機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章平面連桿機(jī)構(gòu)比賽.ppt

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機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),武漢理工大學(xué)物流工程系工業(yè)工程研究所羅齊漢qhluo@2004年3月,FoundationofMachineDesign,第2章平面連桿機(jī)構(gòu),鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),3,2020年4月28日星期二,平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),平面連桿機(jī)構(gòu)是構(gòu)件全部由平面低副連接而構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)1.低副是面接觸，因此壓強(qiáng)小、耐磨損。適用于載荷較大的場(chǎng)合。2.低副的接觸面通常是容易加工的平面或圓柱面，容易獲得較高的制造精度。3.連桿可做得很長(zhǎng)，可較長(zhǎng)距離傳遞運(yùn)動(dòng)。適合于操縱機(jī)構(gòu)。4.低副的約束為幾何約束(靠形狀限制運(yùn)動(dòng))，無(wú)需附加約束裝置。,4,2020年4月28日星期二,平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),缺點(diǎn)1.低副存在間隙，會(huì)引起運(yùn)動(dòng)誤差積累。不宜用于高精度。2.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.有相當(dāng)部分構(gòu)件處于變速運(yùn)動(dòng)中，存在慣性力。不適合高速。由自由度計(jì)算公式可知，最簡(jiǎn)單的單自由度平面連桿機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)。四桿機(jī)構(gòu)工程上應(yīng)用最多，它也是構(gòu)成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，本章著重討論四桿機(jī)構(gòu)。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),5,2020年4月28日星期二,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),全部運(yùn)動(dòng)副都是回轉(zhuǎn)副的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖所示，固定桿4稱為機(jī)架，與機(jī)架相連的桿1、3稱為連架桿，不與機(jī)架直接連接的桿2稱為連桿，作整周回轉(zhuǎn)的連架桿1稱為曲柄，作往復(fù)擺動(dòng)的連架桿3稱為搖桿。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),6,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件,圖示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)討論存在曲柄的條件。圖中給出了搖桿處于兩極限位置時(shí)的情況。根據(jù)三角形任意兩邊邊長(zhǎng)之和必大于等于第三邊邊長(zhǎng)的定理:,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),7,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件,上述關(guān)系說(shuō)明,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件：①最短、最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和≤另外兩桿的長(zhǎng)度之和；②連架桿或機(jī)架是最短桿。其中條件①又稱為格拉肖夫(Grashof)判別式,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),8,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型判別,1、如果滿足格拉肖夫判別式①以最短桿相鄰的桿作機(jī)架，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；②以最短桿作機(jī)架，得到雙曲柄機(jī)構(gòu)；③以最短桿相對(duì)的桿作機(jī)架，得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。2、如果不滿足格拉肖夫判別式，則無(wú)論以哪個(gè)桿作機(jī)架，都只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。,不滿足：雙搖桿機(jī)構(gòu)格拉肖夫判別式最短桿為連架桿：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)滿足：最短桿為機(jī)架：雙曲柄機(jī)構(gòu)最短桿為連桿：雙搖桿機(jī)構(gòu),,,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),9,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型和特性,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)兩個(gè)連架桿中，一個(gè)是曲柄，一個(gè)是搖桿。通常曲柄主動(dòng)，搖桿從動(dòng)，但也有搖桿主動(dòng)的情況。應(yīng)用例：縫紉機(jī)腳踏機(jī)構(gòu)、復(fù)擺式腭式破碎機(jī)、鋼坯輸送機(jī)等。,10,2020年4月28日星期二,雷達(dá)調(diào)整機(jī)構(gòu)和縫紉機(jī)腳踏機(jī)構(gòu),,,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),11,2020年4月28日星期二,復(fù)擺式腭式破碎機(jī),2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),12,2020年4月28日星期二,鋼材輸送機(jī),,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),13,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性,當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿作變速擺動(dòng)，而且往復(fù)擺動(dòng)的平均速度是不同的。若將平均速度小的行程作為工作行程(正行程)，將平均速度大的行程作為非工作行程(反行程)，那麼，我們把曲柄搖桿機(jī)構(gòu)這種正、反行程平均速度不等的特性稱為急回特性。急回特性很有用，牛頭刨床、往復(fù)式運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械就常常利用急回特性來(lái)縮短非生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),14,2020年4月28日星期二,行程速比系數(shù)Ｋ,急回特性常用行程速比系數(shù)Ｋ(搖桿反、正行程平均速度之比)來(lái)度量。如圖所示，曲柄順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿左右擺動(dòng)(順時(shí)針為正行程，逆時(shí)針為反行程)。我們把搖桿處于兩極限位置時(shí)連桿對(duì)應(yīng)位置所夾的銳角稱為極位夾角，用θ表示。根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),15,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn),搖桿為主動(dòng)件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時(shí)，機(jī)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)不確定的現(xiàn)象。這種機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)不確定的位置點(diǎn)稱為死點(diǎn)。死點(diǎn)通常有害，應(yīng)設(shè)法消除。消除方法有：①對(duì)從動(dòng)曲柄施加附加力矩。②利用構(gòu)件自身或飛輪的慣性。③多組相同機(jī)構(gòu)錯(cuò)開(kāi)一定角度布置?？p紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)就存在死點(diǎn)。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),16,2020年4月28日星期二,死點(diǎn)的應(yīng)用,如圖所示為利用死點(diǎn)夾緊工件，當(dāng)卸去夾緊驅(qū)動(dòng)力P后，由于BCD三點(diǎn)共線，工件對(duì)壓頭(桿1)的反作用力Ｎ不能使桿１轉(zhuǎn)動(dòng)，因而工件不會(huì)松。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),17,2020年4月28日星期二,飛機(jī)起落架是利用死點(diǎn)工作的又一個(gè)典型實(shí)例,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),18,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角,定義：作用力和力作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)線速度方向之間所夾的銳角稱為壓力角，常用α表示；壓力角的余角稱為傳動(dòng)角，常用γ表示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角隨曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)而變。傳動(dòng)角越大則機(jī)械效率越高，動(dòng)力傳動(dòng)中一般要求傳動(dòng)角最小值應(yīng)大于40。因此設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)有必要檢驗(yàn)γmin值。不難看出，對(duì)于曲柄主動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動(dòng)角就是連桿和搖桿所夾的最小銳角。,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),19,2020年4月28日星期二,雙曲柄機(jī)構(gòu),兩連架桿都作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。通常，主動(dòng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)曲柄變速轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)死點(diǎn)。,,2-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),20,2020年4月28日星期二,雙搖桿機(jī)構(gòu),兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,21,2020年4月28日星期二,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu),22,2020年4月28日星期二,二、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演變,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,23,2020年4月28日星期二,1.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，通常曲柄２整周轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊３在導(dǎo)桿４上滑動(dòng)并跟隨導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)。由圖容易知道，若l2≥l1，則得到轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；若l2＜l1，則得到擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)?？梢钥闯觯孩賹?dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角始終等于90，具有很好的傳力性能，因此常用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵中。②擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)也存在急回特性。,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,24,2020年4月28日星期二,2.搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu),搖塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于擺缸式內(nèi)燃機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)裝置中，自卸貨車(chē)就是很典型的應(yīng)用。定塊機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒和抽油泵中。,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,25,2020年4月28日星期二,3、雙滑塊機(jī)構(gòu),將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的其中兩桿桿長(zhǎng)增至無(wú)窮可演化為具有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)——雙滑塊機(jī)構(gòu)。按照兩個(gè)移動(dòng)副所處的位置不同，雙滑塊機(jī)構(gòu)可分為四種形式：(1)兩移動(dòng)副不相鄰。例如圖a)所示的正切機(jī)構(gòu)(其從動(dòng)件3的位移與主動(dòng)件1轉(zhuǎn)角的正切成正比)。(2)兩移動(dòng)件相鄰且其中一個(gè)與機(jī)架相連。例如圖b的正弦機(jī)構(gòu)(從動(dòng)件3的位移與曲柄1轉(zhuǎn)角的正弦成正比)。(3)兩移動(dòng)件相鄰但都不與機(jī)架相連。下面所示的十字滑塊機(jī)構(gòu)就是這種機(jī)構(gòu)。十字滑塊機(jī)構(gòu)常用作聯(lián)軸器，它可以自動(dòng)補(bǔ)償主、從動(dòng)軸由于對(duì)中不良而產(chǎn)生的位置誤差。(4)兩移動(dòng)副相鄰且都與機(jī)架相連。下面所示的橢圓儀就是這種機(jī)構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)滑塊在機(jī)架的滑槽中移動(dòng)時(shí)，連桿上的各點(diǎn)的軌跡是長(zhǎng)短半徑不同的橢圓。,2-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變,26,2020年4月28日星期二,三、偏心輪機(jī)構(gòu),下圖所示為兩種偏心輪機(jī)構(gòu)。構(gòu)件１為圓盤(pán)，其幾何中心Ｂ。因運(yùn)動(dòng)時(shí)該圓盤(pán)繞軸Ａ轉(zhuǎn)動(dòng)，故稱為偏心輪。Ａ、Ｂ之間的距離e稱為偏心距。按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可畫(huà)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖中紅線所示。由圖可知，偏心輪是將回轉(zhuǎn)副Ｂ擴(kuò)大到包括回轉(zhuǎn)副Ａ而形成的，偏心距e即為曲柄的長(zhǎng)度。當(dāng)曲柄長(zhǎng)度很小或傳遞很大的動(dòng)力時(shí)，通常都把曲柄做成偏心輪。這樣一方面提高了偏心軸的強(qiáng)度和剛度(因軸頸的直徑增大了)；另一方面當(dāng)軸頸位于中部時(shí)也便于安裝整體式連桿，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。因此，偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪床、沖床、顎式破碎機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中。,27,2020年4月28日星期二,2-3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)條件來(lái)確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的尺寸參數(shù)。有時(shí)為使設(shè)計(jì)更加合理、可靠，還應(yīng)考慮幾何條件和動(dòng)力學(xué)條件(如最小傳動(dòng)角要求)等。設(shè)計(jì)問(wèn)題分類(lèi)1、按照給定從動(dòng)件的位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，稱為位置設(shè)計(jì)。2、按照給定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，稱為軌跡設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法圖解法——簡(jiǎn)便直觀，同時(shí)也是解析法的基礎(chǔ)，應(yīng)用較多。但由于其設(shè)計(jì)精度低，一般用于求解初始值。解析法——精度高，應(yīng)用最為廣泛，其缺點(diǎn)是不太直觀。實(shí)驗(yàn)法——較為煩瑣，而且精度也低，是不得已時(shí)才使用的方法。,28,2020年4月28日星期二,一、按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),下圖為鑄造車(chē)間振實(shí)造型機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。它利用一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)翻臺(tái)的兩個(gè)工作位置。,29,2020年4月28日星期二,二、按給定行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),①曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)已知條件：搖桿長(zhǎng)度l3，擺角ψ和行程速比系數(shù)K。設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定鉸鏈A的位置，從而確定其余三桿長(zhǎng)l1、l2和l4。,30,2020年4月28日星期二,二、按給定行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),②擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)已知條件：機(jī)架長(zhǎng)度l4、行程速比系數(shù)Ｋ。由右圖知，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的極位夾角θ等于導(dǎo)桿的擺角ψ，需要確定的尺寸是曲柄長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)步驟如下：1）根據(jù)行程速比系數(shù)Ｋ求極位夾角。2）任選固定鉸鏈中心C，以?shī)A角作出導(dǎo)桿兩極限位置cm、cn。3）作擺角ψ的角平分線，并在線上取AC=l4，得鉸鏈A的位置。4）過(guò)A點(diǎn)作導(dǎo)桿極限位置的垂線AB1(或AB2)，得l1=AB1。,31,2020年4月28日星期二,三、給定連架桿的三對(duì)對(duì)應(yīng)位置,在給定主、從動(dòng)連架桿三對(duì)對(duì)應(yīng)位置條件下設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，可用圖解的反轉(zhuǎn)機(jī)架法。設(shè)計(jì)一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，使其能實(shí)現(xiàn)左下圖所示的連架桿AB、CD的三對(duì)對(duì)應(yīng)位置。,32,2020年4月28日星期二,小結(jié),