平面连杆机构及其分析与设计课件.pptx
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1、第 2 章 连杆机构2.1 平面连杆机构的类型2.2 平面连杆机构的工作特性2.3 平面连杆机构的特点及功能2.4 平面连杆机构的运动分析2.5 平面连杆机构的运动设计第1页/共116页2.1 平面连杆机构的类型2.1.1 平面四杆机构的基本形式AD:机架AB、CD:连架杆BC:连杆A、B:整转副C、D:摆动副铰链四杆机构连架杆:定轴转动连 杆:平面一般运动ABCD第2页/共116页应用:特征:有一作平面运动的构件,称为连杆。定义:由低副连接刚性构件组成的机构。内燃机、牛头刨床、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠椅等。分类:平面连杆机构空间连杆机构平面连杆机构常以构件数命名:四
2、杆机构、五杆机构、多杆机构等。一.连杆机构的特点2.1.1 平面四杆机构的基本形式第3页/共116页缺点:产生动载荷(惯性力),不适合高速。设计较复杂,难以实现精确的轨迹。本章重点介绍四杆机构。构件和运动副多,累积误差大,运动精度和效率 较低。优点: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、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。连杆曲线丰富。可满足不同要求。平面连杆机构的类型第4页/共116页二.平面连杆机构的类型和应用1.平面四杆机构的基本型式和应用全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。连架杆与机架相联的构件;机架固定不动的构件;连杆连
3、接两连架杆且作平面运动的构件;曲柄作整周定轴回转的构件;摇杆作定轴摆动的构件;平面连杆机构的类型第5页/共116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。雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构(摇杆主动)(曲柄主动)平面连杆机构的类型搅拌机构第6页/共116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。惯性筛平面连杆机构的类型第7页/共116页机车车轮联动机构特例:平行四边形机构特征:两连架杆等长且平行,连杆作平动。AB=CDBC=AD摄影平台升降机构平面连杆机构的类型第8页/共116页平行四杆机构第9页/共116页反平行四边形机构平行四边
4、形机构存在运动不确定位置。可采用两组机构错开排列的方法予以克服。平面连杆机构的类型第10页/共116页(3)双摇杆机构特征:两个摇杆应用举例:鹤式起重机特例:等腰梯形机构 汽车转向机构 平面连杆机构的类型第11页/共116页曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构平面连杆机构铰链四杆机构四杆机构第12页/共116页(1)将转动副演化成移动副偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构正弦机构 2.1.2 平面四杆机构的演化型式平面连杆机构的类型第13页/共116页(2)选不同的构件为机架整转副能作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。平面连杆机构的类型曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机
5、构 低副运动可逆性第14页/共116页(2)选不同的构件为机架曲柄滑块机构转动导杆机构曲柄摇块机构移动导杆机构平面连杆机构的类型第15页/共116页(3)变换构件的形态将低副两运动副元素的包容关系进行逆换,不影响两构件之间的相对运动。平面连杆机构的类型摆动导杆机构曲柄摇块机构第16页/共116页牛头刨床应用实例:小型刨床(摆动导杆机构)(转动导杆机构)平面连杆机构的类型第17页/共116页(4)扩大转动副偏心轮机构曲柄滑块机构将转动副B加大,直至把转动副A包括进去,成为几何中心是B,转动中心为A的偏心圆盘。平面连杆机构的类型第18页/共116页2.2 平面连杆机构的工作特性 运动特性传递和变换
6、运动。传力特性实现力的传递和变换。了解平面连杆机构运动特性和传力特性的意义指导正确选择平面连杆机构的类型,进行机构设计。一、运动特性一、运动特性1.转动副为整转副的条件 机构中具有整转副的构件是关键构件。具有整转副的连架杆即为曲柄。机构中有没有曲柄,有多少曲柄,是一个十分重要的问题。影响平面铰链四杆机构中曲柄存在的因素影响平面铰链四杆机构中曲柄存在的因素 构成四杆运动链的各构件长度 运动链中选取的机架与其它构件的相对位置第19页/共116页2.2.1 运动特性 具有整转副的条件第20页/共116页一、平面四杆机构有曲柄的条件BDAC1234abcdB2ACB1DEFGFEGd+a|d-a|b-
7、c|b+c第21页/共116页欲使连架杆AB成为曲柄,则必须使AB通过与机架共线的两个位置,即必须满足 a+db+c (4-1)|d-a|b-c|(4-2)(1)若da,则可得 a+bc+d (若bc)a+cb+d (若cb)从而可得 ab ac ad第22页/共116页平面连杆机构有曲柄的条件:1)连架杆与机架中必有一杆为四杆机构中的最短杆;2)最短杆与最长杆之和应小于或等于其余两杆的杆长之和。(杆长和条件)(2)若da 则可得第23页/共116页铰链四杆机构类型的判断条件:2)若不满足杆长和条件,该机构只能是双摇杆机构。注意:铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件:最长杆的杆长其余
8、三杆长度之和。1)在满足杆长和的条件下:(1)以最短杆的相邻构件为机架,则最短杆为曲柄,另一连架杆为摇杆,即该机构为曲曲柄摇杆机构柄摇杆机构;(2)以最短杆为机架,则两连架杆为曲柄,该机构为双曲柄机构该机构为双曲柄机构;(3)以最短杆的对边构件为机架,均无曲柄存在,即该机构为双摇杆机构为双摇杆机构。第24页/共116页第25页/共116页曲柄滑块机构有曲柄的条件1)a为最短杆2)a+eb.C”abABCB B eC第26页/共116页导杆机构有曲柄的条件ACBade1)a为最短杆,a+ed2)d为最短杆,且满足d+ea摆动导杆机构转动导杆机构第27页/共116页ABCDB2C22.急回运动特性
9、曲柄摇杆机构极限位置1连杆与曲柄拉伸共线极限位置2连杆与曲柄重叠共线 极位夹角 机构从动件处于两极限位置时,原动件在对应位置所夹的锐角。工作行程(慢行程)曲柄转过180,摇杆摆角,耗时t1,平均角速度m1 t1 180180 返回行程(快行程)曲柄转过180,摇杆摆角,耗时t2,平均角速度m2t2B1C1AD第28页/共116页常用行程速度变化系数(Advance-to return-time ratio)K来衡量急回运动的相对程度。设计具有急回要求的机构时,应先确定K值,再计算。B2C2B1C1AD180-180+第29页/共116页180180曲柄滑块机构的极位夹角180180摆动导杆机构
10、的极位夹角摆动导杆机构 慢行程快行程慢行程快行程思考对心式曲柄滑块机构的极位夹角第30页/共116页3.运动的连续性设计曲柄摇杆机构时,不能要求从动摇杆在两个不连通的可行域内运动。摇杆在哪个可行域内运动,取决于机构的初始位置。C1C2C1C2CCADB摇杆运动可行域摇杆运动可行域摇杆运动非可行域摇杆运动非可行域第31页/共116页二、传力特性二、传力特性 1.压力角和传动角 有效分力 FFcos Fsin 径向压力 F Fsin=Fcos 角越大,F越大,F越小,对机构的传动越有利。连杆机构中,常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能的优劣。FF F 压力角作用在从动件上的力的方向与着力点
11、速度方向所夹锐角。传动角 压力角的余角。ABDC第32页/共116页传动角传动角 出现极值的位置及计算出现极值的位置及计算C1B1abcdDA12 min为1和2中的较小值者。为保证机构具有良好的传力性能,设计时通常min 40;高速和大功率传动机械,min 50。传动角总取锐角B2C2第33页/共116页2.死点(Dead point)位置F=0 连杆与曲柄在两个共线位置时,原动件摇杆通过连杆作用于从动件曲柄上的力F通过其回转中心,0,曲柄不能转动。F=0不管在主动件上作用多大的驱动力,都不能在从动件上产生有效分力的机构位置,称为机构的死点位置。第34页/共116页如何使机构顺利通过死点位置
12、?如何使机构顺利通过死点位置?利用飞轮惯性机构错位排列第35页/共116页ABDC利用死点位置利用死点位置飞机起落架 0F工件PABCD1234工件ABCD1234工件P钻孔夹具 T 0ABCDF第36页/共116页 一、平面连杆机构的功能及其应用一、平面连杆机构的功能及其应用根据平面连杆机构的功能与用途分类根据平面连杆机构的功能与用途分类第三节 平面连杆机构的功能与运动分析 常用两连架杆的传动函数来反映传动机构的基本传动特性,以连杆作为导引物体运动的主要构件。传动机构(Transmission mechanism)传递运动与动力导引机构(Guidance mechanism)导引物体运动第3
13、7页/共116页平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点 低副连接,可以传递较大的动力,且结构简单,容易加工;构件运动形式具有多样性;连杆运动曲线具有多样性;运动过程中易产生惯性力,使机器产生强迫振动,故不适用于高速场合;运动传递过程中累积误差较大。第38页/共116页平平面面连连杆杆机机构构的的功功能能可可以以归归纳纳为为以以下下四四个个方方面面 实现运动形式的转换和运动性质的变换 实现运动规律的变换和运动函数的再现 实现轨迹运动 导引刚体按一定的位置和姿态运动第39页/共116页 (一)实现多种运动形式的转换和运动性质的变换 1.转动转动输入转动与输出转动运动参数相同火车车轮联动机构平行四边形
14、机构Parallel-crank mechanism十字滑块联轴器双转块机构Double rotating block mechanism第40页/共116页输入转动与输出转动运动参数不同车门启闭机构反平行四边形机构Anti parallel-crank mechanism惯性振动筛非平行四边形机构Nonparallel-crank mechanism第41页/共116页2.转动往复运动转动转换为往复移动对心式曲柄滑块机构In-line slider-crank mechanism偏置式曲柄滑块机构Offset slider-crank mechanism第42页/共116页雷达天线俯仰机构曲
15、柄摇杆机构转动转换为往复摆动颚式破碎机曲柄摇杆机构第43页/共116页缝纫机踏板机构往复摆动转换为转动往复移动转换为转动内燃机曲柄滑块机构3.往复运动转动第44页/共116页电风扇摇头机构双摇杆机构汽车转向机构双摇杆机构4.摆动摆动第45页/共116页(二)实现运动规律的变换与运动函数的再现机构中任意两构件的位置、速度和加速度存在着一一对应的函数关系。正弦机构Sine mechanism函数发生机构(Function generator)能够实现某种传动函数的机构。通过两连架杆的角位置与位移量的关系再现正弦函数ls=l sins第46页/共116页近似再现函数 y lg x的平面四杆机构通过两
16、连架杆的角位移关系再现给定函数第47页/共116页 用数学表达式描述机构的传动函数比较复杂,常用直角坐标曲线来对机构的性能进行分析和比较。以横坐标表示主动构件的角位移,纵坐标表示从动件的(角)位移、(角)速度和(角)加速度。位移线图(Displacement diagram)速度线图(Velocity diagram)加速度线图(Acceleration diagram)统称为运动线图(Motion diagram)。第48页/共116页对心式曲柄滑块机构lAB0.2mlBC0.6m20radsACB机构运动线图00.80.60.40.260180240360120300s(m)4080-40
17、060180240360120300a(ms2)-120-80064260180240360300v(ms)-2-6-4120第49页/共116页(三)实现轨迹运动搅拌机机构曲柄摇杆机构摄影机抓片机构曲柄摇杆机构第50页/共116页鹤式起重机双摇杆机构契贝谢夫四足步行机构多杆机构Multi-bar linkage第51页/共116页(四)导引刚体实现一定的位置姿态要求摄影平台升降机构平行四边形机构第52页/共116页(五)平面连杆机构的其它应用翻斗车翻转机构摇块机构Rocking-block mechanism车门启闭机构曲柄滑块机构第53页/共116页飞机起落架机构双摇杆机构滑块内置偏心轮机
18、构曲柄滑块机构第54页/共116页 二、平面连杆机构的运动分析二、平面连杆机构的运动分析对机构进行运动分析的目的对机构进行运动分析的目的 校核所设计的机构是否达到预期的运动要求 为机械运动性能和动力学性能研究提供必要的参数 为正确选用机构提供依据等 运动分析要解决的问题运动分析要解决的问题 掌握必要的运动分析的方法及其相关理论 确定机构上任意点的轨迹(Path)、位置(Position)、位移(Displacement)、速度(Velocity)、加速度(Acceleration)计算机构中任意构件的角位置(Angular position)、角 位 移(Angular displacemen
19、t)、角 速 度(Angular velocity)、角 加 速 度(Angular acceleration)第55页/共116页 位移分析 考察某构件或构件上某点能否实现预期的位置和轨迹要求 确定某些构件在运动时所需的空间 判断各构件之间是否发生运动干涉 确定机器的外壳尺寸 速度分析 确定机构中从动件速度的变化能否满足工作要求 进行加速度分析及确定机器动能的前提 加速度分析 进行构件惯性力计算的前提 对机械的强度、振动和动力性能进行计算提供依据第56页/共116页机构运动分析的方法机构运动分析的方法 实验法(Experimental method)图解法(Graphical method)
20、解析法(Analytical method)第57页/共116页图解法的适用场合图解法的适用场合 为运动分析解析法建立分析模型和进行校核。确定或验证机构运动的某些特殊参数。例如确定从动件的运动极限位置、构件的行程或角位移范围、机构急回运动参数、机构死点位置、了解构件在运动中的位置与姿态、机构的瞬时传动比及构件的瞬心位置等等。分析精度分析精度与作图精度有关。作图时应确定恰当的作图比例尺 l l 构件的实际长度(m)/构件作图的实际长度(mm)按作图比例尺,准确地绘制有足够精度的清晰的机构运动简图。第58页/共116页BCAD 例例2 2 已知铰链四杆机构ABCD,AB 10mm,AB为原动件BC
21、 40mm,CD 30mm,AD 35mm,AD为机架,判断该铰链四杆机构的类型?用图解法求作从动件CD的最大角位移。解 1)ABBC50mmCDAD65mm,AB杆上的转动副A、B是整转副,CD杆上的转动副C、D是摆转副。该机构是曲柄摇杆机构,AB是曲柄,CD是摇杆。(一)平面连杆机构的位移分析第59页/共116页C1B1CC2B2BCC2B2 2)选择适当的长度比例尺l,在图纸上的适当位置水平画 出 机 架 AD(35l)mm,以 D为 圆 心,摇 杆CD(30l)mm为半径画圆。3)以 连 杆 与 曲柄长度之和(BC AB)l (50 l)mm和连杆与曲 柄 长 度 之 差(BC AB)
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