最新天津大学机械原理与机械设计主编张策第六章连杆机构教学课件.ppt
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1、天津大学机械原理与机械设计主编张策第六章连杆机构第六章第六章 连连 杆杆 机机 构构61 平面连杆机构的类型、特点和应用平面连杆机构的类型、特点和应用62 平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性63 平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵64 平面刚体导引机构的综合平面刚体导引机构的综合65 平面函数生成机构的综合平面函数生成机构的综合66 平面轨迹生成机构的综合平面轨迹生成机构的综合67 按行程速比系数综合平面连杆机构按行程速比系数综合平面连杆机构反平行四边形机构反平行四边形机构平平行行四四边边形形机机构构存存在在运动不确定运动不确定位置位
2、置。可可采采用用两两组组机机构构错错开开排排列列的方法予以克服的方法予以克服。平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类(3 3)双摇杆机构)双摇杆机构特征:两个摇杆特征:两个摇杆应用举例:鹤式起重机应用举例:鹤式起重机特例:等腰梯形机构特例:等腰梯形机构 汽车转向机构汽车转向机构 平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类(1)(1)将转动副演化成移动副将转动副演化成移动副偏心曲柄滑块机构偏心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正弦机构正弦机构 2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式平面连杆机构的类型、特点和分
3、类平面连杆机构的类型、特点和分类(2)(2)选不同的构件为机架选不同的构件为机架整转副整转副能作能作360360 相对回转的运动副;相对回转的运动副;摆转副摆转副只只能作有限角度摆动的运动副。能作有限角度摆动的运动副。平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇双摇杆机构杆机构双双曲柄曲柄机构机构(2)(2)选不同的构件为机架选不同的构件为机架曲柄滑块机构曲柄滑块机构转动导杆机构转动导杆机构曲柄摇块机构曲柄摇块机构移动导杆机构移动导杆机构平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类(3)(3)变换构件的形态变换构件的形态将将低低副副
4、两两运运动动副副元元素素的的包包容容关关系系进进行行逆逆换换,不不影影响响两两构件之间的相对运动。构件之间的相对运动。平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类 摆动导杆机构摆动导杆机构曲柄摇块机构曲柄摇块机构牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例:小型刨床小型刨床(摆动导杆机构)(摆动导杆机构)(转动导杆机构)(转动导杆机构)平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类(4)(4)扩大转动副扩大转动副偏心轮机构偏心轮机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构将转动副将转动副B B加大,直至把加大,直至把转动副转动副A A包括进去,成为包括进去,成为几何中心是几何中心是B B,转
5、动中心,转动中心为为A A的偏心圆盘。的偏心圆盘。平面连杆机构的类型、特点和分类平面连杆机构的类型、特点和分类 第二节第二节 平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性1.1.平面平面四杆机构四杆机构存在曲柄的条件存在曲柄的条件平平面面四四杆杆机机构构具具有有整整转转副副 则则可能可能存在曲柄存在曲柄。设设l1 l4,可得:,可得:l4 l1,l4 l2,l4 l3即:即:AD为最短杆为最短杆连架杆之一或机架为连架杆之一或机架为最短杆最短杆。曲柄存在的条件曲柄存在的条件:(Grashof Grashof 定理定理)最长杆与最短杆的长度之和最长杆与最短杆的长度之和 其他两杆长度之和
6、其他两杆长度之和 称为称为杆长条件杆长条件。此时,铰链此时,铰链A、B均均为为整转副整转副。当当满满足足杆杆长长条条件件时时,其其最最短短杆杆上上的的转转动动副副都都是是整转副。整转副。平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 2.压力角和传动角压力角和传动角压力角压力角:作用在作用在从动从动件件上的驱动力上的驱动力F与力与力作用点绝对速度之间作用点绝对速度之间所夹锐角所夹锐角。切向分力切向分力 F Ft=FcosFcos法向分力法向分力 F Fn=Fcos=Fcos F Ft 对传动有利对传动有利。=Fsin=Fsin常用常用的大小来表示机构传力性能的好坏的大小来表示机构传力
7、性能的好坏,称称为为传动角传动角。是是的余角。的余角。平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 当当 BCD 90 BCD 90时,时,BCDBCD因此设计时一般要求因此设计时一般要求:minmin4040。当当 BCD BCD 90 90时,时,180-BCD180-BCD当当BCDBCD最最小小或或最最大大时时,即即在在主主动动曲曲柄柄与与机机架架共共线线的的位置位置,都有可能出现,都有可能出现minmin平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 由于在机构运动过程中,由于在机构运动过程中,角是变化的,角是变化的,minmin出现的位置出现的位置:当当 B
8、B2 2C C2 2D D 90 90 (=180=180)时,时,minmin minmin,180-,180-maxmax minmin根据余弦定律,根据余弦定律,当当 B B1 1C C1 1D 90D 90(=0=0)时,)时,平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 3.死点死点对于曲柄摇杆机构,当对于曲柄摇杆机构,当摇杆为主动件时,在连摇杆为主动件时,在连杆与曲柄两次共线的位杆与曲柄两次共线的位置,机构均不能运动。置,机构均不能运动。机构的这种位置称为:机构的这种位置称为:“死点死点”(机构的死点位置)(机构的死点位置)在在“死点死点”位置,位置,机构的传动角机构的
9、传动角 0 0平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性*可以利用可以利用“死点死点”位置进行工作,位置进行工作,例如:飞机起落架、钻夹具等。例如:飞机起落架、钻夹具等。*“死点死点”位置的过渡方法:位置的过渡方法:依靠飞轮的惯性(如内燃机、缝纫机等)。依靠飞轮的惯性(如内燃机、缝纫机等)。平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 两组机构错开排列,如火车轮联动机构。两组机构错开排列,如火车轮联动机构。4.急回特性急回特性从从动动件件作作往往复复运运动动的的平平面面连连杆杆机机构构中中,若若从从动动件件工工作作行行程程的的平平均速度小于回程的平均速度,则称该机构具
10、有均速度小于回程的平均速度,则称该机构具有急回特性急回特性。在在曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构中中,当当从从动动件件(摇摇杆杆)位位于于两两极极限限位位置置时时,曲曲柄柄与与连连杆杆共共线线。此此时时对对应应的的主主动动曲曲柄柄之之间间所所夹夹的的锐锐角角叫作叫作极位夹角。极位夹角。平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 设设曲曲柄柄以以逆逆时时针针匀匀速速旋旋转转。从从ABAB1 1转转到到ABAB2 2,转转过过180+180+时时为为工工作作行行程程,所所花花时时间间为为t1;此此时时摇摇杆杆从从C1D摆摆到到C2D,平平均速度为均速度为V1,则有:则有:曲柄从曲柄从ABAB
11、2 2 继续转过继续转过180-180-到到ABAB1 1时为时为回程回程,所花时间为,所花时间为t2,此时摇杆从此时摇杆从C2D摆到摆到C1D,平均速度为,平均速度为V2,那么有那么有 显然显然 t1 t2 V2 V1 即该机构具有即该机构具有急回特性急回特性平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 而且而且越大,越大,K值越大,机构的急回性质越明显。值越大,机构的急回性质越明显。只要极位夹角只要极位夹角 0,就有就有 K1。因此,可通过分析机构中是否存在因此,可通过分析机构中是否存在及其大小,来判断机及其大小,来判断机构是否具有急回运动,以及急回的程度。构是否具有急回运动,
12、以及急回的程度。设计时往往先给定设计时往往先给定 K 值,再计算值,再计算,即,即 为能定量描述急回运动,将回程平均速度为能定量描述急回运动,将回程平均速度V2 与工作行程平均与工作行程平均速度速度V1之比之比定义为定义为行程速度变化系数行程速度变化系数 K 平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 曲柄滑块机构的急回特性分析曲柄滑块机构的急回特性分析应用:节省回程时间,提高生产率。应用:节省回程时间,提高生产率。导杆机构的急回特性分析导杆机构的急回特性分析 平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 5.机构运动机构运动的的可行域可行域可行域可行域:摇杆的运动范
13、围。:摇杆的运动范围。不可行域不可行域:摇杆不能达到的:摇杆不能达到的 区域。区域。以四杆机构为例。以四杆机构为例。各构件的长度关系及安装的初始状态,决定了曲柄整周各构件的长度关系及安装的初始状态,决定了曲柄整周转动时,机构运动的可行域。转动时,机构运动的可行域。概念概念平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 分析分析设想拆开运动副设想拆开运动副C,考察点,考察点C的运动范围。的运动范围。1.1.点点C必在必在C圆上运动。圆上运动。2.相对于点相对于点A,点,点C运动运动的最远范围不能超出圆弧的最远范围不能超出圆弧Rmax,最近范围不能小于,最近范围不能小于圆弧圆弧Rmin。
14、3.以上两条决定了点以上两条决定了点C的运的运动范围,从而规划出机构的动范围,从而规划出机构的可行域。可行域。不能要求从动件从一个可行域跳过不可行域进入另一个不能要求从动件从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。可行域。设计连杆机构时,应满足运动连续性条件。设计连杆机构时,应满足运动连续性条件。平面连杆机构的运动和动力特性平面连杆机构的运动和动力特性 第三节第三节 平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵 一、一、平面连杆机构综合的基本问题平面连杆机构综合的基本问题运动方案设计运动方案设计 根据给定的运动要求选择确定机构的类型根据给定的运动要求选择确定机构的类
15、型 (型综合)。(型综合)。尺度综合尺度综合 确定各构件的运动学尺寸,包括运动副之间确定各构件的运动学尺寸,包括运动副之间 的相对位置尺寸或角度尺寸等,一般还要同的相对位置尺寸或角度尺寸等,一般还要同 时要满足其他辅助条件,如:时要满足其他辅助条件,如:a)结结构构条条件件(要要求求有有曲曲柄柄、杆杆长长比比恰恰当当、运动副结构合理等)运动副结构合理等);b)动力学条件(如动力学条件(如minmin);c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。画出机构运动简图。画出机构运动简图。*平面连杆机构综合要完成的任务:平面连杆机构综合要完成的任务:1.实现已知运动规律实现已知运动规律*平面连杆机构综合的
16、基本问题:平面连杆机构综合的基本问题:1)实现刚体的若干位置要求,称为刚体导引机构综合。实现刚体的若干位置要求,称为刚体导引机构综合。平面连杆机构的综合和位移矩阵平面连杆机构的综合和位移矩阵 2)满足预定的运动规律要求,如实现主、从动件间的角位移满足预定的运动规律要求,如实现主、从动件间的角位移 对应关系,称为函数生成机构综合。对应关系,称为函数生成机构综合。2.实现已知轨迹实现已知轨迹要求描出给定曲线,要求描出给定曲线,称为轨迹生成机构综合称为轨迹生成机构综合。或精确地通过给定轨迹上的若干点。或精确地通过给定轨迹上的若干点。二、二、平面连杆机构综合的常用方法平面连杆机构综合的常用方法设计方法
17、:图解法、解析法、实验法设计方法:图解法、解析法、实验法本章主要介绍位移矩阵法。本章主要介绍位移矩阵法。三、三、刚体旋转矩阵刚体旋转矩阵 其中,设其中,设则有则有 V2=R V1平面连杆机构的综合和位移矩阵平面连杆机构的综合和位移矩阵 R 称为平面旋转矩阵。称为平面旋转矩阵。四、四、刚体位移矩阵刚体位移矩阵刚刚体体在在平平面面中中的的位位置置,可可由由固固联联在在其其上上的的任任一一向向量量的的位位置来确定。置来确定。刚刚体体的的一一般般平平面面运运动动,可可以以看看作作固固联联在在其其上上的的向向量量分分别别作旋转和平移运动的合成。作旋转和平移运动的合成。其其中中,P为为参参考考点点。通通常
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