机械设计基础教案88

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1、书名 机械设计基础 第2版 作者 张久成 ISBN 7 111 08516 7 出版社 机械工业出版社 第一节 平面连杆机构的基本类型 第三章 平面连杆机构 第三节 平面连杆机构的设计 第二节 平面连杆机构的工作特性 第一节 平面连杆机构的基本类型 平面连杆机构的特征 1 构件间的相对运动为平面运动 2 所有的运动副均为低副 3 包含连杆构件 曲柄滑块机构 连杆 平面连杆机构的特点及应用 优点 运动副为平面或圆柱面接触 承载能力大 制造容 易 运动形式多样 能实现多种运动规律和轨迹 缺点 构件数较多 低副中存在间隙 运动累积误差大 惯性力不易平衡 设计较难 不易精确实现复杂的运动规律 应用 平

2、面连杆机构广泛应用于各种机械和仪器中 平面四杆机构 由四个构件组成的平面连杆机构 是最简单的连杆机构 构件名称 机 架 构件4 连架杆 与机架相连的 构件1 3 连 杆 与机架间接相 连的构件2 曲 柄 可回转360 的 连架杆 摇 杆 转角小于360 的连架杆 连杆 连架杆 连架杆 机架 平面连杆机构的基本类型 定义 运动副全为转动副的四杆机构 一 铰链四杆机构的基本类型 3 1 2 4A B C D 铰链四杆机构 一曲一摇二 曲 二 摇 按两连架杆的运动情况铰链四杆机构可分为 平面连杆机构的基本类型 一 曲柄摇杆机构 平面连杆机构的基本类型 定义 两个连架杆中 一个为曲柄 一个为摇杆 特性

3、 可实现曲柄转动与摇杆摆动的相互转换 曲柄常为 主动件 作匀速转动 摇杆为从动件 作变速摆动 应用实例 曲柄摇杆机构 雷达天线俯仰机构 脚踏缝纫机驱动机构 二 双曲柄机构 平面连杆机构的基本类型 定义 两个连架杆均为曲柄 特性 当主动曲柄匀速转动 时 从动曲柄可作同向或反向 等速或变速转动 一般双曲柄机构 平行四边形机构 反平行四边形机构 应用实例 机车驱动机构车门启闭机构 三 双摇杆机构 平面连杆机构的基本类型 定义 两连架 杆均为摇杆 特性 可实现两 个摇杆摆动的相 互转换 应用实例 双摇杆机构 等腰梯形机构 汽车转向机构 摇头扇机构 曲柄摇杆机构 转化方法 改变构 件的形状和尺寸 摇杆长

4、度 l3 增至无 穷大 二 铰链四杆机构的转化机构 一 转动副转化成移动副 平面连杆机构的基本类型 对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 圆弧导轨曲柄滑块机构特性 可实现曲柄 摇杆 转动与滑 块移动的相互转换 平面连杆机构的基本类型 二 取不同的构件为机架 曲柄滑块机构 回转导杆机构 牛头刨床 摆动导杆机构 牛头刨床 定块机构 摇块机构 扩大转动副B的半径 使其大于曲柄AB的长度 成为偏心 轮机构 偏心距 曲柄长 A B C A BC e 平面连杆机构的基本类型 三 扩大运动副 扩大转动副 扩大移动副 应用 当曲柄长度较小 一般的联接结构难于实现 或因装 配及需传递较大载荷时 常采取扩大回转副或移

5、动副的方法 一 运动特性 第二节 平面连杆机构的工作特性 一 整转副存在条件 整转副 若组成转动副的两构 件能相对整周转动 称为整转副 否 则 称为摆转副 曲柄摇杆机构平行四边形机构双摇杆机构 双摇杆机构 铰链四杆机构是否存在整转副 取决于各构件长度间的关系 经理论分析有如下结论 整转副存在条件 最短杆与最长杆长度之和小于或等于 其他两杆长度之和 最短杆两端的转动副为整转副 整转副判别方法 若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和 则最短杆两端的转动副同为整转副 其它的转动副为摆转副 若最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和 则该机 构不存在整转副 全部为摆转副 平面连杆机构的工

6、作特性 平面连杆机构的工作特性 铰链四杆机构基本类型的判别 根据周转副存在条件 曲柄与摇杆的定义及相对运动原理 1 如果最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度 之和 则 取最短杆为机架 含两个整转副 时 为双曲柄机构 取最短杆的临杆为机架 含一个整转副 时 为曲柄摇杆机构 取最短杆的对杆为机架 不含整转副 时 为双摇杆机构 2 如果最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和 则不论取哪个构件为机架 不含整转副 均为双摇杆机构 平面连杆机构的工作特性 曲柄存在条件 1 杆长条件 必要条件 最短杆与最长杆长度之和小 于或等于其他两杆长度之和 2 机架条件 充分条件 最短杆或其临杆为机架 双曲

7、柄机构 曲柄摇杆机构 双摇杆机构 双摇杆机构 急回特性 构件往复运动 摆动或移动 一快一慢 意义 工作行程慢 空回行程快 以提高生产率 当曲柄 B1 B2 1 180 t1 摇杆C1D C2D t1 二 急回特性及行程速比系数 平面连杆机构的工作特性 曲柄摇杆机构 偏置曲柄滑块机构 摆动导杆机构 曲柄摇杆机构分析 极限位置 曲柄与连杆共线 摇杆摆角 极位夹角 摇杆处于两极 限位置时 曲柄两对应位置所夹 锐角 1 2 t1 t2 不变 摇杆往复摆动的速度不同 当曲柄 B2 B1 2 180 t2 摇杆C2D C1D t2 1 B1 B2 2 1 2 慢速 快速 摆动导杆机构 行程速比系数k 0

8、k 1 无急回特性 k 急回特性越显著 k 1 1 1 4 平面连杆机构的工作特性 表示构件运动的急回程度 定义为快程平均角速度 与慢 程平均角速度 之比 对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 压力角 作用在从动件3上 的驱动力F与该力作用点绝对速度vC 之间所夹的锐角 驱动力F 沿二力杆BC的方向 点的速度vC CD 传动角 压力角 的余角 二 传力特性 一 压力角 和传动角 平面连杆机构的工作特性 有用分力 有害分力 意义 压力角 越小 或传动角 越大 有用分力越大 有害分力越小 机构的传力性能越好 压力角 或传动角 的大小 表征了机构传力性能的好坏 平面连杆机构的工作特性 最小传动角 min

9、 机构运动时 传动角一般是变化的 可以证明 曲柄摇杆 机构的最小传动角 出现在曲柄与机架共线的两个位置之一 A D F vC vC A F D 传动角太小 或压力角过大 可能导致机构自锁 为了保 证传力性能良好 规定一般机械 min 40 50 B2 2 vB1 vB1 二 止点 死点 位置 平面连杆机构的工作特性 定义 传动角 0 压力角 90 时的机构位置 1 B1 vB1 vB2 后果 机构卡死不能动 机构运动方向不确定 缝纫机 曲柄摇杆机构 摇杆主动时的死点位置 夹紧机构 D 曲柄滑块机构滑块 主动时的死点位置 摆动导杆机构导杆 主动时的死点位置 止点的克服 1 利用自身或飞轮的惯性

10、2 多组机构 止点错开 平面连杆机构的工作特性 止点的利用 第三节 平面连杆机构的设计 设计的两类问题 1 按照给定的运动规律 位置 速度 加速度 确定四杆 机构各构件的长度 2 按照给定点的运动轨迹确定四杆机构各构件的长度 设计方法 图解法 形象 直观 概念清楚 解析法 利用计算机进行 精确 效率高 实验法 可解决一些复杂的设计问题 简便 实用 一 按给定的行程速比系数设计四杆机构 图解法 二 按给定连杆位置设计四杆机构 作图法 三 按给定两连架杆对应位置设计四杆机构 解析法 四 按给定点的运动轨迹设计四杆机构 实验法 1 曲柄摇杆机构 一 按照给定的行程速比系数设计四杆机构 图解法 平面连

11、杆机构的设计 已知 摇杆长度lCD 行程速比系数k 摆角 求曲柄长度lAB 连杆长度lBC和机架长度lAD 解 1 作图分析 根据k可求出极位夹角 若按 确定了 点 因为AC1 AB BC AC2 BC AB 所以AB AC1 AC2 2 BC AC1 AC2 2 AD可直接量出 关键是按 确定A点的位置 平面连杆机构的设计 若作出 AC1C2的外接圆 该圆C1C2弦所对的圆周角 均为 其中心角为2 外接圆作法一 作C2M C2C1 作 C2C1N 斜边PC1中点即为外 接圆的圆心O 外接圆作法二 作 C2C1N 作 C1C2Q C1N与C2Q的交点即为 外接圆的圆心O P 2 Q N M O

12、 平面连杆机构的设计 P N M O 2 任选D点 选取适 当的比例 作摇杆两极限位 置C1D和C2D 3 作C2M C2C1 作 C2C1N C2M与C1N交于P点 4 作 PC1C2的外接 圆 在圆上任选一点A 5 AB AC1 AC2 2 BC AC1 AC2 2 AD可直接量出 有无数解 C1 C2 D A 已知 机架长L4 K 解 1 任选固定铰链中心C 作导杆两极位Cm和Cn 2 作摆角 的平分 线AC 取AC L4 固定铰中心A 3 过A作导杆极位垂线 AB1 AB2 L1 AB1 唯一解 C mn A B1 B2 C mn A B1B2 2 导杆机构 平面四杆机构的设计 D B

13、1C1 B2 C2A A B C D 步骤 1 连接B1B2 C1C2 2 作B1B2 C1C2 中垂线 3 在中垂线上取一 点作A D 4 连AB1C1D 1 已知 连杆BC长L2 及连杆两个位置B1C1 B2C2 固定铰A必在B1B2垂直平分线上 固定铰D必在C1C2垂直平分线上 分析 解 无穷多解 二 按给定连杆位置设计四杆机构 连杆给定的三个位置 铰点已给定 B1 C1 B2 C2 B3 C3 A D A B C D 步骤 1 连接 B1B2 B2B3 C1C2 C2C3 2 作各连线中垂线 3 B1B2 B2B3中垂线 之交点即为点A 4 C1C2 C2C3中垂线 之交点即为点D 5

14、 连接AB1C1D即为 所求 2 已知 连杆BC长L2及连杆三个位置B1C1 B2C2 B3C3 唯一解 平面四杆机构的设计 要使转动副 成为整转副 则机构必须存在以下三个位置 转动副为整转副的条件 在图a BCD中a d b c 在图c BCD中 c d b a 即 a b c d b c d a 在图b ACD中即 a c b d 根据三角形存在条件有 因不等式进行加减运算后 解的范围会变化 故与原不等 式联合有 a为最短杆 其余三杆b c d中必 有一杆为最长杆 只要最短杆与最长杆 长度之和小于或等于其它两杆长度之和 不等式 成立 则其他两个不等式一 定成立 a d b c a c b d a b c d 2a c d 2b c d a b 2a b d 2c b d a c 2a b c 2d b c a d a b a c a d a d b c a c b d a b c d a为最 短杆 整转副存在条件 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其 他两杆长度之和 最短杆两端的转动副为整转副 转动副为整转副的条件 曲柄摇杆机构的最小传动角 在 ABD中 在 BCD中 曲柄摇杆机构 当 0时 即曲柄与机架 内共线 BCD最小 即为最 小传动角 当 180 时 即曲柄与机 架外共线 BCD最大 若为 钝角 其补角也可能为最小传 动角 分析 连接BD