机械设计基础

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AB, B1C1 B2C2 , AD
(1)按给定连杆的两位置设计四杆机构
给定连杆的两个位置B1C1和B2C2设计四杆机构 图解过程如下: 1)选定长度比例尺 绘出连杆的两个位置B1C1、 B2C2。 2)连接B1B2、 C1C2,分别作线段B1B2和 C1C2的垂直平分线B12和C12,分别在B12和 C12上任意取A、D两点,A、D两点即是两个连 架杆的固定铰链中心。连接AB1、C1D即为所求 的四杆机构。
•因为φ 1>φ2 ,t1>t2,所以v1<v2,摇杆 往复摆动的平均角速度不相等。为提高机 械的工作效率,通常使慢速运动行程为工 作行程(正行程),而快速运动行程为空 回行程(反行程)。这种返回速度大于工 作行程速度的运动性质称为急回运动特性。
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• 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,简称极位夹角。 •急回运动特性可用行程速度变化系数(或称行程速比 系数)K表示,即:
此位置一定是:主动件与机架共线两处之一。
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3.止点位置
• 曲柄摇杆机构ABCD中,摇杆CD为主 动件。当机构处于连杆与从动曲柄共线 的两个位置时,出现了传动角γ=0º,压 力角α=90º的情况。主动件CD通过连杆 作用于从动件AB的力恰好通过其回转 中心,不能使AB杆转动,机构此位置 称为死点(dead point)。
2)转动副和移动副的接触表面是圆柱面或平面,便 于制造;
3)低副中存在间隙,低副数目较多时会使得从动件 的运动累积误差较大; 4)平面连杆机构的设计比较复杂,不易精确地实现 复杂的运动规律。
5)不适用于动载荷较大高速运转的场合。
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2.2 铰链四杆机构的基本型式与应用
平面四杆机构的基本类型——铰链四杆机构
铰链四杆机构—全部的转动副连接起来的平面四杆机构,平 面四杆机构是最基本的连杆机构,铰链四杆机构又是平面 四杆机构的最基本形式,其他平面四杆机构都可以看作由 铰链四杆机构演化而来。
1. 曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism) 2. 双曲柄机构(double crank mechanism) 3. 双摇杆机构(double rocker mechanism)
杆成一直线,机构处于死点位置,使降落 更加安全可靠。
飞机起落架机构
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2.5平面四杆机构的演化 1、改变构件的形状和尺寸
对心曲柄滑块机构
a)曲柄摇杆机构 b)杆3增至无限长 c)对心曲柄滑块机构 d)偏置曲柄滑块机构 图2-16 曲柄摇杆机构演变成曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
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2.取不同构件为机架
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3. 双摇机构
铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆, 则称为双摇杆机构。
双摇杆机构
图2-10 车辆的前轮转向机构
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2.3铰链四杆机构基本型式的判别
铰链四杆机构都是四个构件用转动副连接起来,但有不同
的型式来实现不同的功能。他们与构件尺寸有何关系? 现在让我们来分析曲柄存在的条件。 1. 铰链四杆机构只存在一个曲柄的条件 (1)其中一个连架杆最短;
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书名:机械设计基础 ISBN: 978-7-111-34698-2 作者:徐艳敏 出版社:机械工业出版社 本书配有电子课件
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第二章 平面连杆机构



【能力目标】 【案例导入】 【知识要点】 2.1平面连杆机构的特点 2.2铰链四杆机构的基本型式与应用 2.3铰链四杆机构基本型式的判别 2.4曲柄摇杆机构的运动特性分析 2.5平面四杆机构的演化 2.6平面四杆机构的设计
•上式表明:极位夹角θ大,K值越大,急回运动的性质也越显著。
将上式整理后,可得极位夹角的计算公式。
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2.压力角和传动角
•在不计运动副中摩擦力、构件质量
和惯性力的情况下,机构从动件受 力方向Fc和受力点速度方向Vc所夹 的锐角α,称为机构在此位置的压力 角(Pressure angle)。 •压力角越小,机构的传力性能越好,
转动导杆机构
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摆动导杆机构
曲柄1作360°周转运动,摆动导杆3作往复摆动,l1〈l4, 且有较大的急回运动特性。
摆动导杆机构
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(2)摇块机构
图2-17c中,取杆2为固定构件,可得摇块机构。
摇块机构
图2-18汽车自动卸料机构
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(3)定块机构

图2-17d中,若取构件3为固定件,得到固定滑块机构或称 定块机构。
图2-14曲柄摇杆机构的压力角和传动角
效率越高。
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•在连杆设计中,为了度量方便,习惯用压力角α的余角γ来判断 传力性能,γ称为传动角。
切向分力: F’= Fcosα =Fsinγ 法向分力: F”= Fcosγ γ↑→ F’↑ →对传动有利。 可用γ的大小来表示机构传动力性能的好坏, F’ F” F 称γ为传动角。 为了保证机构良好的传力性能 γ C C F α γ 设计时要求: γmin≥50° B F’ F” B γmin出现的位置: A A D D 当∠BCD≤90°时, γ=∠BCD 当∠BCD>90°时, γ=180°- ∠BCD 当∠BCD最小或最大时,都有可能出现γmin
C1D C2 D
图2-21曲柄摇杆机构的设计
l
l3
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4)连接C1和C2,并作 C1M⊥ C1C2。 5)作∠C1C2N=90°—θ,C2N与C1M相交于P点,由图 可见,∠C1PC2=θ。 6)作△PC1C2的外接圆,在此圆周(C1C2和EF除外)上 任取一点A作为曲柄的固定铰链中心。连AC1和AC2,因同 一圆弧的圆周角相等,故∠C1AC2=∠C1PC2=θ。 7)因极限位置处曲柄与连杆共线,故,,从而得图中曲 柄长度,则曲柄实际长度。再以A为圆心和AB为半径作圆, 分别交C1A的延线于B1,交C2A于B2,即得连杆实际长度; 机架实际长度。 分别是曲柄、连杆和机架在图中的 长度,因此可在图中直接量出。
【能力训练】
第1章小结
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【能力目标】



1. 掌握平面连杆机构的类型及应用; 2. 掌握曲柄存在的条件及曲柄摇杆机构的运动 特性; 3. 了解平面连杆机构的演化 4. 会用作图法设计平面四杆机构 (1) 按给定行程速比系数K设计四杆机构 (2) 按给定连杆预定位置设计四杆机构
图2-11 曲柄摇杆机构
三边的性质有以下证明。
在ΔB1C1D中: L3≤(L1 – L2)+ L4 L4≤(L1 – L2)+L3 即: L2 + L3 ≤ L1+ L4 ① L2 + L4≤ L1 + L3 ② 在ΔB2C2D中: L1 +L2≤ L3 + L4 ③ ① + ②得 L2≤ L1 ① + ③得 L2≤ L4 ② + ③得 L2≤ L3 所以在L1、L2、L3和L4四个构件中曲 柄L2、最短。 由①②③式可知:最短杆+任一杆长≤ 其余两杆之和,所以最短杆+ 最长杆 ≤另 两杆之和。 铰链四杆机构中,存在一个曲柄的条件 为: (1)曲柄最短; (2)最短杆与最长杆之和小于或等于 其余两杆之和. 返回目录
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【案例导入】
图2-1脚踏砂轮机构及机构运动简图
图2-2-鹤式起重机起吊机构及机构运动简图
由若干构件用低副连接起来的平面机构,称为平面连杆机构.
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2.1平面连杆机构的特点
平面连杆机构具有什么特点呢?
1)构件间的低副连接是面接触,接触面上压强小,而且接触 面上压强小,易润滑,因此磨损较小,可以承受较大载荷;
曲柄滑块机构
a)曲柄滑块机构 b)导杆机构 c)摇块机构 d)定块机构 图2-17曲柄滑块机构的演化
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(1)导杆机构
•取杆1为固定构件,得到导杆机构。杆4在机构中与机架
以转动副连接,与滑块以移动副相连接,该构件称为导杆。
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转动导杆机构
曲柄1和导杆3都能作360°周转运动,主动曲柄作等速转动,从动导杆作变速 转动,l1>l4。
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2.4曲柄摇杆机构的运动特性分析
1.急回特性
• 曲柄摇杆机构ABCD,原动曲柄转 动一周过程中,有两次与连杆共线, 即重叠共线和拉直共线,摇杆两个 极限位置分别为C1D和C2D。
图2-13 曲柄摇杆机构的急回特性
• 曲柄AB以等角速度ω顺时针转过φ1 角由位置AB1转到位置AB2,摇杆从 C1D摆到C2D,摆角为φ,所需时间为 t1,C点平均速度为V1。当曲柄继续 转过角φ2 ,摇杆从C2D返回到C1D, 所需时间为t2,C点平均速度为V2。
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2.铰链四杆机构的三种基本型式的判别
当最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆长度之和(即满足杆长条 件) 时: 最短杆为连架杆---曲柄摇杆机构(slider-crank mechanism) 最短杆为机架 ----双曲柄机构(double crank mechanism) 最短杆为连杆-----双摇杆机构(double rocker mechanism) 当 最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和-----双摇杆机构 (double rocker mechanism)
→ 平行四边形机构
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平面四杆机构的基本形式——铰链四杆机构
连杆
B 连架杆 连架杆
A
机架
D
曲柄
连架杆 摇杆
能绕其轴线转360º 的连架杆。 仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。
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1. 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中,若两个连架杆中一个为曲柄, 另一个为摇杆,则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。机 构中,当曲柄为原动件,摇杆为从动件时,可将曲柄 的连续转动,转变成摇杆的往复摆动。

已知条件:摇杆长度l3,摆角ψ和行程速度变化系数K。 设计的实质是确定铰链中心A点的位置,定出其他三杆的尺
寸曲柄l1、连杆l2和机架l4。 解 1)选作图比例为ul; 2)由给定的行程速度变化系数 K,求出极位夹角 180 k 1
k 1
3)如图2-21所示,任选固定铰链中 心 D的位置,由摇杆长度l3和摆角ψ, 作出摇杆两个极限位置C1D和C2D,
(2)最短杆和最长杆之和大于或等于另两杆之和。
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证明:

设AD=L1,AB=L2,BC =L3 ,CD=L4,若连 架杆L2为曲柄,且作整圆周运动,则它 应顺利通过与机架AD共线的两个位置 AB1和AB2 ,机构在这两个位置分别构 成ΔB1C1D和ΔB2C2D。利用三角形任 意两边之和大于(极限情况等于)第
图2-24 按给定连杆的两位置设计四杆机构
由于A、D点可任意选取,所以有无穷解。在实际设计中可根据其他辅助条件, 例如限制最小传动角或者A、D的安装位置来确定铰链A、D的安装位置。 返回目录
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(2)按给定连杆的三位置设计四杆机构

按结定连杆三个位置,要求设计 四杆机构,其设计过程与上述基 本相同。如图2-25所示,由于B1、 B2、B3三点位于以A为圆心的同 一圆弧上,故运用已知三点求圆 心的方法,作B1B2和B2B3的垂 直平分线,其交点就是固定铰链 中心A。用同样方法,作C1C2和 C2C3的垂直平分线,其交点便是 另一固定铰链中心 D。 AB1C1D 即为所求四杆机构。
定块机构 图2-19 手压抽水机 返回目录
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3.扩大转动副
a) 图2-20 偏心轮机构
b)
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2.6平面四杆机构的设计
•按给定行程速比系数K设计四杆机构适用于具有急回特性 的四杆机构的设计 。
•具有急回特性的四杆机构有曲柄摇杆机构、偏置式曲柄滑
块机构、摆动导杆机构。
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2.6平面四杆机构的设计
图2-15 曲柄摇杆机构的止点位置
•止点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定现象。为了消除死 点位置的不良影响,可以对从动曲柄施加外力,或利用飞轮及构件自 身的惯性作用,使机构通过止点位置。
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利用止点的实例
•工程实践中,常利用死点来实现特定的 工作要求。 •在机轮放下时,连杆BC杆与从动杆CD
曲柄摇杆机构
图2-5 雷达天线俯仰角调整机构 图2-6 缝纫机脚踏板机构
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2. 双曲柄机构 在铰链四杆机构中,若两个连架杆都是曲柄,则称 为双曲柄机构。
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图2-7 惯性筛机构
双曲柄机构
平行四边形机构
图2-8 平行四边形机构 图2-9 消除运动不确定的方法
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