哈工大機(jī)械考研必備焦映厚機(jī)械原理連桿機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)備課

1、機(jī)機(jī) 械械 原原 理理主編主編 ：王知行：王知行 劉廷榮劉廷榮第三章第三章 連桿機(jī)構(gòu)分析與綜合連桿機(jī)構(gòu)分析與綜合哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)制作制作: :焦映厚焦映厚3-1 3-1 概概 述述 (Introduction)（1）由若干剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接而成的機(jī)構(gòu)）由若干剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接而成的機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)又稱為低副機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)又稱為低副機(jī)構(gòu) 空間連桿機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu) 平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)一、定義與分類一、定義與分類二、連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)二、連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 承受載荷大，便于潤滑；承受載荷大，便于潤滑； 制造方便，易獲得較高的精度；制造方便，易獲得較高的精度； 兩構(gòu)件之間的接觸靠幾何封閉實(shí)現(xiàn)；兩構(gòu)

2、件之間的接觸靠幾何封閉實(shí)現(xiàn)； 較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡要求。較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡要求。三、連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)三、連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn) 慣性力不易平衡慣性力不易平衡 不易精確實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律不易精確實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律 和軌跡要求和軌跡要求3-2 3-2 平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其演化平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其演化(Basica Type and Evolution of Planar Four-bar Linkage) 一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用 (BasicaType and Application of Planar Four-bar Linkage) 曲柄

3、搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 雙曲柄機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu) 雙搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)基本類型：基本類型： 實(shí)際應(yīng)用：實(shí)際應(yīng)用： 機(jī)器人機(jī)器人1 機(jī)器人機(jī)器人2 機(jī)器人機(jī)器人3 機(jī)器人機(jī)器人4 機(jī)器人機(jī)器人5 機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu) 飛機(jī)起落架飛機(jī)起落架二、平面連桿機(jī)構(gòu)的演化二、平面連桿機(jī)構(gòu)的演化 (Evolution of Planar Four-bar Linkage) (1) 改變相對桿長，轉(zhuǎn)動(dòng)副演化成移動(dòng)副改變相對桿長，轉(zhuǎn)動(dòng)副演化成移動(dòng)副e1234ABCD41234ABCD4(2) 選不同構(gòu)件作機(jī)架選不同構(gòu)件作機(jī)架 變化鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架變化鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架 變化單移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的機(jī)架變化單移動(dòng)副機(jī)

4、構(gòu)的機(jī)架 變化雙移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的機(jī)架變化雙移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的機(jī)架圖圖3-25圖圖3-16圖圖3-22曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)1234ABCABC12343412CAB(a) 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(b) 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) (c) 移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) s1234ABCD123AB123AB44曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) （正弦機(jī)構(gòu)）（正弦機(jī)構(gòu)）雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)3-3 3-3 曲柄存在條件曲柄存在條件 及幾個(gè)基本概念及幾個(gè)基本概念(Conditions of Crank Existence and Several Conceptions fo

5、r Planar Four- bar Linkage) 一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中有曲柄的條件一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中有曲柄的條件 (Condition of Crank Existence in Four-bar Linkage) 最短桿和最長桿之和最短桿和最長桿之和 小于等于小于等于 其它兩桿長度之和其它兩桿長度之和 最短桿是最短桿是連架桿連架桿或或機(jī)架機(jī)架 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中有曲柄的條件鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中有曲柄的條件曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)二、壓力角和傳動(dòng)角二、壓力角和傳動(dòng)角(Pressure Angle & Transmission Angle)壓力角：壓力角：在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，

6、如果不在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果不考慮構(gòu)件的慣性力和鉸鏈中的摩擦力，考慮構(gòu)件的慣性力和鉸鏈中的摩擦力，則原動(dòng)件則原動(dòng)件AB通過連桿通過連桿BC作用到從動(dòng)件作用到從動(dòng)件CD上的力上的力F的作用線與力作用點(diǎn)的作用線與力作用點(diǎn)C點(diǎn)絕點(diǎn)絕對速度對速度vc所夾的銳角所夾的銳角稱為稱為壓力角壓力角傳動(dòng)角傳動(dòng)角：壓力角的余角稱為壓力角的余角稱為傳動(dòng)角傳動(dòng)角三、急回運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)三、急回運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)1. 極位夾角極位夾角(Extreme Position Angle) 當(dāng)機(jī)構(gòu)當(dāng)機(jī)構(gòu)從動(dòng)件處于從動(dòng)件處于兩極限位置兩極限位置時(shí)，主動(dòng)件時(shí)，主動(dòng)件曲柄在兩相曲柄在兩相應(yīng)位置所夾應(yīng)位置所夾的角的角2. 急回運(yùn)動(dòng)急

7、回運(yùn)動(dòng)(Quick-return Motion) 當(dāng)曲柄當(dāng)曲柄等速回轉(zhuǎn)的等速回轉(zhuǎn)的情況下，通情況下，通常把從動(dòng)件常把從動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)速往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度快慢不同度快慢不同的運(yùn)動(dòng)稱為的運(yùn)動(dòng)稱為急回運(yùn)動(dòng)。急回運(yùn)動(dòng)。3. 行程速比系數(shù)行程速比系數(shù)K(Coefficent of Travel Speed Ratio) 通常把從通常把從動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)平均速度動(dòng)平均速度的比值的比值(大于大于1)稱為行程速稱為行程速比系數(shù)，用比系數(shù)，用K表示。表示。從動(dòng)件快速行程平均速度從動(dòng)件快速行程平均速度從動(dòng)件慢速行程平均速度從動(dòng)件慢速行程平均速度K=11180KK180180=四、機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置四、機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置 (

8、Dead Point Position)1. 死點(diǎn)位置死點(diǎn)位置 所謂死點(diǎn)位置就是指從動(dòng)件的傳動(dòng)角所謂死點(diǎn)位置就是指從動(dòng)件的傳動(dòng)角等于等于0時(shí)機(jī)構(gòu)所處的位置。時(shí)機(jī)構(gòu)所處的位置。 2. 死點(diǎn)位置的應(yīng)用死點(diǎn)位置的應(yīng)用 鉆床夾具鉆床夾具 ，飛機(jī)起落架飛機(jī)起落架，火車輪火車輪1234從動(dòng)件主動(dòng)件AB2C2D0,180C1B103-4 3-4 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析1. 目的目的 位移分析可以：位移分析可以： 進(jìn)行干涉校驗(yàn)進(jìn)行干涉校驗(yàn) 確定從動(dòng)件行程確定從動(dòng)件行程 考查構(gòu)件或構(gòu)件上某點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)考查構(gòu)件或構(gòu)件上某點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn) 預(yù)定位置變化的要求。預(yù)定位置變化的要求。一、目的和方法一、目的

9、和方法 速度分析可以：速度分析可以： 確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件速度變化確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件速度變化 是否滿足工作要求。是否滿足工作要求。 速度分析可以：速度分析可以： 計(jì)算慣性力不可缺少的前提條件。計(jì)算慣性力不可缺少的前提條件。 2. 運(yùn)動(dòng)分析的基本方法運(yùn)動(dòng)分析的基本方法 圖解法圖解法 解析法解析法 實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法 二、用速度瞬心法對平面機(jī)構(gòu)作速度分析二、用速度瞬心法對平面機(jī)構(gòu)作速度分析1. 速度瞬心的定義速度瞬心的定義 相對作平面運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)構(gòu)件上瞬時(shí)相對作平面運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)構(gòu)件上瞬時(shí)相對速度等于零的點(diǎn)或絕對速度相等相對速度等于零的點(diǎn)或絕對速度相等的點(diǎn)的點(diǎn)(等速重合點(diǎn)等速重合點(diǎn))，稱為速度瞬心。，稱為速度瞬心。

10、速度瞬心的個(gè)數(shù)速度瞬心的個(gè)數(shù)K：K=m(m-1)2 m-為機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)為機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)(包機(jī)架包機(jī)架)2. 瞬心位置的確定瞬心位置的確定 (1) 用定義確定用定義確定(2) 用三心定理確定用三心定理確定三心定理：三心定理：三個(gè)作平面平行運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件三個(gè)作平面平行運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件 的三個(gè)瞬心必在同一條直線上。的三個(gè)瞬心必在同一條直線上。3. 3. 速度瞬心在平面機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用速度瞬心在平面機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)三、用解析法對平面連桿機(jī)構(gòu)三、用解析法對平面連桿機(jī)構(gòu) 作速度和加速度分析作速度和加速度分析1. 基本方法基本方法 建立數(shù)學(xué)模型建立

11、數(shù)學(xué)模型 視為質(zhì)點(diǎn)系視為質(zhì)點(diǎn)系 桿組法桿組法2. 桿組法桿組法(1) 同一構(gòu)件上點(diǎn)的同一構(gòu)件上點(diǎn)的 運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)分析輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：輸出參數(shù)：輸出參數(shù)：BxByBx By By Bx iljjjilBxByBxByByBxrB=rA+lijiABjiABlyylxxsincosA點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(2) RRRII級桿組級桿組的的 運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)分析 xB yB xD yDBx By By Bx Dx Dy Dy Dx iljlCxCyCx Cy Cy Cx ijijijxB、yB，xD、yD輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：輸出參數(shù)：輸出參數(shù)：rC=rB+li=rD+ljjjDiiBCjjDiiB

12、Clylyylxlxxsinsincoscos(2) RRPII級桿組級桿組的運(yùn)動(dòng)分析的運(yùn)動(dòng)分析BxByBx By By Bx 輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：iljljjjKxKyKx Ky Ky Kx iiiDxDyDx Dy Dy Dx CxCyCx Cy Cy Cx SSSrC=rB+li=rK+lj +SjjjyiiBCjjjkiiBClSxlyylSxlxxcossinsinsincoscos例例1 如圖所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知各桿長如圖所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知各桿長lAB=100mm，lBC=300mm，lCD=250mm，lAD=200mm,曲柄曲柄AB的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速

13、0 r/min。求在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中構(gòu)件求在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中構(gòu)件BC和和CD的角位移、角的角位移、角速度和角加速度。速度和角加速度。 xyOHKABCDEF123456例例2 在圖在圖3-45所示的六桿機(jī)構(gòu)中，已知各桿長所示的六桿機(jī)構(gòu)中，已知各桿長lAB=100mm，lBC=300mm，lCD=250mm，lBE=300mm，H=350mm， lAD=250mm，lEF=400mm,曲柄曲柄AB的角的角速度速度10rad/s。求滑塊。求滑塊F點(diǎn)的位移、速度和加速度。點(diǎn)的位移、速度和加速度。3-5 3-5 平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu) 的力分析機(jī)械效率的力分析機(jī)械效率一、力分析的基本知識(shí)一、力分析的基本

14、知識(shí)1. 作用在機(jī)械上的力：作用在機(jī)械上的力： 驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力: 驅(qū)使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力驅(qū)使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力 阻力阻力: 阻礙機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力阻礙機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力* 有害阻力有害阻力:指機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受到的非生產(chǎn)性無用阻力指機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受到的非生產(chǎn)性無用阻力* 有益阻力有益阻力:為了完成有益工作而必須克服的生產(chǎn)阻力為了完成有益工作而必須克服的生產(chǎn)阻力摩擦力摩擦力 既可以是驅(qū)動(dòng)力，又可以是阻力既可以是驅(qū)動(dòng)力，又可以是阻力2. 機(jī)構(gòu)力分析的目的機(jī)構(gòu)力分析的目的研究機(jī)構(gòu)力分析有以下兩個(gè)目的：研究機(jī)構(gòu)力分析有以下兩個(gè)目的：一是一是 確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副中的約束反力。確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副中的約束反力。二是二是 為保證原動(dòng)件按

15、給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)需加在機(jī)械為保證原動(dòng)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)需加在機(jī)械上的平衡力（或平衡力矩）。上的平衡力（或平衡力矩）。所謂平衡力是指與作用在機(jī)械上的已知外力及慣性所謂平衡力是指與作用在機(jī)械上的已知外力及慣性力相平衡的未知外力。力相平衡的未知外力。所謂平衡力距是指與作用在機(jī)械上的已知外力距及慣所謂平衡力距是指與作用在機(jī)械上的已知外力距及慣性力距相平衡的未知外力距。性力距相平衡的未知外力距。3. 動(dòng)態(tài)靜力分析動(dòng)態(tài)靜力分析 但對高速及重型機(jī)械，慣性力的影響很大，不允許忽略。力但對高速及重型機(jī)械，慣性力的影響很大，不允許忽略。力分析時(shí)，可根據(jù)理論力學(xué)中的達(dá)朗貝爾原理將各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過分析時(shí)，可根據(jù)理

16、論力學(xué)中的達(dá)朗貝爾原理將各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力（或力矩）視為一般外力（或力矩）加于程中所產(chǎn)生的慣性力（或力矩）視為一般外力（或力矩）加于產(chǎn)生慣性力的各構(gòu)件上，然后仍按靜力分析方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行力產(chǎn)生慣性力的各構(gòu)件上，然后仍按靜力分析方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行力分析計(jì)算，這種力分析方法稱之為動(dòng)態(tài)靜力分析法。分析計(jì)算，這種力分析方法稱之為動(dòng)態(tài)靜力分析法。 對于低速輕型的機(jī)械，慣性力影響不大，可在不計(jì)慣性對于低速輕型的機(jī)械，慣性力影響不大，可在不計(jì)慣性力的條件下對機(jī)械進(jìn)行力分析，稱之為靜力分析。力的條件下對機(jī)械進(jìn)行力分析，稱之為靜力分析。（4）根據(jù)機(jī)構(gòu)或構(gòu)件的力系平衡原理，在已知以上各種力的）根據(jù)機(jī)構(gòu)或構(gòu)

17、件的力系平衡原理，在已知以上各種力的基礎(chǔ)上，可求出機(jī)構(gòu)所需的平衡力（或力矩）。平衡力（或力基礎(chǔ)上，可求出機(jī)構(gòu)所需的平衡力（或力矩）。平衡力（或力矩）若作用在原動(dòng)件上就是驅(qū)動(dòng)力（或驅(qū)動(dòng)力矩），若作用在矩）若作用在原動(dòng)件上就是驅(qū)動(dòng)力（或驅(qū)動(dòng)力矩），若作用在從動(dòng)件上就是阻力（或阻力矩）。從動(dòng)件上就是阻力（或阻力矩）。機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析可按以下步驟進(jìn)行：機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析可按以下步驟進(jìn)行：（1）已知機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件的尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及質(zhì)心）已知機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件的尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及質(zhì)心的位置。若設(shè)計(jì)新的機(jī)械，也要首先估算出以上參數(shù)。的位置。若設(shè)計(jì)新的機(jī)械，也要首先估算出以上參數(shù)。（2）根據(jù)運(yùn)動(dòng)分

18、析求得運(yùn)動(dòng)副和質(zhì)心等點(diǎn)的位置、速度和加速）根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析求得運(yùn)動(dòng)副和質(zhì)心等點(diǎn)的位置、速度和加速度以及各構(gòu)件的角速度和角加速度。度以及各構(gòu)件的角速度和角加速度。（3）計(jì)算出各構(gòu)件的慣性力和運(yùn)動(dòng)副約束反力。若計(jì)摩擦?xí)r，）計(jì)算出各構(gòu)件的慣性力和運(yùn)動(dòng)副約束反力。若計(jì)摩擦?xí)r，還應(yīng)分析計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)副中考慮摩擦?xí)r的約束反力。還應(yīng)分析計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)副中考慮摩擦?xí)r的約束反力。二、桿組法二、桿組法自學(xué)，參見教材。自學(xué)，參見教材。三、運(yùn)動(dòng)副的摩擦及計(jì)及摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析三、運(yùn)動(dòng)副的摩擦及計(jì)及摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析1. 移動(dòng)副的摩擦與自鎖移動(dòng)副的摩擦與自鎖結(jié)論：結(jié)論：(1) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用在摩擦錐之外時(shí)當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用在摩擦錐之外時(shí) ,滑塊不能被推動(dòng)的原因是滑塊不能被推動(dòng)的原因是 驅(qū)動(dòng)力不夠大，而不是自鎖。驅(qū)動(dòng)力不夠大，而不是自鎖。 (2) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用于摩擦錐之內(nèi)時(shí)當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用于摩擦錐之內(nèi)時(shí) ,將產(chǎn)生自鎖。將產(chǎn)生自鎖。移動(dòng)副自鎖條件：移動(dòng)副自鎖條件：