《汽車機(jī)械基礎(chǔ)》第13章-平面機(jī)構(gòu)

第十三章平面機(jī)構(gòu)13.1平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析13.2平面連桿機(jī)構(gòu)13.3凸輪機(jī)構(gòu)第十三章平面機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副的概念；知道平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制；2.掌握平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算；3.熟練掌握鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本形式、演化及應(yīng)用；4.掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性；5.熟悉凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類；6.認(rèn)識(shí)凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；13.1平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析13.1.1機(jī)構(gòu)的組成13.1.2運(yùn)動(dòng)副及分類13.1.3自由度及約束13.1.4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及繪制13.1.5平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算13.1.6平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件13.1.1機(jī)構(gòu)的組成

1.構(gòu)件－獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元

零件

－獨(dú)立的制造單元定義：具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。2.機(jī)構(gòu)機(jī)架－作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛底盤(pán)、飛機(jī)機(jī)身。原（主）動(dòng)件－按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。從動(dòng)件－其余可動(dòng)構(gòu)件。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)＝機(jī)架＋原動(dòng)件＋從動(dòng)件13.1.2運(yùn)動(dòng)副及分類1.定義：運(yùn)動(dòng)副－－兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。a)兩個(gè)構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)三個(gè)條件缺一不可運(yùn)動(dòng)副元素－直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。2.按運(yùn)動(dòng)副元素分有：

1）高副(highpair)－點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。例如：滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副等。2）低副(lowerpair)－面接觸，應(yīng)力低。例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副）、移動(dòng)副。13.1.3自由度及約束定義：一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件可以產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。作平面運(yùn)動(dòng)的剛體在空間的位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。經(jīng)運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)后，由于有約束，構(gòu)件自由度會(huì)有變化：yx12yx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副1（θ）+2（x，y）=3移動(dòng)副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3結(jié)論：構(gòu)件自由度＝3－約束數(shù)13.1.4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖－用以說(shuō)明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形。1.作用：1）表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況。2）作為運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析的依據(jù)。2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖應(yīng)滿足的條件：

1）構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際相同；2）運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目與實(shí)際相符；3）運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置以及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu)成比例。3.繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖思路：先定原動(dòng)部分和工作部分（一般位于傳動(dòng)線路末端），弄清運(yùn)動(dòng)傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運(yùn)動(dòng)副的類型，并用符號(hào)表示出來(lái)。順口溜：先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少，再看它們?cè)跸嗦?lián)。步驟：1）運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械，搞清楚運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目和構(gòu)件數(shù)目；2）測(cè)量各運(yùn)動(dòng)副之間的尺寸，選投影面（運(yùn)動(dòng)平面），繪制示意圖；3）按比例繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；簡(jiǎn)圖比例尺：μl=實(shí)際尺寸m/圖上長(zhǎng)度mm4）檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否滿足運(yùn)動(dòng)確定的條件。繪制圖13－7所示內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。1）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2）平面齒輪機(jī)構(gòu)3）平面凸輪機(jī)構(gòu)13.1.5平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

n構(gòu)件總自由度3×n低副約束數(shù)2×PL高副約束數(shù)1

×Ph

計(jì)算公式：F=3n－(2PL+Ph)由前述可知，曲軸4與齒輪4′、齒輪6′與凸輪6均都是固連成一個(gè)構(gòu)件，因此該機(jī)構(gòu)共有6個(gè)構(gòu)件，即N＝6,n＝6－1＝5。另外，機(jī)構(gòu)中有2個(gè)移動(dòng)副、4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和2個(gè)高副，則PL＝6，PH＝2，由公式可得該機(jī)構(gòu)的自由度F為F=3n－(2PL+Ph)=3×5-2×6-2=1自由度計(jì)算中的特殊問(wèn)題12345678ABCDEF解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6高副數(shù)PH=0=9F=3n－2PL－PH=3×7－2×6－0計(jì)算結(jié)果肯定不對(duì)！構(gòu)件數(shù)不會(huì)錯(cuò)，肯定是低副數(shù)目搞錯(cuò)了！1.復(fù)合鉸鏈－－兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件,有m-1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副2.局部自由度在機(jī)構(gòu)中不影響運(yùn)動(dòng)輸出與輸入關(guān)系的個(gè)別構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)自由度稱為局部自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場(chǎng)合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉滾子和鉸鏈：F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1滾子的作用：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦。3.虛約束在機(jī)構(gòu)中與其他約束重復(fù)而對(duì)運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立限制作用的約束稱為虛約束。在計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)先去除虛約束。（1）重復(fù)移動(dòng)副：兩構(gòu)件組成多個(gè)移動(dòng)方向相同的移動(dòng)副時(shí)，其中只有一個(gè)是真實(shí)約束，其余的都是虛約束。（2）重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)副：兩構(gòu)件組成多個(gè)軸線重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)，其中只有一個(gè)是真實(shí)約束，其余的都是虛約束。（3）重復(fù)結(jié)構(gòu)：機(jī)構(gòu)中對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分會(huì)形成虛約束。（4）重復(fù)軌跡：機(jī)構(gòu)中某構(gòu)件聯(lián)接點(diǎn)的軌跡與另一構(gòu)件被聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合。13.1.6平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。

原動(dòng)件－能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?！咭粋€(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為：自由度＝原動(dòng)件數(shù)計(jì)算圖13—15所示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。圖13—15大篩機(jī)構(gòu)

解：圖中滾子具有一個(gè)局部自由度，頂桿3與機(jī)架8在E和E′處組成兩個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副，其中一個(gè)為虛約束，C處為復(fù)合鉸鏈?，F(xiàn)將滾子F與頂桿3視為一體，消除局部自由度，再去除掉移動(dòng)副E和E′中的一個(gè)虛約束，C處復(fù)合鉸鏈含有二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。則可得該機(jī)構(gòu)的可動(dòng)件數(shù)n=7，PL＝9（其中有2個(gè)移動(dòng)副、7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副），PH＝1。由公式（13—1）可得該機(jī)構(gòu)的自由度F為：F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1=213.2平面連桿機(jī)構(gòu)13.2.1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用13.2.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)13.2.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別13.2.4鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化13.2.5平面四桿機(jī)構(gòu)的特性13.2.1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用123ABC4A1B2C3D44A12B3C56DE全低副（面接觸），承受沖擊力，易潤(rùn)滑，不易磨損運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工運(yùn)動(dòng)規(guī)律多樣化、點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡多樣化運(yùn)動(dòng)副累積誤差大，效率低慣性力難以平衡，不宜用于高速不能精確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)計(jì)算較復(fù)雜13.2.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各部分的名稱：構(gòu)件機(jī)架相對(duì)固定連架桿曲柄搖桿整周回轉(zhuǎn)往復(fù)擺動(dòng)連桿平面運(yùn)動(dòng)機(jī)架連桿連架桿連架桿1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD3214特征：曲柄＋搖桿功能：連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)雷達(dá)天線俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)汽車前窗的刮雨機(jī)構(gòu)應(yīng)用舉例2.雙曲柄機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿均為曲柄時(shí)，稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)特性：▲兩曲柄同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)▲連桿作平動(dòng)

3.雙搖桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿均為搖桿時(shí)，稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。ABCD3214功能：往復(fù)擺動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)應(yīng)用舉例鶴式起重機(jī)13.2.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別1.周轉(zhuǎn)副的條件：1)組成周轉(zhuǎn)副的兩構(gòu)件之一為最短桿2)最短桿長(zhǎng)度+最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度≤其余兩桿長(zhǎng)度之和——桿長(zhǎng)條件lmin+lmax

l4+l3

最短桿兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)副均為周轉(zhuǎn)副；其余轉(zhuǎn)動(dòng)副為擺轉(zhuǎn)副。2.曲柄存在條件：滿足桿長(zhǎng)條件且連架桿或機(jī)架中必有一桿是最短桿。3.當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)，1）最短桿為連架桿時(shí)——曲柄搖桿機(jī)構(gòu)2）最短桿為機(jī)架時(shí)——雙曲柄機(jī)構(gòu)（含平行四邊形機(jī)構(gòu)）3）最短桿為連桿時(shí)——雙搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)

—雙搖桿機(jī)構(gòu)

（無(wú)周轉(zhuǎn)副）13.2.4鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)變搖桿為滑塊曲柄搖桿機(jī)構(gòu)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲線導(dǎo)軌曲柄滑塊機(jī)構(gòu)搖桿尺寸為無(wú)窮大e=02.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)ABC3214導(dǎo)桿★轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿能—作整周轉(zhuǎn)動(dòng)★擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)—導(dǎo)桿在一定角度內(nèi)擺動(dòng)實(shí)例牛頭刨床3.搖塊機(jī)構(gòu)ABC3214搖塊功能：連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)應(yīng)用實(shí)例自卸卡車4.定塊機(jī)構(gòu)ABC3214直動(dòng)導(dǎo)桿定塊功能：往復(fù)擺動(dòng)往復(fù)移動(dòng)314A2BC定塊機(jī)構(gòu)ABC3214手搖唧筒13.2.5平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性1.急回特性1）概念極位夾角

——當(dāng)機(jī)構(gòu)處于兩極位時(shí)，原動(dòng)件所處兩個(gè)位置之間的夾角。極位——機(jī)構(gòu)所處的兩個(gè)位置擺角φ——從動(dòng)件兩極限位置所夾的角2）急回運(yùn)動(dòng)原動(dòng)件作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的現(xiàn)象——急回運(yùn)動(dòng)a)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)搖桿上C點(diǎn)擺過(guò)：所用時(shí)間：b)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)搖桿上C點(diǎn)擺過(guò)：所用時(shí)間：c)設(shè)兩過(guò)程的平均速度為V1、V2：回程速度大于正行程速度。3）行程速比系數(shù)K為表明急回運(yùn)動(dòng)程度，用行程速度變化系數(shù)K(timeratio)來(lái)衡量，作為機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)。定義為反正行程速度比，即或：討論：當(dāng)θ>0時(shí)，機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動(dòng)特性；θ

K

，急回運(yùn)動(dòng)特性愈顯著。2.壓力角和傳動(dòng)角壓力角

(Pressureangle)——不考慮摩擦?xí)r，機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件上作用的力F與該力作用點(diǎn)的絕對(duì)速度方向所夾的銳角。傳動(dòng)角

(Transmissionangle):

壓力角的余角機(jī)構(gòu)常用傳動(dòng)角大小及變化來(lái)衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞。

(

)

F

機(jī)構(gòu)傳動(dòng)越有利一般要求：DCBF

VCDBCF3.死點(diǎn)——機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角γ=0o(α=90o)的位置當(dāng)機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)無(wú)法運(yùn)動(dòng)。以往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件為主動(dòng)件的機(jī)構(gòu)，通常存在死點(diǎn)。13.3凸輪機(jī)構(gòu)13.3.1凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)13.3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類13.3.3凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程13.3.4從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律13.3.5凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角13.3.1凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)由三個(gè)構(gòu)件組成的一種高副機(jī)構(gòu)凸輪cam：具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件從動(dòng)件/從動(dòng)件follower，運(yùn)動(dòng)規(guī)律由凸輪廓線和運(yùn)動(dòng)尺寸決定機(jī)架frame從動(dòng)件凸輪1.按凸輪形狀分：盤(pán)形凸輪凸輪呈向徑變化的盤(pán)形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用最廣泛從動(dòng)件凸輪從動(dòng)件凸輪13.3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類移動(dòng)凸輪凸輪呈板型,直線移動(dòng)圓柱凸輪,空間凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓做在圓柱體上空間運(yùn)動(dòng)凸輪從動(dòng)件2.按從動(dòng)件形狀：尖頂從動(dòng)件

尖頂始終能夠與凸輪輪廓保持接觸，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速滾子從動(dòng)件耐磨、承載大，較常用平底從動(dòng)件

接觸面易形成油膜，利于潤(rùn)滑，常用于高速運(yùn)動(dòng)配合的凸輪輪廓必須全部外凸尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件13.3.3凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程A從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律基圓(以凸輪輪廓最小向徑所作的圓)，基圓半徑r0推程，推程運(yùn)動(dòng)角

1遠(yuǎn)休止，遠(yuǎn)休止角

2

回程，回程運(yùn)動(dòng)角

3

近休止，近休止角

4

行程（升程），h運(yùn)動(dòng)線圖:

從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角變化關(guān)系圖

1

2

3

4r0

1推程

2遠(yuǎn)休止

3回程

4近休止t

s0BCD

hA’13.3.4從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程(0

1)運(yùn)動(dòng)方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：始點(diǎn)、末點(diǎn)剛性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載hs

0

1v

0a

0-

DisplacementVelocityAcceleration

+