平面连杆机构分析与设计.pptx
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1、平面连杆机构分析与设计平面连杆机构分析与设计分类 平面连杆机构空间连杆机构至少含有一个空间运动副。实例第1页/共86页特征:有一作平面运动的构件,称为连杆。特点: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。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。构件呈“杆”状、传递路线长。缺点: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。难以实现精确的轨迹。第2页/共86页基本型式铰链四杆机构,其它四杆机构都是由它演变得到的。名词解释:曲柄作整周定轴回转的构件;连杆作平面运动的构件;连架杆与机架相联的构件;摇杆作定轴摆动的构
2、件;周转副能作360相对回转的运动副;摆转副只能作有限角度摆动的运动副。曲柄 连杆 摇杆 32 平面四杆机构的类型1.平面四杆机构的基本型式第3页/共86页(1)曲柄摇杆机构特征:曲柄摇杆作用:将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。雷达天线俯仰机构曲柄主动ABDC1243ABDC1243作者:潘存云教授3124缝纫机踏板机构2143摇杆主动第4页/共86页(2)双曲柄机构特征:两个曲柄作用:将等速回转转变为等速或变速回转。应用实例:如叶片泵、惯性筛等。作者:潘存云教授ADCB1234旋转式叶片泵作者:潘存云教授ADCB123ABDC1234E6惯性筛机构31第5页/共86页耕地料斗
3、DCAB作者:潘存云教授耕地料斗DCAB作者:潘存云教授ABCD特例:平行四边形机构AB=CD特征:两连架杆等长且平行,连杆作平动BC=ADABDCBC作者:潘存云教授播种机料斗机构实例:蒸汽机车摄影平台天平作者:潘存云教授ADBC第6页/共86页作者:潘存云教授反平行四边形机构车门开闭机构 反向FAEDGBCABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开排列。火车轮作者:潘存云教授第7页/共86页ABDCEABDCE作者:潘存云教授ABDCEABDC风扇座蜗轮蜗杆电机电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆(3)双摇杆机构特征:两个摇杆应用举例:铸造翻箱机构特例:等腰梯形机构汽车转
4、向机构 、风扇摇头机构BC作者:潘存云教授ABDC电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆第8页/共86页2.平面四杆机构的演化型式(1)改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构 正弦机构ss=l sin 第9页/共86页(2)改变运动副的尺寸(3)选不同的构件为机架偏心轮机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构摆动导杆机构转动导杆机构第10页/共86页小型刨床牛头刨床应用实例ABDCE123456ABDC1243C2C1第11页/共86页(3)选不同的构件为机架摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构ACB1234
5、应用实例B234C1A自卸卡车举升机构应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2应用实例A1C234B第12页/共86页(3)选不同的构件为机架摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构314A2BC直动滑杆机构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法称为:机构的倒置BC3214AABC3214第13页/共86页41O1O22(4)平面连杆机构与平面凸轮机构的关联(高副低代)椭圆仪机构应用实例:双滑块机构的倒置正弦机构32141234a)组成高副的元素均为圆 AB第14页/共86页1O12O2b)组成高副的元素一为圆,另一个为
6、直线 AB 1O123123O1AB 4直动凸轮机构 曲柄滑块机构 摆动凸轮机构 2O1AB3O21导杆机构 AB2O1AB3O21第15页/共86页abdcCBADd+aC”abdcADB”作者:潘存云教授d-aAD为最短杆 连架杆a或机架d中必有一个是最短杆三角形任意两边之和大于第三边这说明:若有整周回转副,则最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和。a+b c+d a+c b+da+d b+c平面四杆机构具有周转副可能存在曲柄。而且从该例可得以下结论由BCD 可得:由B”C”D可得:AB为最短杆33 平面四杆机构的基本知识1.平面四杆机构有曲柄的条件连架杆若能整周回转,必有两次与机架共线
7、。若设ad,同理有:将以上三式两两相加得:a b ac ad b(d a)+cc(d a)+b设at2 V2 V1只要 0 K1设计新机械时,往往先给定K值,于是 急回运动 用以下比值表示急回程度且 K 急回性质越明显。行程速比系数第20页/共86页作者:潘存云教授曲柄滑块机构的急回特性应用:节省返程时间,如牛头刨、往复式输送机等。作者:潘存云教授180180-导杆机构的急回特性 180180-思考题:对心曲柄滑块机构的急回特性如何?对于需要有急回运动的机构,常常是根据需要的行程速比系数K,先求出,然后在设计各构件的尺寸。导杆机构很显然,当曲柄与连杆拉直共线时,滑块位于右侧极限位置;而当曲柄与
8、连杆重叠共线时,滑块位于左侧极限位置;第21页/共86页F F”FABCD当BCD90时,BCD 3.平面四杆机构的压力角和传动角压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角设计要求:min50 min出现的位置:当BCD90时,180-BCD切向分力:F=Fcos法向分力:F”=Fcos对传动有利。=Fsin此位置一定是:主动件与机架共线两处之一当BCD最小或最大时,都有可能出现min F传动角。为了保证机构良好的传力性能作者:潘存云教授CD DBAF”FF可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,第22页/共86页车门作者:潘存云教授d-aC1B1abcdDA由余弦定律:(d-a)2 b
9、2+c2-2bc cos B1C1D 同理有:B2C2Darccos b2+c2-(d+a)2/2bc若B1C1D90,则若B2C2D90,则1B1C1D2180-B2C2Dv1minB1C1D,180-B2C2Dmin F可得:B1C1Darccos b2+c2-(d-a)2/2bc 请大家回忆余弦定律 机构传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。abcdDAC2B22 d+a第23页/共86页作者:潘存云教授F摇杆为主动件,且连杆与曲柄两次共线时,有:此时机构不能运动.避免措施:两组机构错开排列,如火车轮机构;称此位置为:“死点”0 靠飞轮的惯性(如内燃机、缝纫机等)。FAEDGBCABE
10、FDCG04.平面四杆机构的死点问题 曲柄作主动件时,机构总是可以运动F0第24页/共86页ABCD1234PABCD1234工件PABDCABCD钻孔夹具也可以利用死点进行工作:起落架、钻夹具等。工件=0F 飞机起落架F=0第25页/共86页5.铰链四杆机构的运动连续性运动连续性机构能否连续实现给定的各个位置。可行域:摇杆的运动范围。不可行域:摇杆不能达到的区域。不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域称此为错位不连续。错序不连续设计连杆机构时,应满足运动连续性条件。DAB1C1B2C2B3C3DAB1C1B3C3B2C2CC1C2C1C2CADB第26页/共86页34 平面连杆机构
11、的运动分析 作者:潘存云教授ACBED设计任何新的机械,都必须进行运动分析工作。以确定机械是否满足工作要求。位置分析:研究内容:位置分析、速度分析和加速度分析。确定机构的位置(位形),绘制机构位置图。确定构件的运动空间,判断是否发生干涉。确定构件(活塞)行程,找出上下极限位置。从动构件点的轨迹原动件的运动规律内涵:确定点的轨迹(连杆曲线),如鹤式吊。HEHD构件位置速 度加速度第27页/共86页速度分析:通过分析,了解从动件的速度变化规律是否满足 工作要求。如牛头刨为加速度分析作准备。加速度分析:为确定惯性力作准备。方法:图解法简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐解析法正好与以上相反。实验法试
12、凑法,配合连杆曲线图册,用于解决 实现预定轨迹问题。第28页/共86页CD一、矢量方程图解法的基本原理和方法 因每一个矢量具有大小和方向两个参数,根据已知条件的不同,上述方程有以下四种情况:设有矢量方程:D A+B+C D A+B+C大小:?方向:DABCAB D A+B+C 大小:?方向:?第29页/共86页BCB D A+B+C 大小:方向:?D A+B+C大小:?方向:?DACDA第30页/共86页vBBAC1.同一构件上两点速度和加速度之间的关系 1)速度之间的关系选速度比例尺v m/s/mm,在任意点p作图使VAvpa,ab相对速度:VBAvabVBVA+VBA按图解法得:VBvpb
13、,p设已知大小:方向:BA?方向:p b方向:a b 角速度:VBA/lBAvab/l AB 方向:CW第31页/共86页BACb2)加速度关系求得:aBapb选加速度比例尺:a m/s2/mm,在任意点p作图使 aAapab”设已知角速度,A点加速度和aB的方向 A B两点间加速度之间的关系有:aBaA+anBA+atBAatBAab”b方向:b”baBAab a方向:a b 大小:方向:?BA?BA2lABaAaBap角加速度:atBA/lAB方向:CCWa b”b/l AB第32页/共86页B132AC12BB122.两构件重合点的速度及加速度的关系 1)回转副速度关系 vB1=vB2
14、aB1=aB2 2)高副和移动副 vB3vB2+vB3B2b3 vB3B2 的方向:b2b3 角速度:3=vpb3/lCB大小:方向:?BC公共点31 vB1vB2 aB1aB2 具体情况由其他已知条件决定仅考虑移动副方向:CW pb2第33页/共86页pb2b3ak B3B2 加速度关系aB3 apb3,结论:当两构件构成移动副时,重合点的加速度不相等,且移动副有转动分量时,必然存在哥氏加速度分量。+akB3B2 大小:方向:b2kb 33akB3B2的方向:vB3B2 顺3 转过90 3atB3/lBCab3b3/lBCarB3B2 akb3 B C?23lBC BC?l121BA?BC2
15、VB3B23 提问:此方程对吗?b”3p图解得:B132ACaB3=anB3+atB3=aB2+arB3B21第34页/共86页作者:潘存云教授ABCD1234重合点的选取原则,选已知参数较多的点(一般为铰链点)应将构件扩大至包含B点!如选B点:VB4=VB3+VB4B3如选C点:vC3=vC4+vC3C4tt不可解!可解!大小:?方向:?大小:?方向:?(a)第35页/共86页作者:潘存云教授作者:潘存云教授ABCD4321图(b)中取C为重合点,有:vC3=vC4+vC3C4大小:???方向:?不可解!(b)tt不可解!大小:?方向:方程可解?同理可列出构件3上C、B点的关系:大小:?方向
16、:?vC3=vB3+vC3B3?当取B点为重合点时:vB4=vB3+vB4B3 提问:图(C)所示机构重合点应选在何处?作者:潘存云教授1ABC234B点!(c)第36页/共86页作者:潘存云教授3.正确判哥式加速度的存在及其方向无ak 无ak 有ak 有ak 有ak 有ak 有ak 有ak 动坐标平动时,无ak 判断下列几种情况取B点为重合点时有无ak 当两构件构成移动副:且动坐标含有转动分量时,存在ak B123B123B1231B23B123B123B123B123 第37页/共86页作者:潘存云教授1xy2 VA2A1二、速度瞬心法作平面机构的运动分析绝对瞬心重合点绝对速度为零:P21
17、相对瞬心重合点绝对速度不为零:VB2B1Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0 两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点,在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动,该点称瞬时速度中心。1)速度瞬心的定义A2(A1)B2(B1)第38页/共86页特点:该点涉及两个构件。2)瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有:P12P23P13构件数 4 5 6 81 2 3若机构中有n个构件,则Nn(n-1)/2 绝对速度相同,相对速度为零。相对转动中心。瞬心数 6 10 15 28第39页/共86页121212tt123)机构瞬心位置的确定1.直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置nn
18、P12P12P122.三心定律V12定义:三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心,且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。第40页/共86页作者:潘存云教授123P21P31A2VA2VB2A2E3P32结论:P21、P 31、P 32 位于同一条直线上。B2E3VE3D3VD3第41页/共86页作者:潘存云教授3214举例:求曲柄滑块机构的速度瞬心。P141234P12P13P24P23解:瞬心数为:1.作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心Nn(n-1)/26连接四边形的对角线,该线是左右两边三角形的公共边,右边三角形三边代表的三个瞬心在同一条直线上,左边三
19、角形三边代表的三个瞬心也在同一条直线上,他们的交点就是瞬心P13 P34n=4第42页/共86页11234)速度瞬心在机构速度分析中的应用(1)求线速度已知凸轮转速1,求推杆的速度。P23解:直接观察求瞬心P13、P23 V2求瞬心P12的速度 V2V P12l(P13P12)1长度P13P12直接从图上量取。根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置P12。nnP12P13第43页/共86页P24P132(2)求角速度解:瞬心数为6个直接观察能求出4个余下的2个用三心定律求出。求瞬心P24的速度 VP24l(P24P14)4 4 2(P24P12)/P24P14 a)铰链机构已知构件2的转速2,
20、求构件4的角速度4。VP24l(P24P12)2方向:CW,与2相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧,两构件转向相同VP24作者:潘存云教授23414P12P23P34P14第44页/共86页312b)高副机构已知构件2的转速2,求构件3的角速度3。2解:用三心定律求出P23。求瞬心P23的速度:VP23l(P13P23)3 3 2(P12P23/P13P23)P12P13方向:CCW,与2相反。VP23VP23l(P12P23)2相对瞬心位于两绝对瞬心之间,两构件转向相反。nnP233(3)求传动比定义:两构件角速度之比传动比。3/2 P12P23/P13P23第45页/共86页312P12
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