曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計、第三章凸輪.ppt

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1、一、曲柄搖桿機(jī)構(gòu),在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個連架桿，一為曲柄，另一個為搖桿，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。,通常曲柄為原動件，并作勻速轉(zhuǎn)動；而搖桿為從動件，作變速往復(fù)擺動。,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的主要特性： 急回運(yùn)動,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄AB在轉(zhuǎn)動一周中，在B1、B2兩次與連桿BC共線，相應(yīng)鉸鏈中心 A與C之間的距離AC1和AC2分別為最短和最長，搖桿CD的位置,C1D和C2D分別為其左右極限位置。搖桿在兩極限位置間的夾角，,稱為搖桿的擺角。,當(dāng)曲柄由位置 AB1 順時針轉(zhuǎn)到位置AB2 時，曲柄轉(zhuǎn)角 180，,,這時搖桿由左極限位置C1D 擺到位置右極限位置C2D，擺桿角度為；而當(dāng)曲柄順時針再轉(zhuǎn)過

2、角度 180時，搖桿由位置C2D擺回至位置C1D，其擺角仍然是 。,雖然搖桿來回擺動的擺角相同，但對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角不等( )；當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，對應(yīng)的時間也不等 （t 1 t 2）。,令搖桿自ClD擺至C2D為工作行程，這時鉸鏈的平均速度是 v1=C1C2 tl 。,搖桿自C2D擺回至C1D是其空回行程，這時點的平均速度是v2=C1C2 t2，顯然v1 < v2 ，,,,它表明搖桿具有急回運(yùn)動的特性。牛頭刨床、往復(fù)式輸送機(jī)等機(jī)械就利用這種急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。,急回運(yùn)動特性可用行程速度變化系數(shù)（也稱行程速比系數(shù)）K 表示。,v2 C1C2/t2 t1 180

3、K （2-1） v1 C1C2/t1 t2 180,,, 搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角，稱為極位夾角。,K 值越大，急回特性愈明顯。一般機(jī)械中，1K2。,將式（2-1）整理，可得極位夾角計算公式,K 180 （2-2） K,2. 壓力角和傳動角,和構(gòu)件的慣性力(矩)及重力，則通過二力桿BC 作用于從動件CD上的力沿BC 方向，把力分解為沿C 點速度vC 方向的分力F和垂直于vC 的分力F,原動件受到驅(qū)動力矩Md作用，若不計運(yùn)動副的摩擦,它們的大小與角度或有關(guān)，即,有效分力 FFcosFsin， 有害分力 FFsinFcos 。,因此， F越小越

4、好，即角度越?。ɑ蛟酱螅C(jī)構(gòu)的工作越有利。,稱為壓力角，稱為傳動角，二者互為余角，90 。,壓力角的定義是：不計摩擦、重力與慣性力時，輸出構(gòu)件所受主動力F 的方向與輸出構(gòu)件在受力點處的速度方向之間所夾的銳角。,由于傳動角在簡圖中非常直觀，所以平面連桿機(jī)構(gòu)習(xí)慣于用傳動角來表示機(jī)構(gòu)的傳動性能。機(jī)構(gòu)工作時，其傳動角是作周期變化的。,一般許用值=4050。 重載大功率時取大值。,1 為保證機(jī)構(gòu)的傳力性能良好，應(yīng)使最小傳動角min 。,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，最小傳動角min 總是發(fā)生于曲柄與機(jī)架共線和重疊共線的兩位置之一，如圖所示。 (具體證明見P30頁),3. 死點位置,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若搖桿為主動件

5、，當(dāng)從動件與連桿共線時，機(jī)構(gòu)的傳動角為零，此時不論驅(qū)動力F有多大, 其有效分力 ,,機(jī)構(gòu)的這種位置稱為機(jī)構(gòu)的死點位置。,死點位置對傳動不利，但對夾緊和防松有利。如圖鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)工件5 被夾緊時，鉸鏈中心B、 C、D共線，工件加在桿上的反作用力Fn無論多大，也不能使桿3轉(zhuǎn)動。這就保證在去掉外力F 之后,,仍能可靠地夾緊工件。當(dāng)需要取出工件時，只需向上扳動手柄，即能松開夾具。,二、雙曲柄機(jī)構(gòu),兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。,雙曲柄機(jī)構(gòu)功能：,原動曲柄轉(zhuǎn)動（勻速）從動曲柄轉(zhuǎn)動（非勻速或勻速）,雙曲柄機(jī)構(gòu)中，最常用的是平行四邊形機(jī)構(gòu)，或稱平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。,三、雙搖桿機(jī)構(gòu),兩連架

6、桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。,原動搖桿擺動 從動搖桿擺動,2-2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件,整轉(zhuǎn)副定義:兩構(gòu)件能相對轉(zhuǎn)動3600的轉(zhuǎn)動副。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中曲柄具有整轉(zhuǎn)副。,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在什麼條件具有整轉(zhuǎn)副?,已知：桿曲柄，桿連桿， 桿搖桿，桿機(jī)架。 各桿長度為l1、l2、l3、l4。,曲柄與桿的夾角 的變化范圍：,,當(dāng)搖桿處于左右極限位置時，曲柄與連桿兩次共線。此時桿與桿的夾角的變化范圍也是,桿為搖桿，它與相鄰兩桿的夾角 、 的變化范圍小于360。,顯然，、為整轉(zhuǎn)副，、不是整轉(zhuǎn)副。,為了實現(xiàn)曲柄整周回轉(zhuǎn)，AB桿必須順利通過與連桿共線的兩個位置AB和AB。,當(dāng)桿處于AB 位置時，形成

7、三角形 。根據(jù)三角形任意兩邊之和必大于(極限情況下等于)第三邊的定理可得,l4(l2 l1)l3 l3(l2 l1)l4,即 l1l4l2l3 （2-4） l1l3l2l4 （2-5）,當(dāng)桿處于AB 位置時，形成三角形 ?？傻?l1 l2 l4 l3 （2-6）,將式(2-4)、(2-5)、(2-6)兩兩相加,即桿最短。,l1l4l2l3 （2-4） l1l3l2l4 （2-5）,l1l2l4l3 （2-6）,,,l1 l2,,,l1 l3,,,l1 l4,由此可得鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件是：,(1) 整轉(zhuǎn)副是由最短桿與其鄰邊組成的;,(2) 最短桿與最長桿長度之

8、和，應(yīng)小于或等于其余兩桿長度之和。否則如下圖,這兩個條件必須同時滿足，否則機(jī)構(gòu)中不存在整轉(zhuǎn)副，無論取哪個構(gòu)件作機(jī)架都只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。,(1) 整轉(zhuǎn)副是由最短桿與其鄰邊組成的;,另外，具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是否存在曲柄，還應(yīng)根據(jù)選擇何桿為機(jī)架來判斷。,(1) 取最短桿為機(jī)架時，機(jī)架上有兩個整轉(zhuǎn)副，故得雙曲柄機(jī)構(gòu)。,,(2) 取最短桿的鄰邊為機(jī)架時，機(jī)架上只有一個整轉(zhuǎn)副，故得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。,(3) 取最短桿的對邊為機(jī)架時，機(jī)架上沒有整轉(zhuǎn)副，故得雙搖桿機(jī)構(gòu)。,,,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，鉸鏈中心的軌跡是以為圓心，以l3為半徑的圓弧mn。若l3增至無窮大, 則如圖b所示，C點軌跡變成直線。于是搖桿演化為直

9、線運(yùn)動的滑塊，轉(zhuǎn)動副演化為移動副，機(jī)構(gòu)演化為如圖所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。,2-3 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化,一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu),二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu),件而演化來的。如圖a 所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，若改取桿1為固定構(gòu)件，即得圖b 所示導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。桿4 稱為導(dǎo)桿。滑塊相對導(dǎo)桿滑動并一起繞點轉(zhuǎn)動。通常取桿為原動件。,傳動角始終等于90。具有很好的傳力性能，故常用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵之中。,導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的的特點：,若桿為固定構(gòu)件，可得圖c所示擺動滑塊機(jī)構(gòu)，或稱搖塊機(jī)構(gòu)。,三、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu),,如圖，當(dāng)油缸中的壓力油推動活塞桿運(yùn)動時，車廂便繞回轉(zhuǎn)副中心傾轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定角度時，物料就自

10、動卸下。,例如自卸卡車的車廂自動翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)就是一個搖塊機(jī)構(gòu)。,在圖a所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取桿3為固定件，即可得圖d 所示固定滑塊機(jī)構(gòu)或稱定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒（圖2-18）和抽油泵中。,,四、偏心輪機(jī)構(gòu),桿為圓盤，其幾何中心為，因運(yùn)動時該圓盤繞偏心轉(zhuǎn)動，故稱偏心輪。、之間的距離稱為偏心距。,,按照相對運(yùn)動關(guān)系，可畫出該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，如圖b 所示。由圖可知，偏心輪是回轉(zhuǎn)副擴(kuò)大到包括回轉(zhuǎn)副而形成的，偏心距即是曲柄的長度。,- 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 一、平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題,平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)工作要求（如運(yùn)動要求、傳力要求、空間尺寸等）和給定的條件，選定合適的機(jī)構(gòu)型式和確定

11、機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸。一般，四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計中常常碰到下面兩類基本問題：,（1）給定從動件的運(yùn)動規(guī)律（位置、速度、加速度）設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)。,（2）給定點的運(yùn)動軌跡設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)。,四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的方法有解析法、幾何作圖法和實驗法。作圖法直觀，解析法精確，實驗法簡便。,二、給定行程速度變化系數(shù)設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),曲柄搖桿機(jī)構(gòu),已知條件：搖桿長度l3，擺角，行程速度變化系數(shù)。,設(shè)計的實質(zhì)是確定鉸鏈中心點的位置和其他三桿的尺寸 l1、 l2 和 l4 。,設(shè)計步驟：,(1) 按公式 計算出極位夾角。,,,,(2) 任選固定鉸鏈中心的位置，由搖桿長度 l和擺角，作出搖桿兩個極限位置C1D和C2。,(3)

12、連接C和C，并作CM垂直于CC。,(4) 作C1C2N90，,C2N與C1M相交于點，由圖可見，C1PC2,(5) 作PC1C2的外接圓，在此圓周上（C1C2圓弧和EF圓弧除外） 任取一點作為曲柄的固定鉸鏈中心。,,A,(5) 作PC1C2的外接圓，在此圓周上（C1C2圓弧和EF圓弧除外） 任取一點作為曲柄的固定鉸鏈中心。連AC和AC，因同一圓弧的圓周角相等，所以,CAC CPC 。,(6) 因極限位置處曲柄與連桿共線，,故 AC1 l2 l1、 AC2l2 l1， 從而得曲柄長度：,l1=(AC2 AC1)2。,再以為圓心以l為半徑作圓，交C1A的延線于B，交C 2A于B，,即得 B1C

13、1= B2C2= l 及 AD= l4 。,由于點是 C1PC2 外接圓上任選的點，所以僅按行程速度變化系數(shù)設(shè)計，可得無窮多的解。,由于點位置不同，機(jī)構(gòu)傳動角的大小也不同。因此設(shè)計時應(yīng)按照最小傳動角最優(yōu)或其他輔助條件來確定點的位置。,三、按給定連桿位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),翻臺振實式造型機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用一個鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)翻臺的、兩個工作位置。位置，砂箱7與翻臺8固聯(lián)，在振實臺9上振實造型。然后壓力油推動活塞6，通過連桿5使搖桿4擺動，將翻臺與砂箱翻轉(zhuǎn)到位置。托臺10上升接觸砂,箱，解除砂箱與翻臺間的緊固聯(lián)接并起模。,給定了連桿3的長度 l3=BC 及其兩個位置 BlCl 和B2C2，,確定連架桿與

14、機(jī)架組成的固定鉸鏈中心A和D的位置，并求出其余三桿的長度 l1、l2 和 l4 。,由于連桿上B、C兩點的軌跡分別為以、D 為圓心的圓弧，所以、D必分別位于B1B2和ClC2的垂直平分線上。具體設(shè)計步驟：,(1) 根據(jù)給定條件，繪出連桿的兩個位置B1C1和B2C2。,(3) 由于A和D兩點可在 b12和 c12兩直線上任意選取，有無窮多解。實際設(shè)計時應(yīng)考慮其他輔助條件，例如最小傳動角、各桿尺寸所允許的范圍或其他結(jié)構(gòu)上的要求。,(2) 分別連接B1和B2、C1和 C2，并作B1B2、ClC2的垂直平分線 b12、c12。,本機(jī)構(gòu)要求A、D兩點在同一水平線上，且ADBC。根據(jù)這一附加條件，即可唯一

15、地確定、的位置，并作出所求的四桿機(jī)構(gòu)AB1C1D。,若給定連桿三個位置，四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計過程與上述基本相同。如圖 ，由于B1、B2、B3三點位于以A 為圓心的同一圓弧上，故運(yùn)用已知三點求圓心的方法，作Bl B2和B2B3,的垂直平分線，其交點就是固定鉸鏈中心A。同樣，作C1C2和C2C3的垂直平分線，其交點便是另一固定鉸鏈中心。ABlClD即為所求四桿機(jī)構(gòu)。,第3章 凸輪機(jī)構(gòu),3-1 凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理和組成,第3章 凸輪機(jī)構(gòu),3-1 凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理和組成,內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)：凸輪1以等角速度回轉(zhuǎn)，它的輪廓驅(qū)使從動件2（閥桿）按預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律啟閉閥門。,凸輪機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)件是凸輪、從動件和機(jī)架

16、。,優(yōu)點：適當(dāng)設(shè)計凸輪輪廓曲線, 可使從動件實現(xiàn)各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律,且機(jī)構(gòu)簡單緊湊。,缺點: 凸輪輪廓與從動件之間為點、線接觸，易磨損，所以凸輪機(jī)構(gòu)常用于運(yùn)動復(fù)雜而載荷不大的場合。,3-2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,凸輪機(jī)構(gòu)的從動件的運(yùn)動規(guī)律與凸輪廓線之間有著相互關(guān)系。,設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時，是先根據(jù)工作要求確定從動件的運(yùn)動規(guī)律，再按這一運(yùn)動規(guī)律設(shè)計凸輪輪廓線。,,一、凸輪的基本概念,1. 基圓rmin （ ro ）:,以凸輪輪廓的最小半徑rmin 為半徑所畫的圓。 rmin稱為基圓半徑。,. 推程： 凸輪以1等角速順時針方向回轉(zhuǎn)t時，從動件尖頂被凸輪輪廓推動，以一定運(yùn)動規(guī)律由離回轉(zhuǎn)中心最近位置A到達(dá)最

17、遠(yuǎn)位置B，這個過程稱為推程。,3. 升程：推程中從動件走過的距離稱為從動件的升程。,4. 推程運(yùn)動角t :,與推程對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 。,5. 遠(yuǎn)休止角s ：,當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s 時。以點為中心的圓弧BC與尖頂相作用，從動件,在最遠(yuǎn)位置停留不動，s 稱為遠(yuǎn)休止角。,5. 遠(yuǎn)休止角s ：,當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s 時。以點為中心的圓弧BC與尖頂相作用，從動件,在最遠(yuǎn)位置停留不動，s 稱為遠(yuǎn)休止角。,6. 回程：,凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)h時，從動件在彈簧力或重力作用下，以一定運(yùn)動規(guī)律回到起始位置，這個過程稱為回程。,7. 回程運(yùn)動 角h ：與回程對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 。,8. 近休止角s:,凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s時，以O(shè)點為中心的圓弧

18、DA與尖頂相作用，從動件在最近位置停留不動，稱為近休止角。,當(dāng)凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)時，從動件重復(fù)作往復(fù)運(yùn),9. 從動件位移線圖,運(yùn)動。在直角坐標(biāo)系中表示從動件位移 s2 和凸輪轉(zhuǎn)角1 （或時間t）之間的函數(shù)關(guān)系和曲線圖。這個關(guān)系曲線稱為從動件位移線圖。,二、從動件常用運(yùn)動規(guī)律,從動件的位移線圖取決于凸輪輪廓曲線的形狀，即從動件不同的運(yùn)動規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線。從動件常用運(yùn)動規(guī)律有：,等速運(yùn)動規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動規(guī)律、簡諧運(yùn)動規(guī)律、擺線運(yùn)動規(guī)律。,1. 等速運(yùn)動規(guī)律,,,由于凸輪勻速轉(zhuǎn)動時, l 為常數(shù)， 故1 1 t 推程里:t 1。,將這些關(guān)系代入上式便可得出以凸輪轉(zhuǎn)角1和轉(zhuǎn)速

19、1表示的從動件運(yùn)動方程：,同理，回程時可得從動件運(yùn)動方程:,等速運(yùn)動的缺點：,運(yùn)動開始時v = 0v0(突變)，故a2 ；,運(yùn)動終止時v = v00(突變)， a2 ,慣性力會引起剛性沖擊。因此、這種運(yùn)動規(guī)律不宜單獨(dú)使用。在運(yùn)動開始和終止段需用其他運(yùn)動規(guī)律過渡。,2. 等加速等減速運(yùn)動規(guī)律,運(yùn)動的前半行程作等加速運(yùn)動，后半行程作等減速運(yùn)動。,已知前半行程作等加速運(yùn)動，經(jīng)過的運(yùn)動時間是T2，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角是t /2。將這些參數(shù)代入位移方程,,,故,對上式作兩次積分，并令10時，v2 0，s2 0，可得到前半行程的運(yùn)動方程：,可得：,（推程等加速段） ( 3-3 ) （ 1 2）,由上式可看出從

20、動件的位移s2與凸輪轉(zhuǎn)角1 的平方成正比，所以從動件位移曲線為拋物線。,（推程等減速段） （3-4）,（回程等加速段） （3-5）,同理可推出等減速等加速運(yùn)動方程。,（回程等減速段） ( 3-6 ),等加速等減速運(yùn)動可以避免產(chǎn)生等速運(yùn)動那樣的剛性沖擊。但仍然會產(chǎn)生柔性沖擊。如圖 c 在、、三點處加速度有限值的突變，產(chǎn)生了有限慣性力的突變，結(jié)果將引起所謂柔性沖擊。所以等加速等減速運(yùn)動規(guī)律只適用于中速凸輪機(jī)構(gòu)。,3簡諧運(yùn)動規(guī)律,從加速度線圖可見，從動件在行程的始點和終點有柔性沖擊。如果加速度曲線能保持連續(xù)，圖c 虛線所示，這種運(yùn)動規(guī)律就能避免沖擊。,點在圓周上作勻速運(yùn)動時，點在這個圓的直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動稱為簡諧運(yùn)動。簡諧運(yùn)動曲線又稱余弦曲線。,（推程段） ( 3-7 ) （ 1 ）,簡諧運(yùn)動的運(yùn)動方程：,（回程段） ( 3-8 ) （ 1 2）,4擺線運(yùn)動規(guī)律,擺線運(yùn)動規(guī)律也稱為正弦運(yùn)動規(guī)律。其最大特點是在推程的運(yùn)動過程中既無剛性沖擊又無柔性沖擊。從圖中的曲線可以看到這一點。 擺線運(yùn)動方程如下：,（推程段） ( 3-7-1 ) （ 1 ）,（回程段） ( 3-8-1 ) （ 1 2）,從動桿常用運(yùn)動及其特性比較,定塊機(jī)構(gòu),導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,搖塊機(jī)構(gòu),,v3,