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湖南科技大学用,第1章 绪 论,11 本课程研究的对象和内容,12 本课程在教学中的地位,13 机械设计的基本要求和一般过程,湖南科技大学用,顾名思义，本课程研究对象为：机械,机械,机器,斜面,任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。,机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物 的组合体。,机构,（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。,杠杆,起重轱辘,滑轮组,手动(电动)葫芦,现代起重机,起重机的发展历程：,11 本课程研究的对象和内容,湖南科技大学用,机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组 合体。,机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、 齿轮机构等。,如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,湖南科技大学用,典型机器的分析：,1.内燃机,内燃机,组成：,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,工作原理：,1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸；,2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点 火燃烧；,3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；,4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。,湖南科技大学用,设计：潘存云,进气,压缩,爆炸,排气,内燃机的工作过程：,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：,内燃机各部分的作用：,曲柄滑块机构,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：,齿轮机构,各部分协调动作的结果：,湖南科技大学用,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换,机器的分类：,原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）,工作机完成有用功（如机床等）,湖南科技大学用,工作机的组成：,原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动 机和内燃机。,工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。,原动机,传动,工作,控制,湖南科技大学用,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),分析自动洗衣机的组成：,湖南科技大学用,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,用来传递力或实现运动的转换。,机构的分类：通用机构和专用机构。,通用机构用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。,机器与机构的关系：,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。,由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同） ，故统称为机械。,湖南科技大学用,课程性质： 技术基础课,作用： 承前启后,本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。,同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础，,通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。,12 本课程在教学中的地位,湖南科技大学用,机械设计规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。,基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,机械设计的内容：,1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；,2. 拟定设计方案；,3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；,4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。,13 机械设计的基本要求和一般过程,湖南科技大学用,3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手 组装各种机构。,课程安排：共48学时，其中讲授42学时，实验6学时。,要求： 1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业 量未达到规定者不能参加考试。,2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课 外时间。,第2章 平面机构的运动简图及自由度计算,21 运动副及其分类,22 平面机构运动简图,23 平面机构的自由度,名词术语解释:1.构件 独立的运动单元,21 运动副及其分类,内燃机连杆,零件 独立的制造单元,2.运动副,a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动,运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。,三个条件，缺一不可,运动副的分类：1)按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动,平面机构全部由平面运动副组成的机构。,例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间运动副空间运动,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,2)按运动副元素分有： 高副点、线接触，应力高。,低副面接触，应力低,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,例如：转动副（回转副）、移动副 。,3. 运动链,运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。闭式链、开式链,4. 机构,定义：具有确定运动的运动链称为机构 。,机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,机构的组成：机构机架原动件从动件,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。从动件其余可动构件。,22 平面机构运动简图,机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对 运动关系的简单图形。,作用： 1.表示机构的结构和运动情况。,机构示意图不按比例绘制的简图现摘录了部分GB446084机构示意图如下表。,2.作为运动分析和动力分析的依据。,常见运动副符号的表示: 国标GB446084,常用运动副的符号,运动副名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,构件的表示方法:,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,常用机构运动简图符号,机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同,2.运动副的性质、数目与实际相符,3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。,绘制机构运动简图,顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。,步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；,4.检验机构是否满足运动确定的条件。,2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。,3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸 m / 图上长度mm,思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。,举例：绘制破碎机的机构运动简图。,绘制图示鳄式破碎机的运动简图。,23 平面机构的自由度,给定S3S3(t)，一个独立参数11（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。,若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4 ，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数 。,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。,原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为：,自由度原动件数,一、 平面机构自由度的计算公式,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。,(x , y),运动副 自由度数 约束数回转副 1（） + 2（x，y） = 3,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,结论：构件自由度3约束数,移动副 1（x） + 2（y，）= 3,高 副 2（x,） + 1（y） = 3,经运动副相联后，构件自由度会有变化：,自由构件的自由度数约束数,活动构件数 n,计算公式： F=3n(2PL +Ph ),要求：记住上述公式，并能熟练应用。,构件总自由度,低副约束数,高副约束数,3n,2 PL,1 Ph,计算曲柄滑块机构的自由度。,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副数PH=,0,推广到一般：,计算五杆铰链机构的自由度,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH =34 25 =2,高副数PH=,0,计算图示凸轮机构的自由度。,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副数PH=,1,二、计算平面机构自由度的注意事项,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对！,1.复合铰链两个以上的构件在同一处以转动 副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,两个低副,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,圆盘锯机构,计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,对于右边的机构，有： F=32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,2.局部自由度,F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1,本例中局部自由度 FP=1,或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1,定义：构件局部运动所产生的自由度。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH =34 26 =0,PH=0,3.虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。, FEAB CD ，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。,重新计算：n=3, PL=4, PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,虚约束,出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，,2.两构件构成多个移动副，且导路平行。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。,4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。,3.两构件构成多个转动副，且同轴。,5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,虚约束的作用：（1）改善构件的受力情况，如多个行星轮。,（2）增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。,（3）使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。,注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 !,计算图示大筛机构的自由度。,位置C ，2个低副,复合铰链:,局部自由度,1个,虚约束,E,n=,7,PL =,9,PH =,1,F=3n 2PL PH =37 29 1 =2,本章重点： 1、机构运动简图的测绘方法。 2、自由度的计算。,第3章 平面连杆机构,31 平面连杆机构的特点及应用32 平面四杆机构的基本类型和特性,33 铰链四杆机构的演化,34 平面四杆机构的设计,应用实例：,内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,特点： 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。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,31 平面连杆机构的特点及应用,缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,产生动载荷（惯性力），不适合高速。,设计复杂，难以实现精确的轨迹。,32 平面四杆机构的基本类型和特性概述:,连杆机构分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍四杆机构。,平面四杆机构的基本型式:,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释：曲柄整周定轴回转的构件；,三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线。,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,设计：潘存云,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行， 连杆作平动,摄影平台,天平,播种机料斗机构,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,车门开闭机构,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,、风扇摇头机构,设计：潘存云,1.急回运动,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：,曲柄摇杆机构 3D,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。,180,设计：潘存云,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 ,那么有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,称K为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0 ， 就有 K1,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,设计：潘存云,当BCD90时， BCD,2.压力角和传动角,压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求: min50,min出现的位置：,当BCD90时，,180- BCD,切向分力: F= Fcos,法向分力: F”= Fcos, F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,设计：潘存云,由余弦定律有 B1C1Darccosl42 + l32-(l4 - l1)2/2l2 l3,B2C2Darccosl42 + l32-(l4 - l1)2/2l2 l3,若B1C1D90,则,若B2C2D90, 则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D, 180-B2C2Dmin,设计：潘存云,设计：潘存云,3.机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,设计：潘存云,设计：潘存云,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,设计：潘存云,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4 l1)+ l3,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,l1+ l4 l2 + l3,l3(l4 l1)+ l2,AB为最短杆,4. 转动副为整转副的条件, l1+ l2 l3 + l4,l4- l1,将以上三式两两相加得： l1 l2, l1 l3, l1 l4, l1+ l3 l2 + l4,设计：潘存云,2) 连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。,曲柄存在的条件：,1) 最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为整转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。,称为杆长条件。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,(1) 改变构件的形状和运动尺寸,33 铰链四杆机构的演化,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=l sin ,设计：潘存云,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构,椭圆仪机构,正弦机构,34 平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择 机构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长 度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,设计：潘存云,设计：潘存云,飞机起落架,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,设计：潘存云,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,设计：潘存云,设计：潘存云,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法,设计：潘存云,一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1) 曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K， 设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形 腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1 ，连杆为l2 ，则:,以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得： l1 =EC1/ 2 l2 = A C1EC1/ 2,A C2=l2- l1, l1 =( A C1A C2)/ 2,C2C1P=90,交于P;,A C1= l1+l2,设计：潘存云,设计：潘存云,2) 导杆机构,分析： 由于与导杆摆角相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄 a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d, 则: a=dsin(/2)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,设计：潘存云,3) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。,计算: 180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射线C1O 使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，A C1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2 O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1 =EC2/ 2,l2 = A C2EC2/ 2,设计：潘存云,二、按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,设计：潘存云,三、给定两连架杆对应位置设计四杆机构,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1 、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1 coc + l2 cos = l3 cos + l4,l1 sin + l2 sin = l3 sin ,if (i ) i =1, 2, 3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令： l1 =1,代入移项得： l2 cos = l4 l3 cos cos ,则化简为：cocP0 cos P1 cos( ) P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2 sin = l3 sin sin ,coc1P0 cos1 P1 cos(1 1 ) P2,coc2P0 cos2 P1 cos(2 2 ) P2,coc3P0 cos3 P1 cos(3 3 ) P2,可求系数:P0 、P1、P2,以及: l2 、 l3、 l4,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90 =P0cos80 +P1cos(80-90) +P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度: P0 =1.533, P1=-1.0628, P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45 =P0cos50 +P1cos(50-45) +P2,l1=1,l4 =- l3 / P1 =1.442,l2 =(l42+ l32+1-2l3P2 )1/2 =1.783,l3 = P0 = 1.553,设计：潘存云,实验法设计四杆机构,(1)首先在一张纸上取固定轴A的位置，作原动件角位移i,(2)任意取原动件长度AB,(3)任意取连杆长度BC，作一系列圆弧;,(4)在一张透明纸上取固定轴D，作角位移i,(5) 取一系列从动件长度作同心圆弧。,(6) 两图叠加，移动透明 纸，使ki落在同一圆 弧上。,设计：潘存云,设计：潘存云,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,设计：潘存云,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B, C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹为一条 封闭曲线。,设计目标: 就是要确定一组杆长参数, 使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,连杆曲线,设计：潘存云,设计：潘存云,本章重点：,1.四杆机构的基本形式、演化及应用；,2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.掌握按连杆二组位置、三组位置、连架杆三组对应位置、行程速比系数设计四杆机构的原理与方法。,第3章 平面连杆机构,31 平面连杆机构的特点及应用32 平面四杆机构的基本类型和特性,33 铰链四杆机构的演化,34 平面四杆机构的设计,应用实例：,内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,特点： 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。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,31 平面连杆机构的特点及应用,缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,产生动载荷（惯性力），不适合高速。,设计复杂，难以实现精确的轨迹。,32 平面四杆机构的基本类型和特性概述:,连杆机构分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍四杆机构。,平面四杆机构的基本型式:,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释：曲柄整周定轴回转的构件；,三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线。,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,设计：潘存云,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行， 连杆作平动,摄影平台,天平,播种机料斗机构,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,车门开闭机构,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,、风扇摇头机构,设计：潘存云,1.急回运动,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：,曲柄摇杆机构 3D,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。,180,设计：潘存云,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 ,那么有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,称K为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0 ， 就有 K1,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,设计：潘存云,当BCD90时， BCD,2.压力角和传动角,压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求: min50,min出现的位置：,当BCD90时，,180- BCD,切向分力: F= Fcos,法向分力: F”= Fcos, F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,设计：潘存云,由余弦定律有 B1C1Darccosl42 + l32-(l4 - l1)2/2l2 l3,B2C2Darccosl42 + l32-(l4 - l1)2/2l2 l3,若B1C1D90,则,若B2C2D90, 则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D, 180-B2C2Dmin,设计：潘存云,设计：潘存云,3.机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,设计：潘存云,设计：潘存云,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,设计：潘存云,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4 l1)+ l3,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,l1+ l4 l2 + l3,l3(l4 l1)+ l2,AB为最短杆,4. 转动副为整转副的条件, l1+ l2 l3 + l4,l4- l1,将以上三式两两相加得： l1 l2, l1 l3, l1 l4, l1+ l3 l2 + l4,设计：潘存云,2) 连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。,曲柄存在的条件：,1) 最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为整转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。,称为杆长条件。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,(1) 改变构件的形状和运动尺寸,33 铰链四杆机构的演化,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=l sin ,设计：潘存云,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,(3)选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构,椭圆仪机构,正弦机构,34 平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择 机构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长 度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,设计：潘存云,设计：潘存云,飞机起落架,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,设计：潘存云,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,设计：潘存云,设计：潘存云,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法,设计：潘存云,一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1) 曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K， 设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形 腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1 ，连杆为l2 ，则:,以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得： l1 =EC1/ 2 l2 = A C1EC1/ 2,A C2=l2- l1, l1 =( A C1A C2)/ 2,C2C1P=90,交于P;,A C1= l1+l2,设计：潘存云,设计：潘存云,2) 导杆机构,分析： 由于与导杆摆角相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄 a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d, 则: a=dsin(/2)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,设计：潘存云,3) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。,计算: 180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射线C1O 使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，A C1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2 O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1 =EC2/ 2,l2 = A C2EC2/ 2,设计：潘存云,二、按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,设计：潘存云,三、给定两连架杆对应位置设计四杆机构,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1 、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1 coc + l2 cos = l3 cos + l4,l1 sin + l2 sin = l3 sin ,if (i ) i =1, 2, 3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令： l1 =1,代入移项得： l2 cos = l4 l3 cos cos ,则化简为：cocP0 cos P1 cos( ) P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2 sin = l3 sin sin ,coc1P0 cos1 P1 cos(1 1 ) P2,coc2P0 cos2 P1 cos(2 2 ) P2,coc3P0 cos3 P1 cos(3 3 ) P2,可求系数:P0 、P1、P2,以及: l2 、 l3、 l4,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90 =P0cos80 +P1cos(80-90) +P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度: P0 =1.533, P1=-1.0628, P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45 =P0cos50 +P1cos(50-45) +P2,l1=1,l4 =- l3 / P1 =1.442,l2 =(l42+ l32+1-2l3P2 )1/2 =1.783,l3 = P0 = 1.553,设计：潘存云,实验法设计四杆机构,(1)首先在一张纸上取固定轴A的位置，作原动件角位移i,(2)任意取原动件长度AB,(3)任意取连杆长度BC，作一系列圆弧;,(4)在一张透明纸上取固定轴D，作角位移i,(5) 取一系列从动件长度作同心圆弧。,(6) 两图叠加，移动透明 纸，使ki落在同一圆 弧上。,设计：潘存云,设计：潘存云,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,设计：潘存云,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B, C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹为一条 封闭曲线。,设计目标: 就是要确定一组杆长参数, 使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,连杆曲线,设计：潘存云,设计：潘存云,本章重点：,1.四杆机构的基本形式、演化及应用；,2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.掌握按连杆二组位置、三组位置、连架杆三组对应位置、行程速比系数设计四杆机构的原理与方法。,第4章 凸轮机构,41 凸轮机构的应用、类型和特点,42 从动件的常用运动规律,43 凸轮机构基本尺寸的确定,44 图解法设计凸轮的轮廓,45 解析法设计凸轮的轮廓46 凸轮的制造,41 凸轮机构的应用、类型和特点,结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。,作用：将连续回转 从动件直线移动或摆动。,优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。,缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。,应用：内燃机 、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。,分类：1)按凸轮形状分：盘形、 移动、 圆柱凸轮 ( 端面 ) 。,2)按推杆形状分：尖顶、 滚子、 平底从动件。,特点：尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；,滚子磨损小，应用广；,平底受力好、润滑好，用于高速传动。,实例,3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、 摆动,4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）,内燃机气门机构,机床进给机构,几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮),r1+r2 =const,等宽凸轮,优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。,缺点：线接触，容易磨损。,作者：潘存云教授,主回凸轮,设计：潘存云,