平面連桿機構(gòu)分析PPT課件

1、1【能力目標】 1. 掌握平面連桿機構(gòu)的類型及應用；2. 掌握曲柄存在的條件及曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性；3. 了解平面連桿機構(gòu)的演化4. 會用作圖法設計平面四桿機構(gòu) （1） 按給定行程速比系數(shù)K設計四桿機構(gòu) （2） 按給定連桿預定位置設計四桿機構(gòu) 返回目錄第1頁/共50頁2【案例導入】 返回目錄圖2-1腳踏砂輪機構(gòu)及機構(gòu)運動簡圖圖2-2-鶴式起重機起吊機構(gòu)及機構(gòu)運動簡圖由若干構(gòu)件用低副連接起來的平面機構(gòu)，稱為平面連桿機構(gòu). 第2頁/共50頁32.1平面連桿機構(gòu)的特點 平面連桿機構(gòu)具有什么特點呢？返回目錄2）轉(zhuǎn)動副和移動副的接觸表面是圓柱面或平面，便于制造；3）低副中存在間隙，低副數(shù)目較多時會使得

2、從動件的運動累積誤差較大；4）平面連桿機構(gòu)的設計比較復雜，不易精確地實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。5）不適用于動載荷較大高速運轉(zhuǎn)的場合。1）構(gòu)件間的低副連接是面接觸，接觸面上壓強小，易潤滑，因此磨損較小，可以承受較大載荷；第3頁/共50頁42.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式與應用 鉸鏈四桿機構(gòu)四個構(gòu)件由轉(zhuǎn)動副連接起來的平面四桿機構(gòu)。平面四桿機構(gòu)是最基本的連桿機構(gòu)，鉸鏈四桿機構(gòu)又是平面四桿機構(gòu)的最基本、最簡單的形式，其他平面四桿機構(gòu)都可以看作由鉸鏈四桿機構(gòu)演化而來。返回目錄平面四桿機構(gòu)的基本類型鉸鏈四桿機構(gòu) 根據(jù)連架桿運動形式的不同，鉸鏈四桿機構(gòu)可分為：1. 曲柄搖桿機構(gòu)(crank-rocker mecha

3、nism)2. 雙曲柄機構(gòu)(double crank mechanism)3. 雙搖桿機構(gòu)(double rocker mechanism) 平行四邊形機構(gòu) 第4頁/共50頁5平面四桿機構(gòu)的基本形式鉸鏈四桿機構(gòu)連架桿機架連架桿連桿ABD 能繞其軸線轉(zhuǎn)360的連架桿。僅能繞其軸線作往復擺動的連架桿。 曲柄搖桿連架桿返回目錄第5頁/共50頁6返回目錄在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿，則此四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。機構(gòu)中，當曲柄為原動件，搖桿為從動件時，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)變成搖桿的往復擺動。1. 曲柄搖桿機構(gòu)圖2-5 雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu) 圖2-6 縫紉機腳踏板機構(gòu) 曲

4、柄搖桿機構(gòu)第6頁/共50頁72. 雙曲柄機構(gòu) 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu)。圖2-7 慣性篩機構(gòu)E圖2-8 平行四邊形機構(gòu)圖2-9 消除運動不確定的方法返回目錄雙曲柄機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)第7頁/共50頁82. 雙曲柄機構(gòu) 在雙曲柄機構(gòu)中，用的較多的是平行雙曲柄機構(gòu)，又稱為平行四邊形機構(gòu)。 平行四邊機構(gòu)： 這種機構(gòu)對邊桿長度（即轉(zhuǎn)動副之間的距離）相等，組成平行四邊形。當桿AB等角速轉(zhuǎn)動時，桿CD也以相同角速度同向轉(zhuǎn)動，連桿BC則做平動。這種機構(gòu)可以保持等傳動比。 平行四邊機構(gòu)的運動不確定性： 當平行四邊機構(gòu)的四個鉸鏈中心處以同一直線上時，將出現(xiàn)運動不確定狀態(tài)：此時機構(gòu)有

5、可能正常運動下去，有可能反轉(zhuǎn)，還有可能卡死不動。 消除運動不確定性： 消除這種運動不確定性，可以在主、從曲柄上錯開一定角度再安裝一組平行四邊形。如圖2-9所示，當上面一組平行四邊機構(gòu)轉(zhuǎn)到ABCD共線位置時，下面一組平行四邊機構(gòu)AB1C1D卻處于正常位置，故機構(gòu)仍然保持確定運動。第8頁/共50頁92. 雙曲柄機構(gòu) 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu)。圖2-7 慣性篩機構(gòu)E圖2-8 平行四邊形機構(gòu)圖2-9 消除運動不確定的方法返回目錄雙曲柄機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)第9頁/共50頁103. 雙搖機構(gòu) 鉸鏈四桿機構(gòu)的兩連架桿都是搖桿，則稱為雙搖桿機構(gòu)。 圖2-2 鶴式起重機起吊機構(gòu) 及

6、機構(gòu)運動簡圖圖2-10 車輛的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)返回目錄第10頁/共50頁113. 雙搖機構(gòu) 等腰梯形機構(gòu)： 兩搖桿長度相等的雙搖桿機構(gòu)稱為等腰梯形機構(gòu)。 車輛的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)即是等腰梯形機構(gòu)。第11頁/共50頁12 2.3鉸鏈四桿機構(gòu)基本型式的判別鉸鏈四桿機構(gòu)都是四個構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副連接起來，但有不同的型式來實現(xiàn)不同的功能。他們與構(gòu)件尺寸有何關系？現(xiàn)在讓我們來分析曲柄存在的條件。返回目錄1. 鉸鏈四桿機構(gòu)只存在一個曲柄的條件（1）其中一個連架桿最短；（2）最短桿和最長桿之和大于或等于另兩桿之和。 利用三角形任意兩邊之和大于（極限情況等于）第三邊，可以證明鉸鏈四桿機構(gòu)只存在一個曲柄的條件。第12

7、頁/共50頁13返回目錄證明： 設AD=L1,AB=L2,BC =L3 ,CD=L4,若連架桿L2為曲柄，且作整圓周運動,則它應順利通過與機架AD共線的兩個位置AB1和AB2 ，機構(gòu)在這兩個位置分別構(gòu)成B1C1D和B2C2D。利用三角形任意兩邊之和大于（極限情況等于）第三邊的性質(zhì)有以下證明。 圖2-112-11 曲柄搖桿機構(gòu)在B1C1D中: L3(L1 L2)+ L4 L4(L1 L2)+L3即: L2 + L3 L1+ L4 L2 + L4 L1 + L3 在B2C2D中: L1 +L2 L3 + L4 + 得 L2 L1 + 得 L2 L4 + 得 L2 L3 所以在L1、L2、L3和L4

8、四個構(gòu)件中曲柄L2最短。由式可知：最短桿+任一桿長其余兩桿之和，所以最短桿+ 最長桿 另兩桿之和。鉸鏈四桿機構(gòu)中,存在一個曲柄的條件為：（1）曲柄最短;（2）最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿之和.第13頁/共50頁142鉸鏈四桿機構(gòu)的三種基本型式的判別返回目錄當最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其它兩桿長度之和(即滿足桿長條件) 時: 最短桿為連架桿-曲柄搖桿機構(gòu)(slider-crank mechanism) 最短桿為機架 -雙曲柄機構(gòu)(double crank mechanism) 最短桿為連桿-雙搖桿機構(gòu)(double rocker mechanism) 當 最短桿與最長桿的長度之和

9、大于其它兩桿長度之和-雙搖桿機構(gòu)(double rocker mechanism)第14頁/共50頁152.4曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性分析 曲柄搖桿機構(gòu)ABCD，原動曲柄轉(zhuǎn)動一周過程中，有兩次與連桿共線，即重疊共線和拉直共線，搖桿兩個極限位置分別為C1D和C2D。 返回目錄圖2-13 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性1.急回特性 曲柄AB以等角速度順時針轉(zhuǎn)過1角由位置AB1轉(zhuǎn)到位置AB2，搖桿從C1D擺到C2D,擺角為，所需時間為t1，C點平均速度為V1。當曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過角2 ，搖桿從C2D返回到C1D, 所需時間為t2，C點平均速度為V2。 因為12 ，t1t2，所以v190BCD90時， 180180-

10、 BCD- BCD切向分力: : F F= Fcos= Fcos法向分力: : F F”= Fcos= Fcos F F對傳動有利。=Fsin=Fsin稱為傳動角。此位置一定是：主動件與機架共線兩處之一。CDBAF可用的大小來表示機構(gòu)傳動力性能的好壞, ,F”F當BCDBCD最小或最大時，都有可能出現(xiàn)minmin為了保證機構(gòu)良好的傳力性能在連桿設計中，為了度量方便，習慣用壓力角的余角來判斷傳力性能，稱為傳動角。 返回目錄第19頁/共50頁203止點位置v曲柄搖桿機構(gòu)ABCD中，搖桿CD為主動件。當機構(gòu)處于連桿與從動曲柄共線的兩個位置時，出現(xiàn)了傳動角=0，壓力角=90的情況。主動件CD通過連桿作

11、用于從動件AB的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，不能使AB桿轉(zhuǎn)動，機構(gòu)此位置稱為死點(dead point)，也稱之為止點位置。 返回目錄圖2-15 曲柄搖桿機構(gòu)的止點位置v止點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定現(xiàn)象。為了消除死點位置的不良影響，可以對從動曲柄施加外力，或利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性作用，使機構(gòu)通過止點位置。第20頁/共50頁21利用止點的實例 工程實踐中，常利用死點來實現(xiàn)特定的工作要求。 飛機起落架機構(gòu) 在機輪放下時，連桿BC桿與從動桿CD桿成一直線，機構(gòu)處于死點位置，使降落更加安全可靠。 返回目錄第21頁/共50頁222.5平面四桿機構(gòu)的演化 鉸鏈四桿機構(gòu)可通過擴大轉(zhuǎn)動副、變更構(gòu)件

12、長度和變更機架等途徑演化出其他平面連桿機構(gòu)。第22頁/共50頁232.5平面四桿機構(gòu)的演化返回目錄1、改變構(gòu)件的形狀和尺寸a）曲柄搖桿機構(gòu) b）桿3增至無限長 c）對心曲柄滑塊機構(gòu) d）偏置曲柄滑塊機構(gòu)圖2-16 曲柄搖桿機構(gòu)演變成曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)第23頁/共50頁242取不同構(gòu)件為機架返回目錄a）曲柄滑塊機構(gòu) b）導桿機構(gòu)c）搖塊機構(gòu) d）定塊機構(gòu)圖2-17曲柄滑塊機構(gòu)的演化曲柄滑塊機構(gòu)第24頁/共50頁25（1）導桿機構(gòu)取桿1為固定構(gòu)件，得到導桿機構(gòu)。桿4在機構(gòu)中與機架以轉(zhuǎn)動副連接，與滑塊以移動副相連接，該構(gòu)件稱為導桿。 返回目錄第25頁/共50頁26轉(zhuǎn)動導桿機

13、構(gòu)曲柄1和導桿3都能作360周轉(zhuǎn)運動，主動曲柄作等速轉(zhuǎn)動，從動導桿作變速轉(zhuǎn)動，l1l4。 轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)返回目錄第26頁/共50頁27擺動導桿機構(gòu) 曲柄1作360周轉(zhuǎn)運動，擺動導桿3作往復擺動，l1l4，且有較大的急回運動特性。 擺動導桿機構(gòu)返回目錄第27頁/共50頁28（2）搖塊機構(gòu)圖2-17c中，取桿2為固定構(gòu)件，可得搖塊機構(gòu)。 搖塊機構(gòu)圖2-18汽車自動卸料機構(gòu)返回目錄第28頁/共50頁29（3）定塊機構(gòu) 圖2-17d中，若取構(gòu)件3為固定件，得到固定滑塊機構(gòu)或稱定塊機構(gòu)。 圖2-19 手壓抽水機定塊機構(gòu)返回目錄第29頁/共50頁303.擴大轉(zhuǎn)動副偏心輪是回轉(zhuǎn)副B擴大到包括回轉(zhuǎn)副A而形成的，

14、偏心距e是曲柄的長度。當曲柄長度很小時，通常把曲柄設計為偏心輪，這樣可以避免曲柄因長度過小，強度和剛度不足的問題。返回目錄a） b)圖2-20 偏心輪機構(gòu)第30頁/共50頁312.6平面四桿機構(gòu)的設計 設計機構(gòu)的方法有解析法、幾何法和實驗法。 解析法計算量大，精度高，適合于計算機設計； 圖解法直觀性強，簡單易行，但設計精度低，可以滿足一般機械的設計要求； 實驗法一般用于運動要求比較復雜的四桿機構(gòu)。 這里主要介紹圖解法。第31頁/共50頁322.6平面四桿機構(gòu)的設計 四桿機構(gòu)的設計可以歸納為兩類： 位置設計問題按照給定從動件的位置設計四桿機構(gòu)。 軌跡設計問題按照從動件的運動軌跡設計四桿機構(gòu)。 四

15、桿機構(gòu)設計的內(nèi)容： 按照從動件的運動形式選擇合理的機構(gòu)類型。 根據(jù)給定的運動參數(shù)或其他條件（如最小傳動角、幾何條件等）確定機構(gòu)的運動簡圖的尺寸參數(shù)。第32頁/共50頁33按給定行程速比系數(shù)K設計四桿機構(gòu)適用于具有急回特性的四桿機構(gòu)的設計 。具有急回特性的四桿機構(gòu)有曲柄搖桿機構(gòu)、偏置式曲柄滑塊機構(gòu)、擺動導桿機構(gòu)。2.6平面四桿機構(gòu)的設計返回目錄第33頁/共50頁342.6平面四桿機構(gòu)的設計 曲柄搖桿機構(gòu)設計 已知條件：搖桿長度l3，擺角和行程速度變化系數(shù)K。返回目錄 設計的實質(zhì)是確定鉸鏈中心A點的位置，定出其他三桿的尺寸曲柄l1、連桿l2和機架l4。 11801kk312llC DC D圖2-2

16、1曲柄搖桿機構(gòu)的設計 1）選作圖比例為ul； 2）由給定的行程速度變化系數(shù)K，求出極位夾角3）如圖2-21所示，任選固定鉸鏈中心 D的位置，由搖桿長度l3和擺角，作出搖桿兩個極限位置C1D和C2D， 解l第34頁/共50頁35 4）連接C1和C2，并作 C1M C1C2。 5）作C1C2N=90，C2N與C1M相交于P點，由圖可見，C1PC2=。 6）作PC1C2的外接圓，在此圓周（C1C2和EF除外）上任取一點A作為曲柄的固定鉸鏈中心。連AC1和AC2，因同一圓弧的圓周角相等，故C1AC2=C1PC2=。 7）因極限位置處曲柄與連桿共線，故，從而得圖中曲柄長度，則曲柄實際長度。再以A為圓心和

17、AB為半徑作圓，分別交C1A的延線于B1，交C2A于B2，即得連桿實際長度；機架實際長度。 注意：1122,AB BCB CAD其中 分別是曲柄、連桿和機架在圖中的長度，因此可在圖中直接量出。 返回目錄第35頁/共50頁362.6平面四桿機構(gòu)的設計 曲柄搖桿機構(gòu)設計 由于A點是外接圓上任選的點，所以僅按行程速度變化系數(shù)K設計，可得無窮多的解。 A點位置不同，機構(gòu)傳動角的大小也不同。如欲獲得良好的傳動質(zhì)量，可按照最小傳動角最優(yōu)或其他輔助條件來確定A點的位置。第36頁/共50頁37給定連桿的兩個位置B1C1和B2C2設計四桿機構(gòu)圖解過程如下:1）選定長度比例尺，繪出連桿的兩個位置B1C1、B2C2

18、。2）連接B1B2、 C1C2，分別作線段B1B2和C1C2的垂直平分線B12和C12，分別在B12和C12上任意取A、D兩點，A、D兩點即是兩個連架桿的固定鉸鏈中心。連接AB1、C1D即為所求的四桿機構(gòu)。（1）按給定連桿的兩位置設計四桿機構(gòu)圖2-24 按給定連桿的兩位置設計四桿機構(gòu)由于A、D點可任意選取，所以有無窮解。在實際設計中可根據(jù)其他輔助條件，例如限制最小傳動角或者A、D的安裝位置來確定鉸鏈A、D的安裝位置。注意：返回目錄第37頁/共50頁38 按結(jié)定連桿三個位置，要求設計四桿機構(gòu)，其設計過程與上述基本相同。如圖2-25所示，由于B1、B2、B3三點位于以A為圓心的同一圓弧上，故運用已

19、知三點求圓心的方法，作B1B2和B2B3的垂直平分線，其交點就是固定鉸鏈中心A。用同樣方法，作C1C2和C2C3的垂直平分線，其交點便是另一固定鉸鏈中心 D。 AB1C1D即為所求四桿機構(gòu)。（2）按給定連桿的三位置設計四桿機構(gòu)圖2-25 按給定連桿的三位置設計四桿機構(gòu)返回目錄第38頁/共50頁392.7 應用舉例 例2-1 在圖2-26所示的鉸鏈機構(gòu)中，已知：LBC=50mm，LCD=35mm，LAD=30mm，AD為固定件。 1）要是機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，且AB是曲柄，求LAB的極限值。 2）要使機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，求LAB的取值范圍。 3）要使機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)，求LAB的取值范圍。第39頁/共

20、50頁402.7 應用舉例解：1）要使機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)， 則機構(gòu)必須滿足“桿長之和條件”， 且AB應為最短桿，即LAB30mm。 再根據(jù)LBC+LABLAD+LCD， 即：50mm+LAB30mm+35mm， 得：LAB15mm。第40頁/共50頁412.7 應用舉例 2）要使機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，則機構(gòu)必須滿足“桿長之和條件”，且AD應為最短桿，所以LABLAD=30mm。 (1)LAB50mm時，BC為最長桿。 根據(jù)桿長之和條件： LBC+LADLAB+LCD， 即50mm+30mmLAB+35mm， 得：LAB45mm， 所以：45mmLAB50mm (2)LAB50mm時，AB為最長桿。

21、 根據(jù)桿長之和條件： LAB+LADLBC+LCD， 即LAB+30mm50mm+35mm， 得：LAB55mm， 所以：50mmLAB55mm 結(jié)合(1)和(2)分析，要使機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)則須滿足45mmLAB55mm第41頁/共50頁422.7 應用舉例 3）要使機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)，則機構(gòu)必須滿足“桿長之和條件”，且連桿BC應為最短桿或者機構(gòu)應該不滿足“桿長之和條件”。顯然，BC不是最短桿，所以機構(gòu)應該不滿足“桿長之和條件”。 (1)LAB30mm+35mm， 得：LAB15mm， 所以：15mmLAB30mm第42頁/共50頁432.7 應用舉例 (2)50mmLAB30mm時，AD為最短

22、桿，BC為最長桿。 根據(jù)桿長之和條件： LBC+LADLAB+LCD， 即50mm+30mmLAB+35mm， 得：LAB45mm， 所以：30mmLAB50mm時，AB為最長桿，AD為最短桿。 根據(jù)桿長之和條件： LAB+LADLBC+LAD， 即LAB+30mm50mm+35mm， 得：LAB50mm (4) 還需要滿足三角形的邊長關系。 LABLBC+LCD+LAD=50mm+35mm+30mm=115mm 故綜合(1)、(2)、(3)、(4)分析可得，要使機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)，則須滿足15mmLAB45mm或55mmLAB115mm。第43頁/共50頁44【能力訓練】 1. 問題提出 試設

23、計一鉸鏈四桿機構(gòu)，已知行程速比系數(shù)K=1.5，搖桿的長度 ，機架的長度為 ，機架處于水平位置時搖桿的一個極限位置與機架之間的夾角為1=45。 （1）用圖解法求該機構(gòu)的曲柄長度lAB和連桿的長度lBC（只求一解即可）； （2）設計出該四桿機構(gòu)，畫出機構(gòu)運動簡圖； （3）用圖解法求最小傳動角； （4）根據(jù)設計獲得各桿的長度，判別該機構(gòu)是否符合存在一個曲柄的條件； 返回目錄圖2-27 機構(gòu)運動示意圖75cdlmm100ADlmm第44頁/共50頁452. 解決方案 解：（1）求該機構(gòu)的曲柄長度lAB和連桿的長度lBC 根據(jù)實際尺寸確定適當?shù)拈L度比例尺 25； 根據(jù)給定的系數(shù)K，計算出機構(gòu)的極位夾角

24、作水平線AD，且 ；以D為圓心， （mm）為半徑畫圓弧，使得C1DA=1=45。連接C1D；以AC1為一邊作C1AC2=36，此角的另一邊交圓弧于C2和C2點。 計算長度 若將DC1視為搖桿的右極限位置，則DC2即為搖桿的左極限位置。因而測得AC1=2.8，AC2=6.8，因極限位置處曲柄與連桿共線，故AC1B1C1AB1，AC2AB2+B2C2；而AB=AB1=AB2，BC=B1C1=B2C2，從而得曲柄長度 。于是曲柄AB實際長度 50 mm。 。于是連桿BC實際長度 mm。 若將DC1視為搖桿的左極限位置，則DC2即為搖桿的右極限位置。同理可以求解，過程略。l11.5 11801803611.5 1kk4251001ulADAD3257511ulDCCD228 . 28 . 6212ACACABABllAB8 . 428 . 28 . 6212ACACBC118258 . 4lB