机械原理第七版优秀课件第八章平面连杆机构及其设计.ppt

机械原理第七版机械原理第七版优秀秀课件第八件第八章平面章平面连杆机构及其杆机构及其设计2 2、平面连杆机构的特点、平面连杆机构的特点l低副机构、易制造、易润滑、效率高、承载能力大、结构简单、成本低廉低副机构、易制造、易润滑、效率高、承载能力大、结构简单、成本低廉l 设计复杂、累计误差大、不易平衡设计复杂、累计误差大、不易平衡l 原动件运动规律不变时，改变构件的相对长度可实现多样化的运动规律，能实现特殊的运动轨迹原动件运动规律不变时，改变构件的相对长度可实现多样化的运动规律，能实现特殊的运动轨迹l 可实现远距离的运动和动力的传递可实现远距离的运动和动力的传递3.3.本章研究的内容：本章研究的内容：基本形式及其应用基本形式及其应用基本知识基本知识设计方法设计方法2021/3/12 d d：机架机架(Frame)(Frame)、b b：连杆连杆(Coupler)(Coupler)、a a、c c：连架杆连架杆(Side link)(Side link)a a：曲柄曲柄(Crank)(Crank)：与机架相联并且作整周转动的构件；：与机架相联并且作整周转动的构件；c c：摇杆摇杆(Rocker)(Rocker)：与机架相联并且作往复摆动的构件；：与机架相联并且作往复摆动的构件；根据连架杆的性质不同，根据连架杆的性质不同，可以分为三种基本形式的铰链四杆机构：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双可以分为三种基本形式的铰链四杆机构：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。摇杆机构。8.2 8.2 四杆机构的基本形式及其演化四杆机构的基本形式及其演化8.2.1 8.2.1 四杆机构的基本形式四杆机构的基本形式2021/3/13连架杆为曲柄和摇杆。曲柄主动时，可以将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。可能存在着急回连架杆为曲柄和摇杆。曲柄主动时，可以将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。可能存在着急回特性。特性。1 1、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构2021/3/14当以摇杆主动曲柄从动时，将摇杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。有死点位置。当以摇杆主动曲柄从动时，将摇杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。有死点位置。2021/3/152 2、双曲柄机构、双曲柄机构-两连架杆均为曲柄两连架杆均为曲柄可以将主动曲柄的匀速连续转动转变为从动曲柄的变速连可以将主动曲柄的匀速连续转动转变为从动曲柄的变速连续转动续转动2021/3/16平行四边形机构平行四边形机构-对边杆长相等且平行对边杆长相等且平行1）两曲柄以相同速度同向转动）两曲柄以相同速度同向转动2）连杆作平动连杆作平动有运动有运动不确定不确定的问题的问题2021/3/17反平行四边形机构反平行四边形机构-对边杆长相等但不平行对边杆长相等但不平行以长边为机架，杆以长边为机架，杆2 2作等速转动时，杆作等速转动时，杆4 4作反向变速运作反向变速运动。动。2021/3/183 3、双摇杆机构、双摇杆机构-两连架杆均为摇杆两连架杆均为摇杆将主动摇杆的往复摆动转变为从动摇杆的将主动摇杆的往复摆动转变为从动摇杆的往复摆动往复摆动2021/3/19n8.2.2 8.2.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化n1.1.变换机架变换机架2021/3/1102 2转动副向移动副的演化转动副向移动副的演化 1 1）曲柄滑块机构）曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构2021/3/1112021/3/1122 2）导杆机构）导杆机构3 3）摇块机构和定块机构）摇块机构和定块机构应用：牛头刨床、插床、应用：牛头刨床、插床、回转式油泵等回转式油泵等应用：摆缸式内燃应用：摆缸式内燃机、液压驱动装置机、液压驱动装置 等等 抽水唧抽水唧筒、抽油泵等。筒、抽油泵等。2021/3/1132021/3/1144 4）双滑块机构）双滑块机构（含两个移动副的四杆机构）缝缝纫纫机机机机针针动动画画2021/3/115椭圆仪椭圆仪2021/3/116十字滑块联轴器（用来联接中心线不重合的两根轴）十字滑块联轴器（用来联接中心线不重合的两根轴）主动件主动件1 1与从动件与从动件3 3具有相等的角速度具有相等的角速度2021/3/1173.3.改变运动副尺寸改变运动副尺寸-偏心轮机构偏心轮机构回转副回转副B B扩大到包括回转副扩大到包括回转副A A，使杆，使杆2 2成为回成为回转轴线在转轴线在A A点的偏心轮。点的偏心轮。圆盘的几何中心圆盘的几何中心B B与转动中心与转动中心A A不重合，称为偏不重合，称为偏心轮。心轮。2021/3/118偏心轮机构的应用例子偏心轮机构的应用例子-颚式破碎机颚式破碎机2021/3/119 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（杆长条件）；长度之和（杆长条件）；连架杆与机架中必有一杆为最短杆。连架杆与机架中必有一杆为最短杆。cbda+cadb+-)(badc+-)(曲柄存在条件曲柄存在条件8.3 8.3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识8.3.1 8.3.1 四杆机构有曲柄的条件四杆机构有曲柄的条件2021/3/120 先判断是否满足杆长条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和先判断是否满足杆长条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和若满足：若满足：当最短杆为连架杆当最短杆为连架杆-曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 当最短杆为机架当最短杆为机架-双曲柄机构双曲柄机构当最短杆为连杆当最短杆为连杆-双摇杆机构双摇杆机构判断思路：判断思路：若不满足：双摇杆机构若不满足：双摇杆机构2021/3/121曲柄滑块机构有曲柄的条件曲柄滑块机构有曲柄的条件 曲柄滑块机构中应使曲柄滑块机构中应使ACAC1 1AEAE，即：，即：b-a b-a e e故：故：b b a+ea+e或或a a b-eb-e，对心式，对心式，e=0,a e=0,a b b2021/3/122导导 杆杆 机机 构构 有有 曲曲 柄柄 的的 条条 件件 2021/3/123n8.3.2 8.3.2 四杆机构的急回特性及行程速比系数四杆机构的急回特性及行程速比系数2021/3/124传动角传动角压力角的余角。压力角的余角。8.3.3 8.3.3 四杆机构的传动角和死点位置四杆机构的传动角和死点位置压压力力角角从从动动件件受受力力点点（C C点点）的的受力方向与速度方向之间所夹的锐角。受力方向与速度方向之间所夹的锐角。一般情况一般情况min4050min在什么位置呢？在什么位置呢？2021/3/125nCosBCD=A+BcosCosBCD=A+Bcos，当，当=0=0或或180 180 时，时，cos=1cos=1，BCDBCD分别出现分别出现minmin 和和maxmax,n当当BCDBCD为锐角时，为锐角时，BCDBCD 就是就是minmin，n当当BCDBCD为钝角时，为钝角时，minmin=180-BCD180-BCD。n minmin 出现在曲柄与机架共线的位置。出现在曲柄与机架共线的位置。2021/3/1262021/3/127死点位置：死点位置：当连杆作用给曲柄的力过曲柄的回转中心时，不能产生回转力矩而当连杆作用给曲柄的力过曲柄的回转中心时，不能产生回转力矩而使从动件出现卡死或运使从动件出现卡死或运使从动件出现卡死或运使从动件出现卡死或运动不确定现象。此时机构的传动角为零度。动不确定现象。此时机构的传动角为零度。动不确定现象。此时机构的传动角为零度。动不确定现象。此时机构的传动角为零度。消除消除消除消除-可对从动曲柄施加外力（如飞轮）或采用机构错列。可对从动曲柄施加外力（如飞轮）或采用机构错列。可对从动曲柄施加外力（如飞轮）或采用机构错列。可对从动曲柄施加外力（如飞轮）或采用机构错列。2021/3/128夹紧机构夹紧机构夹紧机构夹紧机构用此原理快速加紧工件用此原理快速加紧工件飞机起落架飞机起落架2021/3/129n8.3.4 8.3.4 铰链四杆机构运动的连续性铰链四杆机构运动的连续性2021/3/1308.4 8.4 平面连杆机构设计平面连杆机构设计8.4.1 8.4.1 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题u 按照给定的运动轨迹设计四杆机构按照给定的运动轨迹设计四杆机构（轨迹生成机（轨迹生成机构设计）构设计）1 1、按照给定的连杆一系列位置设计四杆机构（刚体导引机构）、按照给定的连杆一系列位置设计四杆机构（刚体导引机构）2 2、按照连架杆的一系列位置设计四杆机、按照连架杆的一系列位置设计四杆机构构 (函数生成机构）函数生成机构）3 3、按照行程速比系数设计四杆机构、按照行程速比系数设计四杆机构 (函数生成机构）函数生成机构）u 按照给定的运动规律设计四杆机构按照给定的运动规律设计四杆机构设计方法：作图法、解析法和实验法设计方法：作图法、解析法和实验法2021/3/131B1C1B2C2b12c12AD1 1）按照连杆的二个位置设计四杆机构）按照连杆的二个位置设计四杆机构无穷多解无穷多解8.4.2 8.4.2 用作图法设计平面连杆机构用作图法设计平面连杆机构1.1.刚体导引机构的设计刚体导引机构的设计2021/3/1322 2）按照连杆的三个对应位置设计铰链四杆机构）按照连杆的三个对应位置设计铰链四杆机构 ADB1C1B2C2B3C3b12c12b23c23唯一解唯一解2021/3/133n例2021/3/134 AA1 1P P1212A A2 2=B=B1 1P P1212B B2 2=1212=-=-2121nAA1 1P P1212A A0 0=B=B1 1P P1212B B0 0=1212/2/2n由极点由极点P P1212看互为对面杆的两个连架杆看互为对面杆的两个连架杆A A1 1A A0 0和和B B1 1B B0 0时，视角均同向且等于连杆平面转角的一半，即：时，视角均同向且等于连杆平面转角的一半，即：1212/2/2，这一等角关系成为等视角关系，或等半角关系。，这一等角关系成为等视角关系，或等半角关系。n等视角定理等视角定理 连杆平面、相关点、圆点、圆心点、极点。连杆平面、相关点、圆点、圆心点、极点。2021/3/135nA1P12A0+A0P12B1=A1P12B1nA0P12B1+B1P12B0=A0P12B0n A1P12A0=B1P12B0=12/2 A1P12B1=A0P12B0n极点极点P P1212对四杆机构的两组对面杆的视角各自同向并相等，这种关系统称为等视角定理对四杆机构的两组对面杆的视角各自同向并相等，这种关系统称为等视角定理。2021/3/136u 反转法的原理反转法的原理 按两连架杆预定的按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构对应位置设计四杆机构按连杆预定位置按连杆预定位置设计四杆机构设计四杆机构2、按照连架杆的一系列对应位置设计四杆机构、按照连架杆的一系列对应位置设计四杆机构2021/3/137u 按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构 铰链四杆机构铰链四杆机构2021/3/1382021/3/1393 3、按行程速比系数设计四杆机构、按行程速比系数设计四杆机构 常用设计步骤：常用设计步骤：1.1.按实际需要给定行程速比按实际需要给定行程速比K K的数值的数值2.2.算出极位夹角算出极位夹角3.3.根据机构在极限位置时的几何关系，结合有关辅助条件根据机构在极限位置时的几何关系，结合有关辅助条件 来确定机构运动简图的尺寸参数。来确定机构运动简图的尺寸参数。2021/3/140n曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构n已知：摇杆已知：摇杆CDCD、摆角、摆角、急回特性系数、急回特性系数K K。设计曲柄摇杆机构。设计曲柄摇杆机构。2021/3/141n例：例：2021/3/142n曲柄滑块机构曲柄滑块机构2021/3/143n导杆机构导杆机构2021/3/1442021/3/145n用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构实质是建立机构尺度参数与运动参数的关系式。实质是建立机构尺度参数与运动参数的关系式。n1.1.按预定的运动规律设计四杆机构按预定的运动规律设计四杆机构按预定的两连架杆对应位置设计按预定的两连架杆对应位置设计已知：已知：i i=f(=f(i i)(a)2021/3/146机构两连架杆转角之间的关系取决于构件的相对长度和转角度量的初始值机构两连架杆转角之间的关系取决于构件的相对长度和转角度量的初始值取杆长相对尺寸：取杆长相对尺寸：a/a=1,b/a=l,c/a=m,d/a=n,则：则：两连架杆转角之间的运动关系可表达为：两连架杆转角之间的运动关系可表达为：=F(l,m,n,0,0,i)(b)只能是以只能是以(b)(b)式近似的去逼近式近似的去逼近 (a)式式2021/3/147aCos(i+0)+bCosi=cCos(i+0)+daSin(i+0)+bSini=cSin(i+0)以相对长度：以相对长度：a/a=1,b/a=l,c/a=m,d/a=n,代入则得：代入则得：l Cos i=n+m Cos(i+0)-Cos(i+0)l Sin i=m Sin(i+0)-Sin(i+0)整理为：整理为：2021/3/148nCos(Cos(i i+0 0)=mCos()=mCos(i i+0 0)-)-（m/n)Cos(m/n)Cos(i i+0 0-i i-0 0)+(m)+(m2 2+n+n2 2+1-+1-l2 2)/(2n)/(2n)n令：令：P P0 0=m=m，P P1 1=-m/n=-m/n，P P2 2=(m=(m2 2+n+n2 2+1-+1-l2 2)/(2n)/(2n)n则上式为：则上式为：nCos(Cos(i i+0 0)=P)=P0 0 Cos(Cos(i i+0 0)+P)+P1 1 Cos(Cos(i i+0 0-i i-0 0)+P)+P2 2n若预选若预选0 0和和0 0 ，n输入一组输入一组i i和和i i，n解得：解得：P P0 0 、P P1 1 、P P2 2 ，再代入则得：，再代入则得：l、m m、n n，选定一，选定一个个a a再算得再算得b b、c c、d.d.2021/3/149n按期望函数设计按期望函数设计期望函数期望函数y=f(x)y=f(x)逼近函数逼近函数y=F(x)y=F(x)在差值结点上在差值结点上f(x)-F(x)=0f(x)-F(x)=0差值结点的分布可如下选取：差值结点的分布可如下选取：n式中式中i=1i=1、2 2、m,mm,m为差值结点总数。为差值结点总数。2021/3/150n将函数的变化关系转化为转角的变化关系，即：将将函数的变化关系转化为转角的变化关系，即：将y=f(x)y=f(x)的关系转变为的关系转变为=f()=f()的关系的关系2021/3/151例：设计一铰链四杆机构，以近似实现给定函数例：设计一铰链四杆机构，以近似实现给定函数y=1/xy=1/x，自变量，自变量x x的变化区间为的变化区间为1 1x x2 2。两连架。两连架杆的总转角要求为杆的总转角要求为m m=90=90和和m m=-90=-90（正值表示逆时针转向，负值表示顺时针转向，若自选（正值表示逆时针转向，负值表示顺时针转向，若自选m m和和m m则不应超过则不应超过120 120）解：自变量解：自变量x x的边界值为的边界值为x x0 0=1=1和和x xm m=2=2,对应的转角对应的转角m m=90=90，相应的因变量，相应的因变量y y的边界值为的边界值为y y0 0=1=1和和y ym m=0.5=0.5,对应的转角对应的转角m m=-90=-90。1.1.换算比例系数换算比例系数：2021/3/152n2.2.选取插值点选取插值点n与此对应的因变量为：与此对应的因变量为：y y1 1=1/x=1/x1 1=0.9372 =0.9372 y y2 2=1/x=1/x2 2=0.6666 =0.6666 y y3 3=1/x=1/x3 3=0.5173=0.51732021/3/153n利用比例系数和求出插值结点处的连架杆角位移：n3.试取初始角0和0n取：0=39，n 0=101.3 2021/3/154n4.将各值代入方程并求解：nCos(i+0)=P0 Cos(i+0)+P1 Cos(i+0-i-0)+P2nCos(6+39)=P0 Cos(-11.3 +101.3)+P1 Cos(-11.3+101.3-6-39)+P2nCos(45+39)=P0 Cos(-60+101.3)+P1 Cos(-60+101.3 -45-39)+P2nCos(84+39)=P0 Cos(-86.9 +101.3)+P1 Cos(-86.9 +101.3-84-39)+P2整理解得：P0=P1=P2=l=m=n=a=b=c=d=画机构简图（杆长为负值则反方向度量）并检验y。2021/3/155n2.按预定的连杆位置设计四杆机构2021/3/156n3.3.按预定的运动轨迹设计四杆机构按预定的运动轨迹设计四杆机构2021/3/157n用实验法设计四杆机构用实验法设计四杆机构2021/3/1582021/3/1598.5 8.5 多杆机构多杆机构1.1.可取得有利的传动角；可取得有利的传动角；2021/3/1602.2.可获得较大的机械增益；可获得较大的机械增益；2021/3/1613.3.可改变从动件的运动特性；可改变从动件的运动特性；2021/3/1624.4.可实现机构从动件的间歇运动；可实现机构从动件的间歇运动；2021/3/1635.5.可扩大机构从动件可扩大机构从动件2021/3/1646.6.使机构从动件的行程可调使机构从动件的行程可调 ；2021/3/1657.7.实现特定条件下的平面导引；实现特定条件下的平面导引；8.8.可精确实现连架杆五个以上的对应位置。可精确实现连架杆五个以上的对应位置。2021/3/1662021/3/1672021/3/1682021/3/1691 1、按照给定连杆一系列位置设计四杆机构、按照给定连杆一系列位置设计四杆机构刚体导引机构的设计刚体导引机构的设计铸造车间翻转台铸造车间翻转台2021/3/1702 2、按照连架杆的一系列位置设计四杆机构、按照连架杆的一系列位置设计四杆机构 实现函数关系的机构设计实现函数关系的机构设计2021/3/1713 3、按照行程速比系数设计四杆机构、按照行程速比系数设计四杆机构 2021/3/172按照给定的运动轨迹设计四杆机构按照给定的运动轨迹设计四杆机构 2021/3/173