《机械原理及设计 上 教学课件 ppt 作者 马履中 第三章 平面连杆机构运动学分析与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械原理及设计 上 教学课件 ppt 作者 马履中 第三章 平面连杆机构运动学分析与设计（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、制作 杨德勇,电 子 教 案,机械工业出版社,主编 马履中,（上册）,第三章 平面连杆机构运动学分析与设计,第一节 平面连杆机构的特点和应用 第二节 平面连杆机构的基本类型及应用 第三节 平面四杆机构的曲柄存在条件 第四节 平面连杆机构的一些基本特性 第五节 平面连杆机构的设计 第六节 平面五连杆机构,第一节 平面连杆机构的特点和应用,一、连杆机构的特点,平面连杆机构是由若干个构件全用低副（转动副、移动副）联接而成的机构，又称低副机构。,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，传递运动的可靠性好 。,缺点：,构件和运动副多，累积误差大，运
2、动精度和效率较低。,连杆机构常适用于低速的场合；一般情况下，连杆机构只能近似地实现给定的运动规律及运动轨迹，而且设计也较复杂。,二、平面连杆机构的应用,由于其自身的特点被广泛应用于各种机械、仪表及各种机电产品中。,第二节 平面连杆机构的类型和应用,一、铰链四杆机构的基本类型及应用,全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。,平面四连杆机构的型式繁多，但其最基本的型式为铰链四杆机构。,连架杆与机架相联的构件1、3；,机架固定不动的构件4；,连杆连接两连架杆且作平面运动的构件2；,曲柄作整周定轴回转的构件1；,摇杆作定轴摆动的构件3；,按两连架杆是曲柄，还是摇杆，可将其分为三种基本类型： 曲
3、柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构,（一）曲柄摇杆机构,两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的四杆机构。,功能之一，可将曲柄的连续转动转变为输出构件摇杆的往复摆动。如图1-3-2所示的汽车雨刮器机构。 功能之二，可反过来将摇杆的往复摆动转换为曲柄的连续转动。如缝纫机的脚踏驱动机构。 功能之三，可利用曲柄摇杆机构中连杆作平面运动，连杆上某些点的特殊连杆曲线，实现所需的连杆轨迹曲线要求。如图1-3-1所示的电影放映机的抓片机构 。,缝纫机踏板机构,（二）双曲柄机构,两连架杆都是曲柄，都能作360周转运动的四杆机构。 主动曲柄作等速转动，从动曲柄作变速转动。,惯性筛机构,特例：平行四边形机构,组成四边
4、形的对边构件平行且相等。 两曲柄转向相同、转速相等，连杆作平动。,机车车轮联动机构 摄影升降机构,平行四边形机构会出现运动不确定的现象。,可以在机构中安装一个飞轮，或者采用错位排列，以避免这种现象的发生 。,惯性筛,机车车轮联动机构,摄影升降机构,（三）双摇杆机构,两连架杆均为摇杆，只能作往复摆动的机构。,自动翻斗机构 汽车转向机构,两种类型： 一种是含两个整转副的双摇杆机构，如图1-3-18所示电扇摇头机构。 另一种是属四个转动副均只能作摆动运动的双摇杆机构,汽车前轮转向机构,(一) 扩大转动副,二、铰链四杆机构的演化及其应用,应用： 颚式破碎机,偏心轮机构,（二）转动副转化为移动副,曲柄滑
5、块机构,曲柄摇杆机构,e0，则称偏心的曲柄滑块机构 e0，则称对心的曲柄滑块机构,应用： 冲压机床,若将铰链四杆机构中B处和D处的运动副或C处和D处运动副分别改变为移动副，则可以分别得到正切机构（图1.3.23 a）、正弦机构（图1.3.23 b）。若将B、C处或A、D处运动副分别改为移动副，则可分别得到双转块机构（图1.3.23 c）和双滑块机构（图1.3.23 d）。它们可分别用作解算装置，如a图可作正切运算，b图可作正、余弦运算；另外，c图可用作十字沟槽联轴节，d）图可用于绘制椭圆曲线用仪器。,(三) 取不同构件为机架,低副运动可逆性原理,图a称曲柄滑块机构，图b称曲柄摇块机构，图c若B
6、CAB，称转动导杆机构，若BCAB，称摆动导杆机构，图d称移动导杆机构。,汽车车厢自动卸料机构,抽水机构,第三节 平面连杆机构的曲柄存在条件,AB杆作整周回转，必有两次与机架共线。,由BCD可得：,由B“C“D可得：,l2(l4 l1)+ l3,l3(l4 l1)+ l2, l1+ l2 l3 + l4, l1+ l3 l2 + l4,将以上三式两两相加得： l1 l2, l1 l3, l1 l4,l1+ l4 l2 + l3,整圈转动的条件为： 1）两构件中必定有一构件是最短构件； 2）最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其它两构件长度之和，其它两杆用l1，l2表示，可简单表示为,lmin
7、+ lmax l1 + l2,以上只是铰链四杆机构曲柄存在的必要条件，但不是充分条件，下面我们用表1-3-1来说明铰链四杆机构的类型及其判别条件。,对于其它类型的四杆机构，如曲柄滑块机构，转动导杆机构等，也可用同样的分析办法来得到各自的曲柄存在条件。,第四节 平面连杆机构的一些基本特性,一、平面四杆机构的急回特性及其在工程实际中的应用,右极限位置 连杆与曲柄拉直共线,左极限位置 连杆与曲柄重叠共线,摇杆回程的平均速度要大于摇杆工作行程的平均速度，我们把曲柄摇杆机构具有的这种特性称为机构的急回特性。,当曲柄等角速转动时，摇杆来回摆动的平均速度是不同的，如果把摇杆摆动速度慢的阶段称为工作行程，则摇
8、杆摆动速度快的阶段称为回程,为了表达机构急回特性的相对程度，我们用行程速比系数K来表示，并定义,根据以上所述可得,或, 越大，机构急回特性越显著。 0时，K1，机构无急回特性。在实际应用中，一般取 K2。,式中 称为极位夹角，它是指当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所在的两位置之间所夹的锐角。,除了曲柄摇杆机构具有此特性外，四杆机构的其他类型例如偏心的曲柄滑块机构、摆动导杆机构等都具有该特性。,二、四杆机构的压力角和传动角,从动件摇杆上的力的作用线与力作用点C的绝对速度vC之间所夹的锐角称为压力角。,有效分力, 角越小， 角越大，机构的传力性能就越好； 反之， 越大， 就越小，机构的传力越费劲
9、，传动效率越低。,由此可见，压力角可作为判断机构传力性能的指标。,压力角的余角称为传动角,分力,压力角越小，有效分力越大，Fn产生摩擦损耗也越小。,为了度量的方便，习惯上用传动角来判断传力的性能。,当机构运转时，传动角的大小是变化的，为了保证机构传动良好，必须规定最小传动角,对于一般机械，通常min 40；高速和大功率机械，min 50。,当曲柄AB与机架AD拉直共线即机构处于AB2C2D；当曲柄AB与机架AD重叠共线即机构处于AB1C1D。比较1=min和2=180-max的大小，较小的出现的位置即是机构的最小传动角位置。,曲柄滑块机构的最小传动角位置如右图 。,三、死点位置,对于曲柄摇杆机
10、构，如果以摇杆为主动件，则当摇杆位于两极限位置时，通过连杆作用于曲柄上的力F通过其回转中心， 0，有效分力等于零，曲柄不能转动，从而使整个机构无法运动。这种位置称为死点位置或死点 。,判断四杆机构中有无死点位置，可以用判断是否为零，即从动连架杆与连杆是否存在共线的方法加以确定。,死点的避免 加飞轮，利用惯性通过死点（缝纫机） 机构错位排列（V型发动机机构 ）,死点的利用 飞机起落架 夹具,飞机起落架,夹具,第五节 平面四杆机构设计,（1）实现给定的运动规律或位置要求,（2）实现给定的运动轨迹,平面连杆机构的设计问题：,在原动件运动规律一定的条件下，要求从动件能够准确或近似地满足给定的运动规律；
11、或者要求连杆或连架杆占据某些给定位置等。,机构在运动的过程中，连杆上的某点能够准确或近似地沿着给定的轨迹运动。,平面连杆机构的设计方法： 图解法、解析法、实验法等,一、实现已知的运动规律,（一）图解法,1按照给定连杆两个或三个位置设计四杆机构,设已知连杆上两个转动副中心B和C的三个顺序位置分别为B1C1、B2C2 、B3C3 ，要求设计一铰链四杆机构。,设计的主要问题确定固定铰链A和D的位置,机构在运动过程中，B点的轨迹是以A为圆心，AB为半径的圆或圆弧，同样C点的轨迹是以D为圆心，CD为半径的圆或圆弧。由圆弧上三点通过中垂线法可找到圆心，即固定铰链A和D 。,若连杆只占据两个位置，由于只能作
12、一条中垂线，因而固定铰链点A、D有无穷多组解。此时还需根据结构条件或其他辅助条件来确定A和D的位置。,2按给定连架杆对应位置设计四杆机构,假设已知构件AB和机架AD的长度，要求机构在运动过程中连架杆AB和另一连架杆CD上的某一直线DE能占据三组给定的位置AB1、AB2、AB3及DE1、DE2、DE3，要求设计此机构。,铰链A、B、D的位置已知，关键要确定铰链点C的位置。,采用“转换机架法，又称“反转法”或“运动倒置法”。,可将连架杆CD的某一位置如DE1转变为机架，利用低副运动的可逆性原理，四杆机构仍应能实现AB1E1D、AB2E2D、AB3E3D这样的三组相对位置。,可以将AB2E2D、AB
13、3E3D看成刚体，并绕回转中心D分别将DE2、DE3都反转到与DE1重合，此时，B2、B3以及A点对应落到B2、B3 和A2 、A3点，从而转化为以DE1 （即连架杆CD）为机架，已知连杆AB的三个位置来确定铰链C的位置问题 。,具体步骤归纳如下：,3按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1) 按给定行程速比系数K设计曲柄摇杆机构,假设给定摇杆长度lCD及摆角，试设计曲柄摇杆机构，要求能实现给定的行程速比系数K。,首先选取长度比例尺l，选一点作为固定铰链D的位置，按给定摇杆长度lCD及摆角画出摇杆的两个极限位置C1D及C2D。,由极位夹角确定曲柄的回转中心即铰链A的位置。由几何关系可得出：,2)
14、 按给定行程速比系数K设计曲柄滑块机构,已知：滑块行程两个端点C1、C2即冲程h=lC1C2 ；行程速比系数K；偏心距e，求曲柄a及连杆b的长。,该机构设计方法同曲柄摇杆机构,曲柄长,连杆长,3) 按行程速比系数K设计摆动导杆机构,已知：机架长lAC，行程速比系数K，求曲柄长lAB 。,适当选取机构图比例尺l，按已知机架lAC作机架AC，由K按式 求出极位夹角，按图可知，摆杆的摆角=，作 ，由此可得摆杆的两极限位置线BC及BC。由A点作 ，即可求得曲柄长 。,（二）解析法,（1）按照给定连杆位置设计四杆机构,1) 连杆上转动副转动中心B和C的位置已给定,设已知连杆上B、C点为转动副的转动中心，
15、及其三个位置坐标。求两连架杆与机架相连的转动副转动中心A和D。,由连架杆AB在运动过程中其长度不变的约束条件，可得：,解上两式可求得未知量XA、YA，即可确定出A点坐标，由此可求出连架杆lAB的长。,同理，可求出连架杆lCD长。,机架lAD长为：,连杆lBC长为：,2) 连杆上转动副转动中心B和C的位置未给定,要解决这类问题，可以从构件的位移矩阵着手加以研究。,当构件自初始位置S1运动到Si时，构件上任一点Q也由点Q1运动到点Qi,写成矩阵形式：,而,令,位移矩阵,位移矩阵表示构件上任一点在位移前后两组坐标之间关系的系数矩阵。,则,如构件只作平移运动和作绕原点O转动，位移矩阵分别简化为式（1-
16、3-22）和式（1-3-23） ：,如图所示的铰链四杆机构中，如能求出铰链四杆机构的某一位置的四个转动副中心A、B、C、D的位置坐标，则该机构的各杆长就可完全确定。由位移矩阵设计四杆机构，关键在于确定出位移矩阵中各项元素。其已知条件是连杆标记线上参考点P点的各个位置坐标及其标记线PQ的位置角i。,利用已知的位移矩阵即可求出点B、C相应的位移矩阵方程式 ：,点B相对于点A作转动运动，由连架杆AB长在运动时是不变的这个条件可得,将式（1-3-24）代入上式可得：,式中i=2, 3, , n。上式中xB1、yB1、xA、yA为四个待求的坐标值，可由四个独立方程式即可联立求解。,上面详细阐述了B点、A点的坐标值确定方法、仿此可解出C点、D点两点的坐标值。,连杆位置的综合方法还有几何图解方
