原理連桿機構設計

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1、會計學1原理原理 連桿機構設計連桿機構設計應用實例：應用實例：特征：特征：有一作平面運動的構件，稱為連桿。有一作平面運動的構件，稱為連桿。特點：特點：采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損 形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。連桿曲線豐富?？蓾M足不同要求。連桿曲線豐富?？蓾M足不同要求。定義：定義：由低副（轉動、移動）連接組成的平面機構。由低副（轉動、移動）連接組成的平面機構。70 概述概述內內燃燃機機、鶴鶴式式吊吊、火火車

2、車輪輪、手手動動沖沖床床、牛牛頭頭刨刨床床、橢橢圓圓儀儀、機機械械手手爪爪、開開窗窗戶戶支支撐撐、公公共共汽汽車車開開關關門門、折折疊疊傘傘、折疊床、折疊床、牙膏筒拔管機、單車制動操作機構等。牙膏筒拔管機、單車制動操作機構等。第1頁/共38頁缺點：缺點：構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低。產生動載荷（慣性力），不適合高速。產生動載荷（慣性力），不適合高速。設計復雜，難以實現精確的軌跡。設計復雜，難以實現精確的軌跡。分類分類:本章重點內容是介紹本章重點內容是介紹四桿機構。四桿機構。平面連桿機構平面連桿機構空間連桿機構空間連桿機構常以構件數

3、命名：常以構件數命名：四桿機構四桿機構、多桿機構多桿機構。第2頁/共38頁曲柄曲柄作整周回轉的構件；作整周回轉的構件；（1 1）曲柄搖桿機構）曲柄搖桿機構連桿連桿作平面運動的構件；作平面運動的構件；連架桿連架桿(與機架相聯與機架相聯的構件的構件)搖桿搖桿作擺動的構件；作擺動的構件；曲柄曲柄連桿連桿搖桿搖桿71 平面四桿機構的類型和應用平面四桿機構的類型和應用一、平面四桿機構的基本型式一、平面四桿機構的基本型式鉸鏈四桿機構的基本型式鉸鏈四桿機構的基本型式(類型類型)機架機架（2 2）雙曲柄機構）雙曲柄機構（3 3）雙搖桿機構）雙搖桿機構1 1、曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構作用：作用：將曲柄的整周回轉

4、轉變?yōu)閾u桿的往復擺動。將曲柄的整周回轉轉變?yōu)閾u桿的往復擺動。如雷達天線。如雷達天線。機架機架固定件固定件鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構組成:第3頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABC1243DABDC12432 2、雙曲柄機構雙曲柄機構特征特征：兩個曲柄：兩個曲柄作用：作用：將等速回轉轉變?yōu)閷⒌人倩剞D轉變?yōu)榈人俚人倩蚧蜃兯僮兯倩剞D?；剞D。雷達天線俯仰機構雷達天線俯仰機構曲柄主動曲柄主動縫紉機踏板機構縫紉機踏板機構應用實例：應用實例：如如葉片泵、慣性篩葉片泵、慣性篩等。等。2143搖桿主動搖桿主動3124第4頁/共38頁作者：潘存云教授A AD DC CB B1 12 23 34 4旋轉式

5、葉片泵旋轉式葉片泵作者：潘存云教授A AD DC CB B1 12 23 3ABDC1234E6慣性篩機構慣性篩機構31第5頁/共38頁作者：潘存云教授ABCD耕耕地地料料斗斗DCAB作者：潘存云教授耕耕地地料料斗斗DCAB實例：實例：火車輪火車輪特例：特例：平行四邊形機構平行四邊形機構AB=CD特征：特征：兩連架桿等長且平行，兩連架桿等長且平行，連桿作平動連桿作平動BC=ADABDC攝影平臺攝影平臺作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授BC天平天平播種機料斗機構播種機料斗機構第6頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授反平行四邊形機構反平行四邊形機構-車門開閉機構車門開

6、閉機構反向反向FAEDGBCABEFDCG平平行行四四邊邊形形機機構構在在共共線線位位置置出出現現運運動不確定。動不確定。采用兩組機構錯開排列。采用兩組機構錯開排列?；疖囕喕疖囕喌?頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABDCE3 3、雙搖桿機構雙搖桿機構特征：特征：兩個搖桿兩個搖桿應用舉例：鑄造翻箱機構應用舉例：鑄造翻箱機構特例：特例：等腰梯形機構汽車轉向機構等腰梯形機構汽車轉向機構、風扇搖頭機構、風扇搖頭機構BCABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿電機電機ABDCEABDCE電機電機ABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿電機電機ABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿AB

7、DC第8頁/共38頁作者：潘存云教授1 1、改變構件的形狀和運動尺寸改變構件的形狀和運動尺寸偏心曲柄滑塊機構偏心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構雙滑塊機構雙滑塊機構 正弦機構正弦機構s=l sin l二、平面四桿機構的演化型式二、平面四桿機構的演化型式第9頁/共38頁作者：潘存云教授2 2、改變運動副的尺寸改變運動副的尺寸3 3、選不同的構件為機架選不同的構件為機架偏心輪機構偏心輪機構導桿機構導桿機構擺動導桿機構擺動導桿機構轉動導桿機構轉動導桿機構314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構314A2BC第10頁/共38頁牛頭刨床牛頭刨床應

8、用實例應用實例:作者：潘存云教授ABDC1243C2C1小型刨床小型刨床作者：潘存云教授ABDCE123456第11頁/共38頁作者：潘存云教授應用實例應用實例B234C1A自卸卡車舉升機構自卸卡車舉升機構3 3、選不同的構件為機架選不同的構件為機架ACB1234應用實例應用實例B34C1A2應用實例應用實例4A1B23C應用實例應用實例13C4AB2應用實例應用實例A1C234B導桿機構導桿機構314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構314A2BC搖塊機構搖塊機構314A2BC第12頁/共38頁作者：潘存云教授3 3、選不同的構件為機架選不同的構件為機架314A2BC直動滑桿機構直動滑桿機構手

9、搖唧筒手搖唧筒這種通過選擇不同構件作為機架以獲得不同機構的這種通過選擇不同構件作為機架以獲得不同機構的方法稱為：方法稱為：機構的倒置機構的倒置BC3214A導桿機構導桿機構314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構314A2BC搖塊機構搖塊機構314A2BCABC3214第13頁/共38頁作者：潘存云教授abdcCBADb(d a)+c則由則由BCD可得：可得：則由則由B”C”D可得：可得：a+d b+cc(d a)+b即即AB為為最短桿最短桿 a+b c+d72 平面四桿機構的工作特性平面四桿機構的工作特性一、一、整轉副的條件整轉副的條件C”abdcADd-a在在曲曲柄柄搖搖桿桿機機構構中中,連

10、連架架桿桿若若能能整整周周回回轉轉，必必有有兩兩次次與與機架共線機架共線 a+c b+d將以上三式兩兩相加得：將以上三式兩兩相加得：a b,ac,ad 同時,由1,2,3 式可以獲得:最短桿最短桿+任意桿任意桿其余兩桿之和其余兩桿之和第14頁/共38頁與最段相鄰的兩個轉動副為與最段相鄰的兩個轉動副為整轉副整轉副整轉副的條件整轉副的條件：最長桿與最短桿的長度之和最長桿與最短桿的長度之和其他兩桿長度之和其他兩桿長度之和 也稱為也稱為桿長和條件桿長和條件。整轉副的位置：整轉副的位置：鉸鏈四桿機構類型的判定：鉸鏈四桿機構類型的判定：當當滿滿足足桿桿長長條條件件時時，說說明明存存在在整整轉轉副副，當當選

11、選擇擇不不同同的的構件作為機架時，可得不同的機構。如：構件作為機架時，可得不同的機構。如：曲柄搖桿曲柄搖桿1 1、曲柄搖桿曲柄搖桿2 2、雙曲柄雙曲柄、雙搖桿機構雙搖桿機構。第15頁/共38頁作者：潘存云教授ABCD二、急回運動與行程速比系數二、急回運動與行程速比系數在在曲曲柄柄搖搖桿桿機機構構中中，當當曲曲柄柄與與連連桿桿兩兩次次共共線線時時，搖搖桿桿位于兩個極限位置，簡稱極位。位于兩個極限位置，簡稱極位。當曲柄以當曲柄以逆時針轉過逆時針轉過180+180+時，搖桿從時，搖桿從C1D位置位置擺到擺到C2D。所花時間為所花時間為t1,平均速度為平均速度為V1,那么有：那么有：B1C1AD曲柄搖

12、桿機構曲柄搖桿機構 3D180180C2B2此兩處曲柄之間的夾角此兩處曲柄之間的夾角 稱為稱為極位夾角極位夾角。第16頁/共38頁作者：潘存云教授B1C1ADC2當曲柄以當曲柄以繼續(xù)轉過繼續(xù)轉過180-180-時，搖桿從時，搖桿從C2D,置擺到置擺到C1D，所花時間為所花時間為t2,平均速度為平均速度為V2,那么有：那么有：180-180-因曲柄轉角不同，故搖桿來回擺動的時間不一樣，平均速度也不等。顯然：顯然：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 1搖桿的這種特性稱為搖桿的這種特性稱為急回運動急回運動。用以下比值表示急回程度稱稱K為為行程速比系數行程速比系數。且且越大，越大，K值越

13、大，急回性質越明顯。值越大，急回性質越明顯。只要只要 0，就有就有 KK1所以可通過分析機構中是否存在以及的大小來判斷機構是否有急回運動或運動的程度。設計新機械時，往往先給定設計新機械時，往往先給定K值，于是值，于是:第17頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授曲柄滑塊機構的急回特性曲柄滑塊機構的急回特性應用：應用：節(jié)省返程時間，如節(jié)省返程時間，如牛頭刨牛頭刨、往復式輸送機等。、往復式輸送機等。180180180-180-導桿機構導桿機構的急回特性的急回特性 180180180-180-思考題：思考題：對心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構的急回特性如何？的急回特性如何？對于需要有急回運動的機

14、構，常常是根據需要的行程速比系數K,先求出，然后在設計各構件的尺寸。第18頁/共38頁作者：潘存云教授FF F”當當BCD90BCD90時，時，BCDBCD三、三、壓力角和傳動角壓力角和傳動角壓力角壓力角：從動件驅動力從動件驅動力F與力作用點絕對速度之間所夾銳角。與力作用點絕對速度之間所夾銳角。設計時要求設計時要求:minmin5050minmin出現的位置：出現的位置：當當BCD90BCD90時，時，180-BCD180-BCD切向分力切向分力:F F=Fcos=Fcos法向分力法向分力:F F”=Fcos=Fcos F F對傳動有利對傳動有利。=Fsin=Fsin稱稱為為傳動角傳動角。此位

15、置一定是：此位置一定是：主動件與機架共線兩處之一。主動件與機架共線兩處之一。為了保證機構良好的傳力性能ABCDCDBAFF”F可用可用的大小來表示機構傳動力性能的好壞的大小來表示機構傳動力性能的好壞,當當BCDBCD最小或最大時，都有可能出現最小或最大時，都有可能出現minmin第19頁/共38頁作者：潘存云教授車門車門C1B1abcdDA由余弦定律有：由余弦定律有：B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc/2bc BB2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2

16、2/2bc/2bc若若B B1 1C C1 1D90D90,則則若若B B2 2C C2 2D90D90,則則1 1B B1 1C C1 1D D2 2180-B180-B2 2C C2 2D D機機構構的的傳傳動動角角一一般般在在運運動動鏈最終一個從動件上度量。鏈最終一個從動件上度量。v1 1minminBB1 1C C1 1D,180-BD,180-B2 2C C2 2DDminminC2B22 2F F第20頁/共38頁作者：潘存云教授F四、四、機構的死點位置機構的死點位置搖桿為主動件，搖桿為主動件，且連桿且連桿與曲柄兩次共線與曲柄兩次共線時時，有：，有：此時此時機構不能運動機構不能運動

17、.避免措施：避免措施：兩組機構錯開排列，如兩組機構錯開排列，如火車輪機構火車輪機構;稱此位置為：稱此位置為：“死點死點”0 0靠靠飛輪的慣性飛輪的慣性（如內燃機、縫紉機等）。（如內燃機、縫紉機等）。FAEDGBCABEFDCG0 0F0 0第21頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授工件工件ABCD1234PABCD1234工件工件P鉆孔夾具鉆孔夾具=0=0TABDC飛機起落架飛機起落架ABCD=0=0F也可以利用死點進行工作也可以利用死點進行工作：飛機起落架、鉆夾具起落架、鉆夾具等。等。第22頁/共38頁73 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計 1.連桿機構設計的基本問題連桿機構設計

18、的基本問題2.用解析法設計四桿機構用解析法設計四桿機構3.用作圖法設計四桿機構用作圖法設計四桿機構4.用實驗法設計四桿機構用實驗法設計四桿機構第23頁/共38頁73 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計 一、一、連桿機構設計的基本問題連桿機構設計的基本問題 機構選型機構選型根據給定的運動要求選擇機根據給定的運動要求選擇機 構的類型；構的類型；尺度綜合尺度綜合確定各構件的尺度參數確定各構件的尺度參數(長度長度 尺寸尺寸)。同時要滿足其他輔助條件：同時要滿足其他輔助條件：a)結構條件（如要求有曲柄、桿長比恰當、結構條件（如要求有曲柄、桿長比恰當、運動副結構合理等）運動副結構合理等）;b)動力條件（

19、如動力條件（如minmin）;c)運動連續(xù)性條件等。運動連續(xù)性條件等。第24頁/共38頁給定的設計條件：給定的設計條件：1)幾何條件幾何條件（給定連架桿或連桿的位置）（給定連架桿或連桿的位置）2)運動條件運動條件（給定（給定K）3)動力條件動力條件（給定（給定minmin）設計方法：設計方法：圖解法、解析法、實驗法圖解法、解析法、實驗法二二、用用解解析析法法設設計計四四桿桿機機構構思思路路：首首先先建建立立包包含含機機構構的的各各尺尺度度參參數數和和運運動動變變量量在在內內的的解解析析關關系系式式，然然后后根根據據已已知知的的運運動動變變量量求求解解所所需需的機構尺度參數。的機構尺度參數。1)

20、按預定的運動規(guī)律設計四桿機構按預定的運動規(guī)律設計四桿機構第25頁/共38頁作者：潘存云教授xyABCD12341)按給定的運動規(guī)律設計四桿機構按給定的運動規(guī)律設計四桿機構給定連架桿對應位置：給定連架桿對應位置：構件構件3和和構件構件1滿足以下位置關系：滿足以下位置關系：abcd建立坐標系建立坐標系,設構件長度為：設構件長度為：a、b、c、d在在x,yx,y軸上投影可得：軸上投影可得：a+b=c+d機構尺寸比例放大時，不影響各構件相對轉角機構尺寸比例放大時，不影響各構件相對轉角.a coc1i i+bcos2i i=c cos3i i+d a sin1i i+b sin2i i=c sin3i

21、i 3i if(1i i)i=1,2,3n設計此四桿機構設計此四桿機構(求各構件長度求各構件長度)。1i i3i i2i i 令：令：a/a=1 b/a=l c/a=m d/a=n第26頁/共38頁P1P2令令:P0消去消去2i2i整理得：整理得：coscos(1i1i)m cos(3i)-(m/n)cos(3i-1i)+(m2+n2+1-l2)/(2n)代入移項得：代入移項得：lcos2 i=n+mcos(3i)cos(1i)lsin2 i=msin(3i)sin(1i)則上式簡化為：則上式簡化為：coccoc(1i 1i)P0cos(3i)P1 cos(3i-1i)+P2式式中中包包含含有

22、有p0，p1，p2三三個個待待定定參參數數,故故四四桿桿機機構構最最多多可按兩連架桿的三組對應未知精確求解?？砂磧蛇B架桿的三組對應未知精確求解。當當i3i3時，一般不能求得精確解，只能用最小二乘法近似求解。時，一般不能求得精確解，只能用最小二乘法近似求解。當當i3i=a=(A A C1A A C2)/2 A A C1=a+b第30頁/共38頁作者：潘存云教授E2 22ae(2)曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構H已已知知K K，滑滑塊塊行行程程H H，偏偏距距e e，設設計計此此機機構構 。計算計算:180(K-1)/(K+1);180(K-1)/(K+1);作作C1 C2 H H作射線作射線C1O O

23、 使使C2C1O=90,以以O O為圓心，為圓心，C1O O為半徑作圓。為半徑作圓。以以A A為圓心，為圓心，A A C1為半徑作弧交于為半徑作弧交于E,E,得：得：作射線作射線C2O O使使C1C2 O=90。作偏距線作偏距線e e，交圓弧于，交圓弧于A A，即為所求。，即為所求。C1C290-90-o90-90-Al1=EC2/2l2=A=A C2EC2/2第31頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授ADmn=D(3)導桿機構導桿機構分析：分析：由由于于與與導導桿桿擺擺角角相相等等，設設計計此此 機構時，僅需要確定曲柄機構時，僅需要確定曲柄 a。計算計算180(K-1)/(K+1);

24、180(K-1)/(K+1);任任選選D D作作mDnmDn，取取A A點，使得點，使得AD=d,AD=d,則則:a=dsin(a=dsin(/2)/2)=Ad作角分線作角分線;已知：已知：機架長度機架長度d，K，設計此機構。設計此機構。第32頁/共38頁作者：潘存云教授D四、實驗法設計四桿機構四、實驗法設計四桿機構當給定連架桿位置超過三對時，一般不可能有精確解。只能用優(yōu)化或試湊的方法獲得近似解。1)首首先先在在一一張張紙紙上上取取固固定定軸軸A的的位位置置，作原動件角位移作原動件角位移i i2)任意取原動件長度任意取原動件長度AB3)任意取連桿長度任意取連桿長度BC，作一系列圓弧，作一系列圓

25、弧;4)在透明紙上取固定軸在透明紙上取固定軸D，作角位移，作角位移iDk15)取一系列從動件取一系列從動件 長度作同心圓弧。長度作同心圓弧。6)兩圖疊加，移動透明兩圖疊加，移動透明 紙，使紙，使ki落在同一圓落在同一圓 弧上。弧上。iiAC1B11）按兩連架桿多組對應位置設計四桿機構）按兩連架桿多組對應位置設計四桿機構位置位置 i i 位置位置 i i 12 15 10.8 45 15 15.8 23 15 12.5 56 15 17.5 34 15 14.2 67 15 19.2 第33頁/共38頁作者：潘存云教授ABCDNEM連桿作平面運動連桿作平面運動,其上各點的軌跡均不相同其上各點的軌

26、跡均不相同。B,C點的軌跡為圓弧點的軌跡為圓弧;其其余余各各點點的的軌軌跡跡為為一一條條 封閉曲線封閉曲線。設設計計目目標標:就就是是要要確確定定一一組組桿桿長長參參數數,使使連連桿桿上上某某點點的的軌跡滿足設計要求軌跡滿足設計要求。2）按預定的運動軌跡設計四桿機構）按預定的運動軌跡設計四桿機構第34頁/共38頁作者：潘存云教授連桿曲線生成器ABCD第35頁/共38頁作者：潘存云教授連桿曲線圖譜連桿曲線圖譜第36頁/共38頁作者：潘存云教授作者：潘存云教授2）按預定的運動軌跡設計四桿機構）按預定的運動軌跡設計四桿機構ABCDE14325 輸輸送送機機構構攪拌機構攪拌機構CBADE6步進式步進式第37頁/共38頁