞机起落架飞机起落架ABCD=0=0F也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻孔夹具飞机起落架、钻孔夹具等。等。第33页，此课件共45页哦345.3 5.3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 1.连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题2.用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构3.用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构第34页，此课件

17、共45页哦35 5.3.1 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型机构选型根据给定的运动要求选择机根据给定的运动要求选择机 构的类型；构的类型；尺度综合尺度综合确定各构件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长度长度 尺寸尺寸)。同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）运动副结构合理等）;b)动力条件（如动力条件（如minmin）;c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。第35页，此课件共45页哦36给定的设计条件：给定的设计条件：1)几何条件几何条件（给定连架杆或连杆的位置）（给定

18、连架杆或连杆的位置）2)运动条件运动条件（给定（给定K）3)动力条件动力条件（给定（给定minmin）设计方法：设计方法：作图法、解析法作图法、解析法连杆设计的三类问题：连杆设计的三类问题：1)刚体引导问题刚体引导问题2)函数生成问题函数生成问题3)轨迹生成问题轨迹生成问题第36页，此课件共45页哦371）按连杆预定的位置设计四杆机构）按连杆预定的位置设计四杆机构a)给定连杆两组位置给定连杆两组位置有唯一解。有唯一解。B2C2AD将铰链将铰链A、D分别选在分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。置都能满足设计要求。b)给定连杆上铰链给定连杆

19、上铰链BC的三组位置的三组位置有无穷多组解。有无穷多组解。ADB3C3DB1C15.3.2 用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构AB1C1B2C2第37页，此课件共45页哦38E 2）按给定的急回要求设计四杆机构）按给定的急回要求设计四杆机构(1)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构计算计算180(K-1)/(K+1);已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K，设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为;作作C2PC1C2，作，作C1P使使作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此

20、圆上。C2C1P=90,交于交于P;P;90-PDAC1C2选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为a ，连杆为，连杆为b ，则，则:以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：a=EC1/2 b=A=A C1EC1/2,A,A C2=b-a=a=(A A C1A A C2)/2 A A C1=a+b第38页，此课件共45页哦39E222ae(2)曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H，偏，偏距距e e，设计此机构，设计此机构 。计算计算:180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C1 C2 H H作射线作射线C

21、1O O 使使C2C1O=90,以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作射线C2O O使使C1C2 O=90。作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。C1C29090-o9090-Al1=EC2/2l2=A=A C2EC2/2第39页，此课件共45页哦40ADmn=D(3)导杆机构导杆机构分析：分析：由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1

22、)/(K+1);任选任选D D作作mDnmDn，在在mDnmDn的平分线上取的平分线上取A A点，使点，使得得AD=d,AD=d,则则:a=dsin(a=dsin(/2)/2)=Ad作角平分线作角平分线;已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。设计此机构。第40页，此课件共45页哦415.3.3 用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构思路：思路：首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量在首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解所需内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解所需的机构尺度参数。的机构尺度参数。重点：按预定的运动规律设计四杆机构重点

23、：按预定的运动规律设计四杆机构第41页，此课件共45页哦42xyABCD1234给定连架杆对应位置：给定连架杆对应位置：构件构件3和构件和构件1满足以下位置关系：满足以下位置关系：abcd建立坐标系建立坐标系,设构件长度为：设构件长度为：a、b、c、d在在x,yx,y轴上投影可得：轴上投影可得：a+b=c+d机构尺寸比例缩放时，不影响各构件相对转角机构尺寸比例缩放时，不影响各构件相对转角.a coc1i i+bcos2i i=c cos3i i+d a sin1i i+b sin2i i=c sin3i i 3i if(1i i)i=1,2,3n设计此四杆机构设计此四杆机构(求各构件长度求各构

24、件长度)。1i i3i i2i i 令：令：a/a=1 b/a=l c/a=m d/a=n第42页，此课件共45页哦43P1P2令令:P0消去消去2i2i整理得：整理得：coscos(1i1i)m cos(3i)-(m/n)cos(3i-1i)+(m2+n2+1-l2)/(2n)代入移项得：代入移项得：lcos2 i=n+mcos(3i)cos(1i)lsin2 i=msin(3i)sin(1i)则上式简化为：则上式简化为：coccoc(1i 1i)P0cos(3i)P1 cos(3i-1i)+P2式中包含有式中包含有p0，p1，p2三个待定参数三个待定参数,故四杆机构最多可按两故四杆机构最多

25、可按两连架杆的三组对应位置精确求解。连架杆的三组对应位置精确求解。当当i3i3时，一般不能求得精确解，只能用最小二乘法近似求解。时，一般不能求得精确解，只能用最小二乘法近似求解。当当i3i3时，可预定部分参数，有无穷多组解。时，可预定部分参数，有无穷多组解。第43页，此课件共45页哦44举例：举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 34545 50 50 90 90 80 80 135 135 110 1101 11 13 33 3代入方程得：代入方程得：cos90cos90=P=P0 0cos80cos80

26、+P+P1 1cos(80cos(80-90-90)+P)+P2 2 cos135cos135=P=P0 0cos110cos110+P+P1 1cos(110cos(110-135-135)+P)+P2 2解得相对长度解得相对长度:P:P0 0=1.533,P=1.533,P1 1=-1.0628,P=-1.0628,P2 2=0.7805=0.7805各杆相对长度为：各杆相对长度为：选定构件选定构件1 1的长度的长度a之后，可求得其余杆的绝对长度。之后，可求得其余杆的绝对长度。cos45 cos45=P=P0 0cos50cos50+P+P1 1cos(50cos(50-45-45)+P)+P2 2B1C1ADB2C2B3C32 22 2a=1=1n=-m/P1=1.442l =(m=(m2+n2+1-2nP P2 2)1/2=1.783 =1.783 m=P P0 0=1.553,第44页，此课件共45页哦感谢大家观看第45页，此课件共45页哦