機械設(shè)計基礎(chǔ)11平面連桿機構(gòu).ppt

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第11章 平面連桿機構(gòu),● 11.1 鉸鏈四桿機構(gòu) ● 11.1.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用 ● 11.1.2 鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判別 ● 11.2 具有一個移動副的平面四桿機構(gòu) ● 11.2.1 曲柄滑塊機構(gòu) ● 11.2.2 曲柄滑塊機構(gòu) ● 11.3 偏心輪機構(gòu)和平面多桿機構(gòu) ● 11.3.1 偏心輪機構(gòu) ● 11.3.2 平面多桿機構(gòu) ● 11.4 平面四桿機構(gòu)的運動特性 ● 11.4.1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性 ● 11.4.2 曲柄滑塊機構(gòu)的運動特性 ● 11.4.3 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的運動特性 ● 11.5 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的運動特性 ● 11.5.1 按給定的連桿長度和位置設(shè)計平面四桿機構(gòu) ● 11.5.2 按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計平面四桿機構(gòu) ● 本章習(xí)題,,,,,,,,,,● 11.1 鉸鏈四桿機構(gòu) ● 11.1.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,,根據(jù)連架桿的不同運動形式，鉸鏈四桿機構(gòu)可分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種基本類型。 1．曲柄搖桿機構(gòu) 兩個連架桿中一個為曲柄另一個為搖桿的四桿機構(gòu)，稱為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖11.1所示。其中構(gòu)件1是曲柄，構(gòu)件3是搖桿。,,圖11.1 鉸鏈四桿機構(gòu),,圖11.2 雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)圖,● 11.1.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,,,2．雙曲柄機構(gòu) 兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。在圖11.4所示的慣性篩機構(gòu)中，由構(gòu)件1、2、3、6構(gòu)成的鉸鏈四桿機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)。主動件曲柄1勻速轉(zhuǎn)動，從動曲柄3則作周期性變速回轉(zhuǎn)運動，通過連桿4使篩子在往復(fù)運動中具有所需的加速度，從而達到篩分物料的目的。,,,圖11.4 慣性篩機構(gòu),,2．雙曲柄機構(gòu) 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若對邊的長度相等而且平行,該機構(gòu)稱為平行四邊形機構(gòu)。如圖11.5所示，不論以哪個構(gòu)件為機架，平行四邊形機構(gòu)都是雙曲柄機構(gòu)。,,3．雙搖桿機構(gòu) 兩個連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。圖11.9所示的鶴式起重機中的四桿機構(gòu)即為雙搖桿機構(gòu)。當(dāng)主動件擺動時，從動搖桿也隨之?dāng)[動，而且可以通過設(shè)計找到連桿上某點的運動軌跡近似為水平直線。,,,圖11.5 平行四邊形機構(gòu),圖11.9 鶴式起重機,,● 11.1.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,1． 曲柄存在的條件 在圖11.11所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，各桿長度分別為 、 、 、 ，桿1、桿3為連架桿、桿2為連桿、桿4為機架，如果連架桿1能作整周回轉(zhuǎn)，即為曲柄，那么1必須能順利通過與機架4共線的兩個位置和。,,,當(dāng)曲柄處于 位置時，形成 ，可得,,,,,,,,處于位置時 ，形成 ，可得,,,， ，,由分析表明，在鉸鏈四桿機構(gòu)中，連架桿1成為曲柄的條件如下：(1)連架桿1是最短桿(2)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。,圖11.11 鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件的分析,● 11.1.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,2．鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判斷 若最短桿與最長桿長度之和小于或等于另外兩桿長度之和，則 (1) 當(dāng)最短桿為連架桿時，該機構(gòu)是曲柄搖桿機構(gòu)。 (2) 當(dāng)最短桿為機架時，該機構(gòu)是雙曲柄機構(gòu)。 (3) 當(dāng)最短桿為連桿時，該機構(gòu)是雙搖桿機構(gòu)。 若最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和，因機構(gòu)中不可能有曲柄存在，故不論取任何構(gòu)件為機架，都是雙搖桿機構(gòu)。 若構(gòu)件的長度具有特殊的關(guān)系，如不相鄰的桿長兩兩分別相等，該機構(gòu)不論以哪個桿件為機架，都是雙曲柄機構(gòu)(平行四桿機構(gòu)或反向雙曲柄機構(gòu))。,,● 11.2 具有一個移動副的平面四桿機構(gòu),● 11.1.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,,,在圖11.12(a)所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，搖桿3上C點的運動軌跡是以D為圓心、CD長為半徑的圓弧 。若桿3長度增至無窮大，則如圖11.12(b)所示，C點軌跡變?yōu)橹本€ 。于是搖桿3演化為直線運動的滑塊，原曲柄搖桿機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副演化為圖11.12c所示的曲柄滑塊機構(gòu)。,若點C運動軌跡A正對曲柄轉(zhuǎn)動中心，則稱為對心曲柄滑塊機構(gòu)如圖11.12(c)所示；若C點運動軌跡 的延長線與曲柄轉(zhuǎn)動中心A之間存在偏距e[如圖11.12(d)所示]，則稱為偏置曲柄滑塊機構(gòu) 。,,● 11.1.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,導(dǎo)桿機構(gòu)可以看成是通過改變曲柄滑塊機構(gòu)中的固定構(gòu)件演化而來的。演化后能在滑塊中作相對移動的構(gòu)件[圖11.14(b)、(c)、(d)中的構(gòu)件4]稱為導(dǎo)桿。根據(jù)導(dǎo)桿的運動特征，導(dǎo)桿又分為四種類型。 1．曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu),在圖11.14(b)中，以桿1為機架，由于桿的長度 ＜ ，因此桿2和桿4都可以作整周轉(zhuǎn)動。這種具有一個曲柄和一個能作整周轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿的四桿機構(gòu)稱為曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)。 圖11.15所示的小型刨床機構(gòu)簡圖中，采用的就是由桿1、2、3、4組成的曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)。,,,,(a) 曲柄滑塊機構(gòu) (b) 曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu),圖11.15 曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)在小型刨床機構(gòu)中的應(yīng)用,2． 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu) 在圖11.14(b)中，如果桿的長度 ＞ ，那么機構(gòu)演化成圖11.16(a)所示的曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。圖11.16(b)所示為曲柄BC擺動導(dǎo)桿機構(gòu)在電器開關(guān)中的應(yīng)用。當(dāng)曲柄處于圖示位置時，動觸點4和靜觸點1接觸，當(dāng)BC偏離圖示位置時，兩觸點分開。,,,(a) 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu),(b) 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)在電器開關(guān)中的應(yīng)用,圖11.16 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu),3．移動導(dǎo)桿機構(gòu) 在圖11.14(c)中，以構(gòu)件3為機架，便得到移動導(dǎo)桿機構(gòu)。圖11.17(b)所示的抽水唧筒就是移動導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用實例。,,(c) 移動導(dǎo)桿機構(gòu) d) 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu) 圖11.14 曲柄滑塊機構(gòu)向?qū)U機構(gòu)的演化,a) 移動導(dǎo)桿機構(gòu) (b) 抽水唧筒,圖11.17 移動導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用實例,4．?dāng)[動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu) 在圖11.14(d)中，以桿2為機架，便得到擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)。圖11.18所示的汽車自動卸料機構(gòu)用的就是擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)。,,(a) 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu) (b) 汽車自動卸料機構(gòu) 圖11.18 汽車自動卸料機構(gòu),● 11. 3 偏心輪機構(gòu)和平面多桿機構(gòu),● 11.3.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用,,偏心輪機構(gòu)實際上也是由鉸鏈四桿機構(gòu)演化而來的。 在圖11.19(a)所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，回轉(zhuǎn)副B是由曲柄上的銷軸與連桿上的軸孔所組成的，當(dāng)曲柄AB的長度較小，而銷軸上又要承受較大載荷時，將銷軸直徑加大，則連桿的軸孔也必須相應(yīng)地加大。當(dāng)曲柄的銷軸直徑加大到大于曲柄AB的長度時，則連桿的軸孔B就形成了環(huán)狀，曲柄AB變成為一個仍然繞點轉(zhuǎn)動而幾何中心為B的圓盤(也就是偏心輪)，如圖11.19(b)所示。雖然結(jié)構(gòu)形狀改變了，但由于桿件AB、BC、CD、AD的長度均未改變，因此各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系均未改變。點B到A點的距離稱為偏心距，它等于曲柄的長度。這種偏心輪機構(gòu)適用于曲柄短、受力大的場合。,,,(a) 曲柄搖桿機構(gòu) (b) 偏心輪機構(gòu),● 11.3.2 平面多桿機構(gòu),平面四桿機構(gòu)是平面連桿機構(gòu)的基本形式。在實際應(yīng)用中，常將多個平面四桿機構(gòu)組合在一起，構(gòu)成平面多桿機構(gòu)，以滿足各種不同的工作要求。圖11.4所示的慣性篩機構(gòu)便是由構(gòu)件1、2、3、6組成的雙曲柄機構(gòu)和由構(gòu)件3、4、5、6組成的曲柄滑塊機構(gòu)組合而成的六桿機構(gòu)，圖11.15也是平面多桿機構(gòu)的應(yīng)用實例。,,● 11. 4 平面四桿機構(gòu)的運動特性,● 11.4.1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,1．急回特性 在圖11.20所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)曲柄AB為主動件并作整周轉(zhuǎn)動時，搖桿CD作往復(fù)擺動。當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到 的位置時，搖桿CD達到右極限 位置，曲柄與連桿拉直共線；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到位置時，搖桿達到左極限位置，曲柄與連桿重疊共線。從動件搖桿處于兩極限位置時，曲柄對應(yīng)兩個位置所夾的銳角θ稱為極位夾角。,,,,,當(dāng)曲柄沿順時針方向以等角速度 由位置 轉(zhuǎn)到 時，其轉(zhuǎn)角 ，所用時間為 ，與此同時，搖桿由位置 擺到 ，其擺角為 ，C點的平均速度 ；當(dāng)曲柄繼續(xù)由位置 轉(zhuǎn)到時 ，其轉(zhuǎn)角為 ，所用時間為 ，這時搖桿由位置 擺到 ，擺角仍為 ，C點的平均速度 ；顯然 ＞ 。,,,,,,,,,,,圖11.20 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性,圖11.20 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性,搖桿由位置 擺到 這一過程稱為工作行程，搖桿由位置擺到這一過程稱為返回空行程。通常把搖桿返回空行程速度大于工作行程速度這一運動特性，稱為急回特性。為了表示急回特性的相對程度，引入行程速度變化系數(shù)K，即,,,(11.4),顯然， 值越大，機構(gòu)急回特性越顯著。 值與極位夾角 有關(guān)。越大， 值越大；當(dāng) 時， ，機構(gòu)無急回特性。由以上分析可以看出，曲柄搖桿機構(gòu)有急回特性的條件是：極位夾角 不等于0。由式(11.4)可得極位夾角,K,K,,K,,,,2．壓力角和傳動角,● 11.4.1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,,在圖11.21所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄AB是主動件。忽略各桿的質(zhì)量、慣性力和運動副中的摩擦力，則連桿BC是二力共線的構(gòu)件。從動件CD上C點的受力方向和該點的速度方向之間所夾的銳角 ，稱為機構(gòu)在該點處的壓力角。,,將力F分解為相互垂直的兩個分力Ft和Fn，F(xiàn)t的方向與鉸鏈C點的速度方向vc一致，F(xiàn)n的方向沿著CD桿的方向并與Ft的方向垂直，則有,圖11.21 曲柄搖桿機構(gòu)的壓力角和傳動角,,式中：Ft——推動從動件CD運動的有效力，對從動件產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩； Fn——鉸鏈附加壓力，加速鉸鏈的摩擦磨損，是有害力。,● 11.4.1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,2．壓力角和傳動角,為了便于度量和分析，工程上常用壓力角的余角 來分析機構(gòu)的傳力性能，稱為傳動角。顯然， 越大，機構(gòu)的傳力性能越好。在機構(gòu)的運動過程中，傳動角 的大小是變化的。為了保證機構(gòu)具有良好的傳力性能，需要限制最小傳動角 ，以免傳動效率過低或機構(gòu)出現(xiàn)自鎖。對于一般機械，通常應(yīng)使 ；對于高速和大功率傳動機械，應(yīng)使 。,,,,,,,對于曲柄搖桿機構(gòu)，可以證明，在曲柄與機架拉直共線或重疊共線的兩個位置之一，是機構(gòu)的最小傳動角 。,● 11.4.1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,3．死點,在圖11.20所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，以搖桿3為主動件，曲柄1為從動件，機構(gòu)將搖桿的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼苻D(zhuǎn)動。當(dāng)搖桿3依次擺到兩個極限位置C1D和C2D時，曲柄1與連桿2共線，搖桿3通過連桿2施加在曲柄1上的力正好通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心A，該力對A點不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。機構(gòu)的這種位置稱為死點。由此可見，機構(gòu)有無死點決定于從動件與連桿能否共線。,,圖11.22 零件夾緊機構(gòu) 1—夾頭 2—零件 3—手柄,● 11.4.2 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,1．急回特性,圖11.23(a)所示的對心曲柄滑塊機構(gòu)，由于極位夾角 ，即 ，滑塊3的工作行程和返回行程平均速度相等，所以機構(gòu)無急回特性。而圖11.23(b)所示的偏置曲柄滑塊機構(gòu)，因其極位夾角 時，K＞1，所以機構(gòu)有急回特性。,,,,(a) 對心曲柄滑塊機構(gòu) (b) 偏置曲柄滑塊機構(gòu) 圖11.23 曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性,,● 11.4.2 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,2．死點位置,在圖11.23所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，如以滑塊3為主動件，當(dāng)滑塊3移動到兩個極限位置時，連桿2與從動曲柄1處于共線位置，即機構(gòu)處于死點位置。為使機構(gòu)通過死點位置，也可采用圖11.24所示機構(gòu)死點位置錯位排列的方法。這種方法常用在多缸發(fā)動機中。,,,圖11.24 死點位置錯開的曲柄滑塊機構(gòu),● 11.4.2 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性,3．傳動角,在曲柄滑塊機構(gòu)中，當(dāng)曲柄為主動件而滑塊為從動件時，最小傳動角 出現(xiàn)在曲柄垂直于滑塊導(dǎo)路的瞬時位置：對心曲柄滑塊機構(gòu)[如圖11.25(a)所示]，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到AB1和AB2位置時，兩次出現(xiàn)最小傳動角 ；而偏置曲柄滑塊機構(gòu)[如圖11.25(b)所示]，只有當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到AB1位置時，機構(gòu)才出現(xiàn)最小傳動角。,,圖11.25 曲柄滑塊機構(gòu)的最小傳動角,,● 11.4.3 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的運動特性,1．急回特性 在圖11.26所示的曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中，當(dāng)曲柄BC轉(zhuǎn)動一周，兩次與導(dǎo)桿AC垂直時，導(dǎo)桿擺到兩個極限位置時的 ，K＞1，所以機構(gòu)具有急回特性。,,2．傳動角 在圖11.26中，因為滑塊3對從動導(dǎo)桿4的作用力方向恒與桿4垂直，即傳動角 始終等于90，所以導(dǎo)桿機構(gòu)的傳力性能最好。,,,圖11.26 曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的急回特性,● 11. 5 平面四桿機構(gòu)的圖解法設(shè)計,● 11.5.1 按給定的連桿長度和位置設(shè)計平面四桿機構(gòu),1．按照給定連桿的三個位置設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu),如圖11.27所示，當(dāng)給定連桿BC的長度lBC及其三個位置B1C1、B2C2和B3C3時，設(shè)計此機構(gòu)的實質(zhì)是確定兩個固定鉸鏈中心A和D的位置。觀察機構(gòu)的運動可知，連桿上B、C兩點的運動軌跡分別是以A、D為圓心的圓弧B1B2B3和C1C2C3，所以鉸鏈中心A必然位于B1B2和B2B3的垂直平分線b12和b23的交點上，鉸鏈中心D必然位于C1C2和C2C3的垂直平分線c12和c23的交點上。因此,這種機構(gòu)的設(shè)計步驟為： (1) 選取適當(dāng)?shù)谋壤?，取 ，繪出給定連桿的三個位置B1C1、B2C2和B3C3。 (2) 分別作B1B2和B2B3的垂直平分線b12和b23，其交點即鉸鏈A的中心位置。 (3) 用同樣的方法確定鉸鏈D的中心位置。 (4) 聯(lián)結(jié)AB1C1D,得到所求鉸鏈四桿機構(gòu)在第一個位置時的機構(gòu)運動簡圖。該機構(gòu)各桿的長度分別為： ， ， 。,,,,,,,,● 11.5.1 按給定的連桿長度和位置設(shè)計平面四桿機構(gòu),2．按照給定連桿的兩個位置設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu),給定連桿的長度lBC及其兩個位置B1C1、B2C2，其設(shè)計過程與上述基本相同。但由于過B1、B2兩點的圓有無窮多，故鉸鏈A的中心位置可以在B1B2的垂直平分線b12上任意選取，鉸鏈D的中心位置也是如此。因此，設(shè)計結(jié)果有無窮多個。設(shè)計時通常還要考慮一些附加條件，如滿足最小傳動角的要求，或給定機架的長度和方位等。,,圖11.27 按照給定連桿的三個位置設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu),● 11.5.2 按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計平面四桿機構(gòu),1．曲柄搖桿機構(gòu),已知條件：行程速度變化系數(shù)K、搖桿的長度lCD及其擺角 。 設(shè)計分析：設(shè)計的實質(zhì)是確定固定鉸鏈中心A的位置(如圖11.20所示)，以便定出其他三桿的長度lAB、lBC和lAD。搖桿在兩極限位置時，A點與C1、C2點連線之間的夾角即為極位夾角 。因此，如圖11.28所示，只要過C1、C2兩點作一個圓，使圓弧C1C2所對的圓周角為 ，那么在優(yōu)弧C1PC2 上任取一點作為固定鉸鏈中心A，都能滿足設(shè)計要求。,,,,,2．偏置曲柄滑塊機構(gòu),● 11.5.2 按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計平面四桿機構(gòu),已知條件：行程速度變化系數(shù)K、偏距e和滑塊的行程H。 設(shè)計分析：把偏置曲柄滑塊機構(gòu)的行程H視為曲柄搖桿機構(gòu)無限長時C點擺過的弦長,應(yīng)用上述方法可求得滿足要求的偏置曲柄滑塊機構(gòu)。,,圖11.29 按照行程速度變化系數(shù)設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu),本章習(xí)題,1. 根據(jù)圖11.30中的尺寸(mm)，判斷下列各機構(gòu)分別屬于鉸鏈四桿機構(gòu)的哪種基本類型。,,圖11.30 習(xí)題1圖,2. 在偏置曲柄滑塊機構(gòu)中，已知極位夾角 。問該機構(gòu)的返回行程平均速度 是工作行程平均速度 的幾倍?,,,3. 在圖11.31所示腳踏砂輪的曲柄搖桿機構(gòu)中，已知踏板CD需在水平位置上下各擺10。且 ， 。試用圖解法求曲柄和連桿的長度 和 。,,,,,,4. 試設(shè)計一個用于夾緊的鉸鏈四桿機構(gòu)。已知連桿長度 ，它的兩個位置如圖11.32所示，要求到達夾緊位置 時，機構(gòu)處于死點位置，且搖桿 位于 的垂直方向。,,,,,圖11.31 習(xí)題3 圖,圖11.32 習(xí)題4圖,5. 一曲柄搖桿機構(gòu)，已知曲柄、連桿、搖桿和機架的長度分別為 ， ， ， 。試用圖解法求其行程速度變化系數(shù)和最小傳動角。,,,,,6. 試設(shè)計一曲柄搖桿機構(gòu)。已知行程速度變化系數(shù)K=1.2，搖桿的長度 ，擺角 ，要求固定鉸鏈中心A和D在同一水平線上。,,,7. 設(shè)計圖11.33所示的鉸鏈四桿機構(gòu)。已知搖桿長度 ，機架長度 ,行程速度變化系數(shù)K=1.5，搖桿的一個極限位置與機架夾角 。,,圖11.33 習(xí)題7圖,8. 試設(shè)計圖11.34所示曲柄滑塊機構(gòu)。已知行程速度變化系數(shù)K=1.5，滑塊行程H=50mm，偏距e=20mm。,,圖11.34 習(xí)題8圖,