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08 第八章 平面连杆机构及其设计.pptx

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本课件介绍连杆机构的应用与传动特点,系统梳理平面四杆机构的基本型式与演化方法,重点讲解铰链四杆机构有曲柄的条件、急回运动与行程速比系数、传动角与死点及其工程应用,随后给出四杆机构按预定运动规律、连杆位置和轨迹要求的解析法、作图法与实验法设计,最后介绍多杆机构的功用与类型。

第八章平面连杆机构及其设计封面,列出本章五节从传动特点到多杆机构的内容
连杆机构定义与应用页,举四足步行机构、曲柄滑块与摆动导杆机构说明共同特点
连杆机构传动特点页,对比低副、运动变换丰富与误差大、惯性力难平衡等优缺点
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第1页:第八章平面连杆机构及其设计封面

本章目录:

  • §8-1 连杆机构及其传动特点
  • §8-2 平面四杆机构的类型和应用
  • §8-3 平面四杆机构的基本知识
  • §8-4 平面四杆机构的设计
  • §8-5 多杆机构

第2页:连杆机构及其应用

连杆机构常用其所含的杆数而命名,故此类机构统称为连杆机构。应用举例:契贝谢夫四足步行机构、曲柄滑块机构、摆动导杆机构等。

此类机构的共同特点:

  • 机构的原动件 1 和从动件 3 的运动都需要经过连杆 2 来传动
  • 机构中的运动副一般均为低副,故此类机构也称低副机构
  • 连杆机构中的构件多呈现杆的形状,故有四杆机构、六杆机构等,故常称构件为杆

第3页:连杆机构的传动特点

连杆机构的优点与缺点
评价主要内容
优点运动副一般为低副;构件多呈现杆的形状;可实现多种运动变换和运动规律;连杆曲线形状丰富,可满足各种轨迹要求
缺点运动链长,累积误差大,效率低;惯性力难以平衡,动载荷大,不宜用于高速运动;一般只能近似满足运动规律要求

第4页:四杆机构的类型与演化

基本型式
铰链四杆机构、等腰梯形机构。铰链四杆机构又可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、平行四边形机构、逆平行四边形机构。
演化形式
其他型式的四杆机构可以认为是由基本型式的四杆机构演化而来的,其演化方法有:改变构件的形状及运动尺寸;改变运动副的尺寸;选用不同的构件为机架(即机构的倒置);运动副元素的逆换。

第5页:四杆机构的倒置与应用

选用不同的构件为机架即机构的倒置,例如铰链四杆机构的倒置、曲柄滑块机构的倒置、双滑块机构的倒置。

四杆机构的应用包括:

  • 基本型式四杆机构的应用
  • 演化型式四杆机构的应用

第6页:铰链四杆机构有曲柄的条件

周转副的条件
①最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和,其中第一个条件称为杆长条件;②组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。
铰链四杆机构有曲柄的条件
①各杆长度应满足杆长条件;②最短杆为连架杆或机架。

若各杆长度不满足杆长条件,则机构无周转副。

第7页:四杆机构类型的判别

结论:如果铰链四杆机构各杆长度满足杆长条件,则:

  • 当最短杆为连架杆时,机构为曲柄摇杆机构
  • 当最短杆为机架时,机构为双曲柄机构
  • 当最短杆的相对杆为机架时,机构为双摇杆机构
  • 如果各杆长度不满足杆长条件,则不论以何杆为机架,机构均为双摇杆机构

偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件:①连架杆长度+偏距≤连杆的长度;②连架杆为最短杆。对心曲柄滑块机构有曲柄的条件:①连架杆长度≤连杆的长度;②连架杆为最短杆。

第8页:急回运动和行程速比系数

急回运动
当主动件曲柄等速转动时,从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度,摇杆的这种运动特性称为急回运动。当机构存在极位夹角 θ 时,机构便具有急回运动特性。
行程速比系数
K=v2/v1=(180°+θ)/(180°-θ),且 θ 角越大,K 值越大,机构的急回性质也越显著。

教材中给出例 8-5 牛头刨床机构、例 8-6 对心曲柄滑块机构、例 8-7 偏置曲柄滑块机构。

第9页:传动角与死点

传动角
连杆 BC 与从动件 CD 之间所夹的锐角 γ 称为四杆机构在此位置的传动角。最小传动角的确定:对于曲柄摇杆机构,γmin 出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。为了保证机构传力性能良好,应使 γmin≥40°~50°。
死点
对于曲柄摇杆机构,以摇杆 CD 为主动件,则当连杆与从动件曲柄共线时,机构的传动角 γ=0°,这时主动件 CD 通过连杆作用于从动件 AB 上的力恰好通过其回转中心,出现了不能使构件 AB 转动的“顶死”现象,机构的这种位置称为“死点”。

第10页:死点的克服与应用

克服死点的方法:

  • 利用安装飞轮加大惯性的方法,借惯性作用使机构闯过死点
  • 采用将两组以上的同样机构组合使用,且使各组机构的死点位置相互错开排列的方法

死点的应用:例 8-11 飞机起落架收放机构、例 8-12 折叠式桌的折叠机构,均利用死点位置实现可靠锁定。

此外还需考虑连杆机构的运动连续性。

第11页:连杆机构设计的基本问题

连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式,确定各构件的尺寸,同时还要满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。

  • 满足预定的运动规律的要求:即满足两连架杆预定的对应位置要求(又称实现函数的问题),或满足给定行程速比系数 K 的要求等
  • 满足预定的连杆位置要求:即要求连杆能占据一系列预定位置(又称刚体导引问题)
  • 满足预定的轨迹要求:即在机构运动过程中,连杆上某些点的轨迹能满足预定的轨迹要求

教材中给出流量指示机构、牛头刨床机构、小型电炉炉门的开闭机构、鹤式起重机、搅拌机构等实例。

第12页:四杆机构的设计方法

连杆机构的设计方法有图解法、解析法和实验法。

用解析法设计四杆机构包括:

  • 按预定的运动规律设计:按预定的两连架杆对应的位置设计;按期望函数设计四杆机构
  • 按预定的连杆位置设计
  • 按预定的运动轨迹设计

第13页:图解设计的基本原理

在四杆机构 ABCD 中,固定铰链 A、D 与活动铰链 B、C 的位置关系由各铰链间的运动关系确定:活动铰链 B、C 的轨迹分别为圆心圆或圆弧 Bi、Ci(i=1,2,…,N)。

图解设计问题
即作图求解各铰链中心的位置问题。

第14页:机构的倒置原理

为了求活动铰链的位置,可将待求活动铰链所在的杆视作新机架,而将其相对的杆视为新连杆。接下来,将原机构的各位置的构型均视为刚体,并向某一选定位置相对移动,使新机架的各杆位置重合,便可得新连杆相对于新机架的各个位置,即实现了机构的倒置。

这样,就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了,这种方法又称为反转法。

第15页:图解设计的具体方法

  • 按连杆预定的位置设计:已知活动铰链中心的位置;已知固定铰链中心的位置
  • 按两连架杆预定的对应位置设计:已知两连架杆三对对应位置;已知两连架杆四对对应位置

求解条件讨论:教材按给定位置数 N=2、3、4、5 分别讨论求解情况,相应结论有“有唯一解”“有无穷多解”“可能有无穷多解”“可能有解或无解”。

第16页:按行程速比系数设计与实验法

  • 按给定的行程速比系数设计四杆机构:例 8-18 曲柄摇杆机构、例 8-19 曲柄滑块机构、例 8-20 摆动导杆机构
  • 用实验法设计四杆机构:按两连架杆的多对对应位置设计;按预定的轨迹设计

第17页:多杆机构的功用

  • 取得有利的传动角
  • 获得较大的机械利益
  • 改变从动件的运动特性
  • 实现从动件带停歇的运动
  • 扩大机构从动件的行程
  • 使机构从动件的行程可调
  • 实现特定要求下的平面导引

结论:由于多杆机构的尺度参数较多,因此它可以满足更为复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求,但其设计也较困难。

第18页:多杆机构的类型

  • 按杆数分:五杆、六杆、八杆机构等
  • 按自由度分:单自由度、两自由度和三自由度多杆机构
  • 六杆机构的分类:瓦特(Watt)型,有Ⅰ型、Ⅱ型两种;斯蒂芬森(Stephenson)型,有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种

第19页:斯蒂芬森型六杆机构

斯蒂芬森(Stephenson)型六杆机构有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种,本页以机构简图形式给出三种型式的构件组成与联接关系。

本页最后还涉及六杆机构的应用举例,建议对照原图查看各构件的运动传递路线。

第20页:契贝谢夫四足机器人

契贝谢夫四足机器人是利用连杆曲线特性设计的:当一对角足运动处在曲线的直线段时则着地静止不动,而另一对角足则处在曲线段作迈足运动,从而可实现类似动物的足行运动。

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