机械设计第2章.ppt

第2章 平面连杆机构,本章要解决问题1. 什么是平面连杆机构？它有哪些优、缺点？2. 平面连杆机构有哪些应注意的运动和动力特性？3. 什么情况下铰链四杆机构存在曲柄？4. 各种各样的机构是如何演化出来的？5. 设计四杆机构的方法有哪些？应用举例基本要求　　平面连杆机构的特点及应用；曲柄存在条件；急回特性、最小传动角及其出现位置、死点、运动转折点；,重点 　 铰链四杆机构的基本形式；四杆机构的运动特性；曲柄存在条件；四杆机构的应用平面连杆机构的特点,优点平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构1. 低副是面接触，压强小、耐磨损可承受较大的载荷2. 低副的接触面容易加工，容易获得较高的制造精度3. 连杆很长，可较长距离传递运动适合于操纵机构4. 低副的约束为几何约束（靠形状限制运动），无需附 加约束装置缺点　1. 低副有间隙，会引起运动误差积累，运动精度不高2. 连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律3. 有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力　　由公式F=3n-2pl-ph(1-1) 可知，最简单的单自由度平面连杆机构是四杆机构，本章着重讨论四杆机构。

§2-1 铰链四杆机构的基本类型和特性,名词 铰链四杆机构、机架、连架杆、连杆、曲柄、摇杆　本节讨论下列问题 根据动画提问　　1.怎样判定铰链四杆机构是曲柄摇杆机构、双曲柄机构还是双摇杆机构？　　2.曲柄摇杆机构在什么情况下具有急回特性？急回特性有什么应用？　　3.什么情况下曲柄摇杆机构具有死点？怎样消除死点？怎样利用死点？ 　　　4.何谓机构的压力角、传动角？铰链四杆机构的最小传动角出现在什么位置？,一、曲柄摇杆机构 　　定义：两连架杆一为曲柄，一为来回摆动的摇杆　　　　　应用例　复摆式腭式破碎机　钢坯输送机　旋转泵　插刀机构1. 急回特性及其应用极位夹角，用 表示；行程速比系数Ｋ 公式推导　　　 结论　① 存在急回特性的条件是 不等于零　② 因 是锐角，即 ≤90°，故理论上Ｋ可以最大为3　　 但由于最小传动角的限制，实用中Ｋ小于等于1.42. 曲柄摇杆机构的死点　　　 摇杆主动的曲柄摇杆机构，当曲柄与连杆两次共线时， 机构就会出现卡死或运动不确定的现象这种机构出现卡死或运动不确定的位置点称为死点例如　 死点通常有害，应设法消除消除方法有：　 ① 对从动曲柄施加附加力矩。

② 利用构件自身或飞轮的惯性 ③ 多组相同机构错开一定角度布置　　死点有时也有应用价值例如可利用死点夹紧工件飞机起落架是利用死点工作的又一个典型实例3. 曲柄摇杆机构的传动角 定义 作用力和力作用点运动线速度方向所夹的锐角称为　　 压力角，常用 表示；压力角的余角称为传动角，　　 常用 表示　　曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变动力传动中一般要求传动角最小值 应大于40°设计时应检验 值　　那麽，最小传动角在什么位置出现呢？分析结论　　对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角二、双曲柄机构 两连架杆都作整周转动通常，主动曲柄匀速转动，从动曲柄变速转动转动翼f板式水泵特例：平行四边形机构，又称为等角速度机构参见* 它是应　 用最广的一种双曲柄机构摄影平台　当连杆与曲柄两次 共线时，平 行四边形机构有两个运动转折点 消除方法有：　① 多组机构错开布置　② 利用虚约束　③ 利用曲柄或附加的飞轮的惯性三、双摇杆机构　　　 两连架杆均为摇杆通常主动杆匀速摆动，从动杆变速摆动。

双摇杆机构只适合低速场合飞机起落架是典型的双　摇杆机构 经合理设计，双摇杆机构可用来实现一些特定运动例如鹤式起重机可实现钓钩的近似直线运动，使移动重物时不做或少做功从而减小能耗　　又如车辆转向机构：车辆转弯时，如果任何时候都能使两前轮轴线与后轮轴线相交于弯道的圆心，则四个轮子都相对于地面作纯滚动，轮胎就不会因滑动而损伤，显然这就要求两轮的转角 两摇杆等长的双摇杆机构（称为梯形机构）就能近似地满足这个要求§2-2 铰链四杆机构曲柄存在条件　　 两构件能相对转动360°的转动副称为整转副有整转副的铰链四杆机构才可能存在曲柄 整转副存在条件： ① 最短、最长杆长度之和≤另外两杆的长度之和； ② 整转副是由最短杆与其邻边组成的 分析各杆的相对运动可得出如下结论： 1. 在存在整转副的条件下，以最短杆相邻的杆作机架，得　 到曲柄摇杆机构；以最短杆作机架，得到双曲柄机构；　 以最短杆相对的杆作机架，得到双摇杆机构 2. 如不满足存在整转副的条件，则无论以哪个杆作机架，　 都只能得到双摇杆机构。

　 例 题,§2-3 四杆机构的演化及应用 机构演化的常用方法　① 移动副代替回转副　② 改变构件尺寸　③ 改变运动副尺寸　④ 变更机架　一、曲柄滑块机构　　参见演化动画 滑块作往复直线运动的曲柄滑块机构分为对心的(如内燃机中使用的)和偏置的(见图d)，偏置滑块机构也存在急回特性 曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中二、导杆机构 　　对于图a)所示的曲柄滑块机构，若改取杆１为机架，就得到图b)所示的导杆机构导杆机构中，通常曲柄２整周匀速转动，滑块３在导杆４上滑动并跟随导杆转动或摆动导杆机构具有下述特点① ≥ 导 杆转动； ＜ ，导杆摆动② 摆动导杆机构也存在急回特性③ 导杆机构的传动角恒等于90°，具有很好的传力性能，　 因此常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中≥,＜    ，,三、摇块机构和定块机构 　　 若改取曲柄滑块机构的滑块３为机　架，即得到图c 所示的定块机构，这种机构常用于抽水唧筒和抽油泵中若改取曲柄滑块机构的连杆２为机架，即得到图d 所示的摇块机构，这种机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中，自卸货车就是典型应用。

四、双滑块机构　　　将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机构——双滑块机构按照两个移动副所　处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：(1) 两移动副不相邻　　例如左图所示的正切机构（其从动件３的位移与主动件１转角的正切成正比)2) 两移动件相邻且其中一个与机架相连例如左图的正弦机构（从动件３的位移与曲柄１转角的正弦成正比）3) 两移动件相邻但都不与机架相连.　左图所示的十字滑块机构就是这种机构十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差 (4) 两移动副相邻且都与机架相连.左图所示的椭圆仪就是这种机构当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆五、偏心轮机构 　　　 右图为偏心轮机构构件１　为圆盘，其几何中心为Ｂ因运　动时圆盘绕轴Ａ转动，故称为偏　心轮Ａ、Ｂ间的距离e称为偏　心距由图可知，偏心轮是将回　转副Ｂ扩大到包括回转副Ａ而形　成的，偏心距e即为曲柄的长度　(参见) 当曲柄长度很小或传递很大的动力时，常把曲柄做成偏心轮这样既提高了偏心轴的强度和刚度（因轴颈的直径增了）；当轴颈位于中部时又便于安装整体式连杆，使结构简化。

偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中除上述基本的四杆机构外，将四杆机构合理组合可得到生产中常见的许多多杆机构下图所示的手动冲床是由两个四杆机构1、2、3、4和3、5、6、4组成的该机构使搬动手柄的力获得两次放大，从而使冲杆的作用力变得很大这种增力效应在连杆机构中经常用到不言而喻，下图中的大筛机构是由一个双曲柄机构(Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ)和一个曲柄滑块机构（Ｄ、Ｃ、Ｅ）组成的注意　　并非任何多杆机构都是如上所述由若干个四杆机构串联组成的，例如左图所示的圆盘锯机构就不能分解为几个独立的四杆机构关于多杆机构的构成，见§6-5四杆机构的设计，就是根据给定运动条件来确定机构运动简图的尺寸参数有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动力学条件(如最小传动角要求)等 设计问题分类　1、给定从动件运动规律（位移、加速度等），确定各杆　　 的杆长比　2、给定从动件运动轨迹，确定各杆长比设计方法　图解法：简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多　　　　　但设计精度低，一般用于求解初始值　解析法：精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观　实验法：较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的　　　　　方法。

§2-4 平面四杆机构的设计,一、按行程速比系数设计四杆机构　① 曲柄摇杆机构设计 　已知：摇杆长度 ，摆角 和行程速比系数K　关键：确定铰链Ａ的位置，从而确定杆长 、 、和 　 设计程序② 摆动导杆机构设计 已知：机架长度 、行程速比系数Ｋ　　设计程序,、    和,二、按给定连杆长度及位置设计 　　 本图为铸造车间振实造型机的翻转机构 　　工作原理…… 　 因为连杆两端的铰链Ｂ、Ｃ是作圆周运动的，机架上Ａ、Ｄ两点必位于连杆对应点的连线 和 的垂直平分线上 　　 显然，给定三个位置时有唯一解；给定两个位置有一组解三、给定连架杆的三对对应位置 反转机架法 *建坐标系如图，取 为单位长，则：,则有,消去δ，整理得,令,带已知转 角 入式(2-7)即得方程组(2-8),,,由方程组解除未知数 将它们带入式(2-6)即可求得 、 、 。

以上求出的各杆长同时乘以任意的比例常数 ，所得的机构都能实现对应的转角　　若仅给定连架杆两对对应位置，则方程组(2-8)有无穷个解；若给定的对应位置超过三对，则不可能有精确解，这种情况下可采用优化方法或实验法求其近似解    、,四、几何实验法 　　　　　已知条件：　　　两连架杆的对应角位移　 和,具体步骤 这种方便、实用且有一定精度，因此在机械设计中被广泛采用这种方法同样也适合其他四杆机构，例如用该方法设计曲柄滑块机构时，可实现曲柄与滑块的多对位置对,五、按照给定点轨迹设计　　　四杆机构运动时，连杆通常作平面复杂运动，连杆上每　一点的轨迹都是一条封闭的曲线，我们称之为连杆曲线　 连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化，利用连杆曲线的这种多样性可实现一些需要的复杂轨迹参见 连杆图谱,本章小结本章介绍了如下内容　　平面连杆机构的特点；铰链四杆机构的类型及运动特性；机构演变的方法；平面四杆机构的设计基本概念　　急回特性　压力角　传动角　死点　运动转折点学习注意点　1、无论是研究四杆机构的运动还是设计四杆机构，应首先搞 清楚连架杆上的特殊点的运动（通常是圆周运动或直线移 动)。

　2、平行四边形机构是一种特别有用的机构，在机构演化和机 构创新设计中有着广泛的应用参见*　3、机构演变的方法中，改变运动副的大小或改变构件的形状 是常用的方法，应用得当，可演变出许多有用的机构。