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1、章连杆机构及其设计 从本章开始系统介绍几种常用机构的原理 类型 应用及设计 研究内容 4 1平面四杆机构的基本类型及其演化 4 2平面四杆机构的基本特性 4 3平面连杆机构设计 4 4多杆机构 本章内容 平面连杆机构的基本型式及其演化和应用 曲柄存在条件 传动角 死点 急回运动 行程速比系数等基本概念 设计平面四杆机构的方法 能用解析法和图解法对平面四杆机构进行运动分析 曲柄存在条件的全面分析 平面多杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动角的确定 重点 难点 连杆机构的定义 连杆机构是由低副 Lower pair 将若干构件连接而成的低副机构 连杆机构的分类 连杆机构 平面连杆机构 空间连杆机构
2、 组成机构的所有构件都在相互平行的平面内运动的连杆机构 planarlinkage spatiallinkage 平面连杆机构的几个基本概念 机架 平面连杆机构中的固定构件 连架杆 平面连杆机构中与机架相连的构件 连杆 连接连架杆的活动构件 曲柄 连架杆中能绕机架作整轴转动的构件 摇杆 连架杆中只能在某一范围内绕机架作往复摆动的构件 请区分构件名称 周转副 能作整周转动的转动副 摆转副 不能作整周转动的转动副 请区分一下 转动副 连杆机构是一种应用十分广泛的机构 人造卫星太阳能板的展开机构 机械手的传动机构 折叠伞的收放机构以及人体假肢等等 都是连杆机构 曲柄滑块机构 铰链四杆机构 导杆机构是
3、最常见的连杆机构型式 这些机构的共同特点是其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3 这个不直接与机架相联的中间构件称为连杆 而把具有连杆的这些机构统称为连杆机构 构件可长 用于远距离的操作 如挖掘机 车闸 杠杆特性 用于增力 运动形式多样 可用于运动转换 连架杆位置对应 用于控制 连杆位置多变 用于特定运动规律 连杆曲线丰富 用于特定轨迹 运动形式多样 可用于运动转换 平面连杆机构的优点 1 平面连杆机构属于低副机构 运动副为面接触 压强小 承载能力大 耐冲击 并且便于润滑 磨损小 2 其运动副元素多为平面或圆柱面 制造比较容易 而且靠其本身的几何封闭来保证构件
4、运动 结构简单 工作可靠 3 可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求 平面连杆机构的缺点 3 不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求 1 当机构复杂时累计误差较大 影响其传动精度 2 惯性力不容易平衡 不适合于高速传动 例如 多自由度的机械手 四足 六足步行机等 已经不限于运动学的范围 还注重动力学方面的研究 平面连杆机构中最简单 应用最广的是四杆机构 其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的 本章重点讨论四杆机构及其设计 4 1平面四杆机构的基本类型及其演化 二 铰链四杆机构的基本类型 应用及其演化 一 铰链四杆机构中曲柄存在的条件 三 具有移动副的四杆机构及其演化 铰链四杆机构 机构中的全
5、部运动副均为转动副时的四杆机构为铰链四杆机构 铰链四杆机构是平面连杆机构中最基本的形式 其它各种平面连杆机构都可以看成是由它演变而来的 连架杆 曲柄 机架 连架杆 摇杆 连杆 铰链四杆机构的基本类型 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 根据连架杆是曲柄还是摇杆 分类如下 铰链四杆机构 1 两连架杆中一为曲柄 另一为摇杆 2 两连架杆均为曲柄 3 两连架杆均为摇杆 可根据曲柄的数量和存在与否进行判定 如何判定曲柄是否存在 一 铰链四杆机构中曲柄存在的条件 曲柄的两个极限位置AB1 AB2 B1C1D中 B2C2D中 杆长条件 A B均为周转副 周转副存在条件 1 最短杆长度 最长杆长度 其余两
6、杆长度之和 2 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆 条件1 称为杆长条件 不满足杆长条件时 则没有周转副 而只能获得双摇杆机构 满足杆长条件时 有最短杆参与构成的转动副都是周转副 而其余转动副则是摆转副 2 其最短杆为连架杆或机架 四杆机构有曲柄的条件 1 各杆的长度应满足杆长条件 即最短杆长度 最长杆长度 其余两杆长度之和 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 图4 3a b P58 图4 3c 图4 3d 二 铰链四杆机构的基本类型 应用及其演化 周转副 周转副 摆转副 摆转副 曲柄摇杆机构 一种演化方法 机构的倒置 机构的倒置 选用运动链中不同构件为机架以获得不同机构的演化方法 A B
7、 C D 1 曲柄摇杆机构 取与最短杆相邻的构件为机架 曲柄摇杆机构的应用 颚式破碎机机构 1 此种机构常以曲柄为原动件 将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动 雷达天线机构 搅拌机机机构 此时连杆作平面运动 连杆上各点的轨迹能形成不同的封闭曲线 玩具狗腿的动作也利用连杆曲线的特殊轨迹 2 此种机构中 若以摇杆为原动件 则可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动 2 双曲柄机构 当以短边为机架时 为一般双曲柄机构 两曲柄的转动方向相同或相反 双曲柄机构的应用 惯性筛机构 将原动曲柄的等速转动转变为从动曲柄的变速转动 从而使筛子具有较大惯性力而筛分物料 东莞理工学院专用 旋转式叶片泵 在双曲柄机构中
8、 若相对两杆的长度相等且平行 两曲柄的转向相同 称为正平行四边形机构 正平行四边形机构 1 两曲柄以相同速度同向转动 2 连杆作平动 始终与机架平行 平行四边形机构的应用 蒸汽机车驱动装置 摄影升降机构 用正平行四边形机构传递动力 用连杆作平移运动 播种机料斗机构 在双曲柄机构中 若相对两杆的长度相等 但不平行 BC与AD 两曲柄转向相反 AB与CD 称为反平行四边形机构 反平行四边形机构 逆平行四边形机构 车门开闭机构 主 从动曲柄反向转动 东莞理工学院专用 作者 潘存云教授 反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等 但不平行 车门开闭机构 注 平行四边形机构在共线位置出现运动不确
9、定 采用两组机构错开排列 火车轮 3 双摇杆机构 doublecrockmechanism 2 若铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件 则无周转副 此时不论以何杆为机架 均为双摇杆机构 1 若铰链四杆机构各杆的长度满足杆长条件 取与最短杆相对的构件为机架 最短杆长度 最长杆长度 其余两杆长度之和 东莞理工学院专用 作者 潘存云教授 作者 潘存云教授 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 汽车转向机构 风扇摇头机构 可使连杆到达两个固定的位置 铸造翻箱机构 风扇摇头机构 风扇壳体固装于连架杆AB上 5 蜗轮 6 蜗杆 构件2与构件5固连在一起 通过构件2的整周转动
10、 实现摇杆AB的往复摆动 等腰梯形机构 在双摇杆机构中若两摇杆长度相等 则称为等腰梯形机构 汽车前轮转向机构 鹤式起重机机构 悬点E上悬挂的重物在近似水平直线上运动 避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量 4 泛菱形机构 若四杆机构的两相邻杆长度两两相等 则机构将变为泛菱形机构 如下图a b c 图a 双曲柄机构 图b 曲柄摇杆机构 图c 二杆机构 泛菱形机构有3个周转副 一个摆转副 当其以短杆为机架时为双曲柄机构 当其以长杆为机架时为曲柄摇杆机构 这种机构当相邻两杆重叠在一起时 将退化为二杆机构 其运动不确定 机构的演化 机构的演化 将基本机构进行变换 得到新机构的方法 常见的演化方法 1
11、改变构件的形状和运动尺寸 2 改变运动副的尺寸 3 选用不同的构件为机架 4 运动副元素的逆换 1 得到所要求的运动性能 2 改善受力状况 3 满足结构设计要求 机构演化目的 各种演化机构的外形虽然各不相同 但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同或类似的 这就为连杆机构的研究提供了方便 e g 选用不同构件为机架 双曲柄机构 双摇杆机构 曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 1 曲柄滑块机构 三 具有移动副的四杆机构及其演化 改变相对杆长 转动副演化为移动副 具有移动副的四杆机构的基本形式 偏置式曲柄滑块机构 e 0 对心式曲柄滑块机构 e 0 曲柄滑块机构根据偏距e不同分类
12、 曲柄滑块机构的应用 活塞式内燃机 往复式水泵 冲床 曲柄滑块机构的演化机构 1 导杆机构 2 摇块机构 3 定块机构 4 双滑块机构 变换单移动副机构的机架 再次改变相对杆长 将另一个转动副演化为移动副 一 变换单移动副机构的机架 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构中 当取杆1为机架时 即得 杆4称为导杆 滑块3相对导杆4作相对滑动 并随杆2一起转动 一般取杆2为原动件 应用 回转式液压泵 牛头刨床 插床等机器的主体机构 导杆机构 1 转动导杆机构 2 摆动导杆机构 导杆机构 转动导杆机构 插床主体机构 AB BC 刨床主体机构 摆动导杆机构 AB BC A 刨床主体机构的另一种形式 曲柄滑块机构中
13、 当取杆2为机架时 即得摇块机构 摇块机构一般取杆1或杆4为原动件 当杆1作转动或摆动时 杆4相对滑块3滑动 并一起绕C点摆动 应用 e g 液压驱动装置 摆缸式内燃机 卡车车厢自动翻转卸料机构 摇块机构 曲柄摇块机构 摆缸式内燃机机构 左侧四杆机构位移量小 减振功能差 挖掘机相邻两杆之间的开合动作也是由摇块机构来实现的 作者 潘存云教授 滑块3为定块 一般取杆1为原动件 杆2绕C点往复摆动 而杆4仅相对滑块3作往复移动 定块机构 移动导杆机构 曲柄滑块机构中 当滑块3为机架时 即得定块机构 应用 e g 抽水泵 抽油泵 移动导杆机构 定块机构 抽水泵 手动抽油泵 东莞理工学院专用 二 改变构
14、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 slider crankmechanism 双滑块机构 正弦机构 lsin 1 2 3 4 1 2 3 4 正弦机构 曲柄滑块机构 将连杆2做成滑块形式 并使之沿圆弧导轨运动 作 1 的转化 并将连杆2长度增至无限长 通常称其为正弦机构 正弦机构多应用在一些仪表和解算装置中 1 2 正弦机构的应用 缝纫机针机构 双滑块 转块 机构 将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷大 可演化为具有两个移动副的四杆机构 双滑块 转块 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 a 图的正切
15、机构 其从动件3的位移与主动件1的转角正切成正比 2 两移动副相邻且其中一个与机架相连 b 图的正弦机构 其从动件3的位移与曲柄1的转角正弦成正比 特点 从动构件与主动构件的接触点到转轴的距离是随主动构件的位移变化的 3 两移动副相邻但都不与机架相连 上图所示的十字滑块机构即为此种机构 常用作联轴器 可以主动补偿主 从动轴由于对中不良而产生的位置误差 双转块机构 4 两移动副相邻且都与机架相连 缝纫机针杆机构 椭圆仪机构 在椭圆仪中 当两个滑块在机架的滑槽中移动时 连杆上各点的轨迹是长短半径不同的椭圆 东莞理工学院专用 三 改变运动副的尺寸 偏心轮机构 eccentricmechanism 当
16、因为结构需要使曲柄尺寸过小而不便加工 或因运动要求需要加大曲柄的重量以增大惯性力时 可将回转副B同心放大至将A也包括在内 即杆1放大为圆盘1 圆盘1的几何中心为B 转动中心为偏心A 称圆盘1为偏心轮 该机构称为偏心轮机构 偏心轮中A点和B点之距称为偏心距e 它与原曲柄等长 其余各杆长也对应相等 偏心轮机构应用 冲剪床 应用于剪床 冲床 颚式破碎机等机械中 作业 思考题 4 1 4 3 习题 4 1 4 2 第二节平面四杆机构的基本特性 一 急回特性及行程速比系数K 二 压力角与传动角 三 机构的死点位置 四 连杆机构运动的连续性 一 急回特性和行程速比系数K 2 急回运动 quick returnmotion 3 行程速比系数K 1 极位夹角 1 极位夹角 曲柄摇杆机构中曲柄与连杆两次共线位置时曲柄之间所夹锐角 称为极位夹角 当AB与BC两次共线时 输出件CD处于两极限位置 摇杆在两极限位置所夹角称为摆角 曲柄转角 对应的时间 摇杆点C的平均速度 2 急回运动 quick returnmotion t1 t2 v2 v1 在曲柄等速回转的情况下 摇杆往复摆动速度快慢不同的运动 称为急回
