土木工程机械课件第二章

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1、第二章 常用机构,概 述 2.1 机构运动简图及平面机构自由度 2.2 平面连杆机构 2.3 凸轮机构 2.4 棘轮机构,概 述,1. 连杆机构：是由若干构件通过低副连接而成，又称低副机构。 2. 平面连杆机构：各构件的运动平面彼此相互平行的机构。其余为空间连杆机构。 3. 例子：,例1：刨床主传动机构,例2：雷达天线俯仰机构,概 述,4. 连杆机构的特点： （1）连杆连接处是面接触：压强小、磨损轻、因而适用于重载，使用寿命长。 （2）接触表面是平面或圆柱面：易于加工，可以获得较高的精度，且能由本身几何形状保证运动副封闭。 （3）运动副内有间隙，当构件数目较多或精度较低时，运动积累误差较大。

2、（4）要精确实现任意预期运动规律，设计比较繁复。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.1 运动副及其分类： 运动副：当构件组成机械时，构件与构件之间通过一定的相互接触与制约，所构成保持相对运动的可动连接。 1. 低副：两构件通过面接触构成的运动副，分为回转副和移动副两种。,（1）回转副（或称铰链）：构成运动副的两构件只能在同一个平面内相对转动。,面接触,面接触,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2. 高副：两构件通过点线接触构成的运动副。,（2）移动副：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动。,面接触,点接触,线接触,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.2 机构运动简

3、图： 1. 机构运动简图：用于说明机构各构件间相对运动关系的简单图形。见表211。 特征：用一些简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，按比例定出各运动副的位置，简图具有与原机构相同的运动特性。 2. 构件的分类： 任何一个机构包括：固定件、原动件、从动件三种。 （1）固定件：用来支承活动构件的构件。研究机构中活动构件的运动时，常以固定件作为参考坐标系。 （2）原动件：是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，又称为输入构件。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（3）从动件：是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件，其中输出预期运动的从动件称为输出构件。 3. 绘制运动简图的

4、方法与步骤： 1. 例子：,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2. 绘制运动简图的方法与步骤： 定出原动件和输出构件，然后，搞清楚原动件和输出构件之间运动的传递路线，组成机构的构件数目及连接各构件的运动副的类型和数目，测量出各个构件上与运动有关的尺寸。 选择投影面：一般可以选择机构的多数构件的运动平面作为投影面。 绘出机构运动简图：选择适当的比例，定出各运动副的相对位置，以简单的线条和规定的符号绘出机构运动简图。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,2.1.3 平面机构自由度： 1. 平面机构自由度的计算公式： 平面机构：机构中各构件之间的相对运动彼此相互平行。,例1：无约束。构件1相对

5、构件2有3个自由度。,例2：低副a、b约束了两个移动自由度，保留回转自由度。 c约束了一个移动自由度、一个回转自由度，保留了一个移动自由度。,低副d约束了一个n-n方向移动自由度、保留了一个回转自由度和一个移动自由度。高副e约束了一个t-t方向移动自由度、保留了一个回转自由度和一个移动自由度。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,例1：计算颚式破碎机的自由度。 解：机构含有：活动构件n=5； 低副：7个回转副PL=7 ； 高副：PH=0 。 F=3n2PLPH=3527=1 该机构一个原动件，1个自由度，从动件有 确定的运动。,因此，在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；

6、每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。即：,2. 机构具有确定运动的条件：,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,解：机构含有：活动构件n=4； 低副：回转副PL=5 ； 高副：PH=0 。 F=3n-2PL-PH=34250=2 结论：两种情况。一个原动件，机构无确定的运动；两个原动件，机构的运动是确定的。,例3：计算右图所示机构的自由度。,解：机构含有：活动构件n=4； 低副：回转副PL=6 高副：PH=0 。 F=3n2PLPH=34260=0,例2：计算右图平面五连杆机构的自由度,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,因此，机构具有确定运动的条件是： 机构的自由度F0 机构的原动

7、件数等于机构的自由度。 3. 计算平面机构自由度的注意事项：,（1）复合铰链：三个或三个以上构件在同一轴线上用回转副相连接构成复合铰链。若有m个构件构成同轴复合铰链，则应具有m1个回转副。,解：机构含有：活动构件n=5； 低副：回转副PL=7(包括C点复合铰链m-1=3-1=2) 高副：PH=0 。 F=3n2PLPH=35270=1 因此，机构具有确定的运动。,例4：计算右图所示机构的自由度。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（2）局部自由度（或多余自由度）：不影响机构中输出与输人运动关系的个别构件的独立运动)，在计算机构自由度时应予排除。,例5：计算右图所示凸轮机构的自由度。,解：

8、分析得知：无论凸轮4正转还是反转，都不影响从动杆2的运动规律；因此凸轮4为局部自由度(多余自由度)。 机构含有：活动构件n=2； 低副：回转副PL=2（一个回转副、一个移动副） 高副：PH=1 。 F=3n2PLPH=32221=1 因此，机构具有确定的运动。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,（3）虚约束(或消极约束) ：在运动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响与其他约束重复的约束。在计算机构自由度时由应除去不计。 例6：下图所示机构（a），各构件的长度为lABlCDlEF，lBClAD，lCE=lDF，计算其自由度。,分析得知：构件EF与回转副E、F的存在与否对整个机构的运动并

9、无影响。在计算自由度时应将产生虚约束的构件连同带入的 运动副一起除去不计。（见b） 。 机构含有：活动构件n=3；低副：回转副PL=4；高副：PH=0。 F=3n-2PLPH=33240=1 因此，机构具有确定的运动。 若图a改为图c，则构件EF不是虚约束，自由度F=0，机构不能运动。,2.1 机构运动简图及平面机构自由度,虚约束实例： 多导路平行移动副,多轴线重合的回转副,行星齿轮上的行星轮只有一个行星轮起约束作用，其余行星轮为虚约束。,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.2.1 铰链四连杆机构的基本形式： （1）平面连杆机构的基本形式：铰链四连杆机构。 （2）各部分名称：,机架,连架杆,连

10、架杆,连杆,（3）铰链四连杆机构分为：,曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,1. 曲柄摇杆机构：在铰链四杆机构的两个连架杆中，其中一个是曲柄，另一个是摇杆。若曲柄为原动件，作匀速转动，而从动摇杆作变速往复摆动，连杆作平面复合运动。,2.2 平面连杆机构的基本知识,2. 双曲柄机构：两个连架杆都可以相对于机架作整周转动。 （1）不等双曲柄机构：两曲柄长度不等的双曲柄机构。,特点：主动曲柄以等角速度连续旋转时，从动曲柄则以变角速度连续转动，且其变化幅度相当大，其最大值和最小值之比可达23倍。,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）平行双曲柄机构：其相对的两杆平行且

11、相等，又称平行四边形机构。,运动特点是：两曲柄以相同的角速度沿相同的方向回转，而连杆作平移运动。,机车车轮联动机构,载重汽车司机座椅摆动机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,缺点：是存在转折点：存在被动曲柄运动不确定的现象。 解决办法：在机构中安装一个大质量的飞轮，利用其惯性闯过转折点；利用多组机构来消除运动不确定现象。 （3）反向双曲柄机构：如果相对两杆长相等，但彼此不平行的双曲柄机构。 特点是：两曲柄转向相反，角速度相等。,反向双曲柄机构实例,反向双曲柄机构实例：双折车门开闭机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,3. 双摇杆机构：两个连架杆都可以相对于机架作摆动。,双摇杆机构,飞机起落架机

12、构,2.2 平面连杆机构的基本知识,特点：是两摇杆在同一时间内，所摆动的角度在一般情况下不相等。,汽车车轮转向机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.1.2 平面四杆机构的演化： 1. 改变杆件长度的演变：,AD、CD长度为：转变为,圆弧mm转变为直线,摇杆CD转化为作直线运动的滑块,对心曲柄滑块机构 e=0,偏置曲柄滑块机构 e0,2.2 平面连杆机构的基本知识,螺纹搓丝机构,自动送料机构,曲柄滑块机构 4为机架,曲柄滑块机构 2为机架,2. 改变不同杆作机架的演变,2.2 平面连杆机构的基本知识,移动导杆机构 滑块3作为机架,转动导杆机构 最短杆为机架,转动导杆机构 l1l2,2.2 平

13、面连杆机构的基本知识,3. 其它演变形式： （1）含有两个移动副的四连杆机构。,正弦机构导杆3的运动方程为：s=asinj,跳针机构,双滑块机构,椭圆仪机构,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）扩大运动副的尺寸：,曲柄摇杆机构,偏心轮机构,曲柄滑块机构,偏心轮与轴做成一体,2.2 平面连杆机构的基本知识,2.2.3 铰链四杆机构曲柄存在的条件和几个基本概念 1. 铰链四杆机构曲柄存在的条件： （1）曲柄存在的条件： 曲柄：相对机架能作360整周回转的连架杆。,右图中设：l1曲柄； l2连杆； l3摆杆； l4机架；取l1 l4。,右图四杆机构必须通过的两个特殊位置（ l1 和l2 共线）：,

14、直线B1AC1；直线AB2C2。,当l1处于AB1位置时，形成AC1D，各杆的长度应满足以下关系：,l3(l2l1) l4 或 l4(l2l1) l3,2.2 平面连杆机构的基本知识,得： l3 l1 l2l4 l4l1 l2l3,当l1处于AB2位置时，形成AC2D，则应满足以下关系：,l1 l2 l3l4,将以上三式两两相加可得：,l1 l2 , l1 l3, l1 l4;即l1为最短杆。,分析可得出铰链四杆机构中存在曲柄的条件是：最短杆长加上最长杆长小于或等于其余二杆长之和。否则为双摇杆机构。（杆长条件）,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）平面四连杆机构三种基本形式的组成规律为： (

15、a)当最长杆长度最短杆的长度其余两杆长度之和时： 以最短杆件相邻的任意杆件为机架时，机构为曲柄摇杆机构。,以最短杆件为机架时，机构为双曲柄机构。,2.2 平面连杆机构的基本知识,以最短杆件相对的杆件为机架时，机构为双摇杆机构。,(b) 当最长杆长度最短杆的长度其余两杆长度之和时，无论那种情况机构都是双摇杆机构。,2. 曲柄摇杆机构的急回特性和行程速比系数：,(a) 急回特性：摆杆工作行程摆动慢，返回行程摆动快的特性。,2.2 平面连杆机构的基本知识,(b) 行程速比系数K： 极位夹角：摇杆处于极限位置时，曲柄所对应的这两个位置之间的锐角。 行程速比系数K：,因此，有无急回作用取决于极位夹角：极

16、位夹角越大，K值就越大，机构的急回特性就越明显；极位夹角 为零，则K值为零，机构无急回特性。,对心曲柄滑块机构无急回作用。,偏置曲柄滑块机构有急回作用。,2.2 平面连杆机构的基本知识,摆动导杆机构：导杆处于两个极限位置时，极位夹角0，因此具有急回作用。,3. 压力角a与传动角g： （1）压力角a：连杆BC作用于从动杆DC的力F的方向与F的作用点C的速度vC方向之间的夹角。,F在vC方向上的分力： Ft=Fcosa F在CD方向上的分力：Fn=Fsina Ft为有效分力，Fn为有害分力。 A越大有效分力越小，有害分力越大。,2.2 平面连杆机构的基本知识,（2）传动角g：压力角a的余角。即： g = 90a。设计时通常应使g ming 。,对于导杆机构：滑块对从动导杆的作用力F始终垂直于