《汽車機械基礎》第13章-平面機構

第十三章平面機構13.1平面機構運動分析13.2平面連桿機構13.3凸輪機構第十三章平面機構學習目標：1.了解機構及運動副的概念；知道平面機構運動簡圖的繪制；2.掌握平面機構自由度的計算；3.熟練掌握鉸鏈四桿機構基本形式、演化及應用；4.掌握平面四桿機構的基本特性；5.熟悉凸輪機構的應用和分類；6.認識凸輪機構的工作過程及從動件的運動規(guī)律；13.1平面機構運動分析13.1.1機構的組成13.1.2運動副及分類13.1.3自由度及約束13.1.4機構運動簡圖及繪制13.1.5平面機構自由度的計算13.1.6平面機構具有確定運動的條件13.1.1機構的組成

1.構件－獨立的運動單元

零件

－獨立的制造單元定義：具有確定運動的運動鏈稱為機構。2.機構機架－作為參考系的構件，如機床床身、車輛底盤、飛機機身。原（主）動件－按給定運動規(guī)律運動的構件。從動件－其余可動構件。機構的組成：機構＝機架＋原動件＋從動件13.1.2運動副及分類1.定義：運動副－－兩個構件直接接觸組成的仍能產生某些相對運動的聯(lián)接。a)兩個構件、b)直接接觸、c)有相對運動三個條件缺一不可運動副元素－直接接觸的部分（點、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。2.按運動副元素分有：

1）高副(highpair)－點、線接觸，應力高。例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。2）低副(lowerpair)－面接觸，應力低。例如：轉動副（回轉副）、移動副。13.1.3自由度及約束定義：一個作平面運動的自由構件可以產生三個獨立運動。作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數（x，y,θ）才能唯一確定。經運動副相聯(lián)后，由于有約束，構件自由度會有變化：yx12yx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2運動副自由度數約束數回轉副1（θ）+2（x，y）=3移動副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3結論：構件自由度＝3－約束數13.1.4機構運動簡圖及繪制機構運動簡圖－用以說明機構中各構件之間的相對運動關系的簡單圖形。1.作用：1）表示機構的結構和運動情況。2）作為運動分析和動力分析的依據。2.機構運動簡圖應滿足的條件：

1）構件數目與實際相同；2）運動副的性質、數目與實際相符；3）運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構成比例。3.繪制機構運動簡圖思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運動傳遞路線，確定構件數目及運動副的類型，并用符號表示出來。順口溜：先兩頭，后中間，從頭至尾走一遍，數數構件是多少，再看它們怎相聯(lián)。步驟：1）運轉機械，搞清楚運動副的性質、數目和構件數目；2）測量各運動副之間的尺寸，選投影面（運動平面），繪制示意圖；3）按比例繪制運動簡圖；簡圖比例尺：μl=實際尺寸m/圖上長度mm4）檢驗機構是否滿足運動確定的條件。繪制圖13－7所示內燃機的機構運動簡圖。1）曲柄滑塊機構2）平面齒輪機構3）平面凸輪機構13.1.5平面機構自由度的計算活動構件數

n構件總自由度3×n低副約束數2×PL高副約束數1

×Ph

計算公式：F=3n－(2PL+Ph)由前述可知，曲軸4與齒輪4′、齒輪6′與凸輪6均都是固連成一個構件，因此該機構共有6個構件，即N＝6,n＝6－1＝5。另外，機構中有2個移動副、4個轉動副和2個高副，則PL＝6，PH＝2，由公式可得該機構的自由度F為F=3n－(2PL+Ph)=3×5-2×6-2=1自由度計算中的特殊問題12345678ABCDEF解：活動構件數n=7低副數PL=6高副數PH=0=9F=3n－2PL－PH=3×7－2×6－0計算結果肯定不對！構件數不會錯，肯定是低副數目搞錯了！1.復合鉸鏈－－兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯(lián)。計算：m個構件,有m-1個轉動副2.局部自由度在機構中不影響運動輸出與輸入關系的個別構件的獨立運動自由度稱為局部自由度。出現在加裝滾子的場合，計算時應去掉滾子和鉸鏈：F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。3.虛約束在機構中與其他約束重復而對運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。在計算自由度時應先去除虛約束。（1）重復移動副：兩構件組成多個移動方向相同的移動副時，其中只有一個是真實約束，其余的都是虛約束。（2）重復轉動副：兩構件組成多個軸線重合的轉動副時，其中只有一個是真實約束，其余的都是虛約束。（3）重復結構：機構中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分會形成虛約束。（4）重復軌跡：機構中某構件聯(lián)接點的軌跡與另一構件被聯(lián)接點的軌跡重合。13.1.6平面機構具有確定運動的條件定義：保證機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動數目稱為機構的自由度。

原動件－能獨立運動的構件。∵一個原動件只能提供一個獨立參數∴機構具有確定運動的條件為：自由度＝原動件數計算圖13—15所示大篩機構的自由度。圖13—15大篩機構

解：圖中滾子具有一個局部自由度，頂桿3與機架8在E和E′處組成兩個導路平行的移動副，其中一個為虛約束，C處為復合鉸鏈。現將滾子F與頂桿3視為一體，消除局部自由度，再去除掉移動副E和E′中的一個虛約束，C處復合鉸鏈含有二個轉動副。則可得該機構的可動件數n=7，PL＝9（其中有2個移動副、7個轉動副），PH＝1。由公式（13—1）可得該機構的自由度F為：F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1=213.2平面連桿機構13.2.1平面連桿機構的特點及應用13.2.2鉸鏈四桿機構13.2.3鉸鏈四桿機構類型的判別13.2.4鉸鏈四桿機構的演化13.2.5平面四桿機構的特性13.2.1平面連桿機構的特點及應用123ABC4A1B2C3D44A12B3C56DE全低副（面接觸），承受沖擊力，易潤滑，不易磨損運動副結構簡單，易加工運動規(guī)律多樣化、點的運動軌跡多樣化運動副累積誤差大，效率低慣性力難以平衡，不宜用于高速不能精確實現復雜的運動規(guī)律，設計計算較復雜13.2.2鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構各部分的名稱：構件機架相對固定連架桿曲柄搖桿整周回轉往復擺動連桿平面運動機架連桿連架桿連架桿1.曲柄搖桿機構ABCD3214特征：曲柄＋搖桿功能：連續(xù)轉動往復擺動雷達天線俯仰角調整機構汽車前窗的刮雨機構應用舉例2.雙曲柄機構鉸鏈四桿機構的兩個連架桿均為曲柄時，稱為雙曲柄機構。平行四邊形機構機車車輪聯(lián)動機構特性：▲兩曲柄同速同向轉動▲連桿作平動

3.雙搖桿機構鉸鏈四桿機構的兩個連架桿均為搖桿時，稱為雙搖桿機構。ABCD3214功能：往復擺動往復擺動應用舉例鶴式起重機13.2.3鉸鏈四桿機構類型的判別1.周轉副的條件：1)組成周轉副的兩構件之一為最短桿2)最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和——桿長條件lmin+lmax

l4+l3

最短桿兩端的轉動副均為周轉副；其余轉動副為擺轉副。2.曲柄存在條件：滿足桿長條件且連架桿或機架中必有一桿是最短桿。3.當鉸鏈四桿機構滿足桿長條件時，1）最短桿為連架桿時——曲柄搖桿機構2）最短桿為機架時——雙曲柄機構（含平行四邊形機構）3）最短桿為連桿時——雙搖桿機構當鉸鏈四桿機構不滿足桿長條件時

—雙搖桿機構

（無周轉副）13.2.4鉸鏈四桿機構的演化1.曲柄滑塊機構變搖桿為滑塊曲柄搖桿機構偏置曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構曲線導軌曲柄滑塊機構搖桿尺寸為無窮大e=02.導桿機構ABC3214導桿★轉動導桿機構導桿能—作整周轉動★擺動導桿機構—導桿在一定角度內擺動實例牛頭刨床3.搖塊機構ABC3214搖塊功能：連續(xù)轉動往復擺動應用實例自卸卡車4.定塊機構ABC3214直動導桿定塊功能：往復擺動往復移動314A2BC定塊機構ABC3214手搖唧筒13.2.5平面四桿機構的基本特性1.急回特性1）概念極位夾角

——當機構處于兩極位時，原動件所處兩個位置之間的夾角。極位——機構所處的兩個位置擺角φ——從動件兩極限位置所夾的角2）急回運動原動件作勻速轉動，從動件作往復運動的機構，從動件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的現象——急回運動a)曲柄轉過搖桿上C點擺過：所用時間：b)曲柄轉過搖桿上C點擺過：所用時間：c)設兩過程的平均速度為V1、V2：回程速度大于正行程速度。3）行程速比系數K為表明急回運動程度，用行程速度變化系數K(timeratio)來衡量，作為機構的基本運動特征參數。定義為反正行程速度比，即或：討論：當θ>0時，機構具有急回運動特性；θ

K

，急回運動特性愈顯著。2.壓力角和傳動角壓力角

(Pressureangle)——不考慮摩擦時，機構輸出構件上作用的力F與該力作用點的絕對速度方向所夾的銳角。傳動角

(Transmissionangle):

壓力角的余角機構常用傳動角大小及變化來衡量機構傳力性能的好壞。

(

)

F

機構傳動越有利一般要求：DCBF

VCDBCF3.死點——機構傳動角γ=0o(α=90o)的位置當機構處于死點位置時，整個機構無法運動。以往復運動構件為主動件的機構，通常存在死點。13.3凸輪機構13.3.1凸輪機構的組成和特點13.3.2凸輪機構的分類13.3.3凸輪機構的工作過程13.3.4從動件常用運動規(guī)律13.3.5凸輪機構的壓力角13.3.1凸輪機構的組成和特點由三個構件組成的一種高副機構凸輪cam：具有曲線輪廓或凹槽的構件從動件/從動件follower，運動規(guī)律由凸輪廓線和運動尺寸決定機架frame從動件凸輪1.按凸輪形狀分：盤形凸輪凸輪呈向徑變化的盤形結構簡單,應用最廣泛從動件凸輪從動件凸輪13.3.2凸輪機構的分類移動凸輪凸輪呈板型,直線移動圓柱凸輪,空間凸輪機構凸輪輪廓做在圓柱體上空間運動凸輪從動件2.按從動件形狀：尖頂從動件

尖頂始終能夠與凸輪輪廓保持接觸，可實現復雜的運動規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速滾子從動件耐磨、承載大，較常用平底從動件

接觸面易形成油膜，利于潤滑，常用于高速運動配合的凸輪輪廓必須全部外凸尖頂從動件滾子從動件平底從動件13.3.3凸輪機構的工作過程A從動件的運動規(guī)律是指從動件的位移、速度、加速度等隨時間t或凸輪轉角

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，推程運動角

1遠休止，遠休止角

2

回程，回程運動角

3

近休止，近休止角

4

行程（升程），h運動線圖:

從動件的位移、速度、加速度等隨時間t或凸輪轉角變化關系圖

1

2

3

4r0

1推程

2遠休止

3回程

4近休止t

s0BCD

hA’13.3.4從動件常用運動規(guī)律1.等速運動規(guī)律推程(0

1)運動方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運動線圖沖擊特性：始點、末點剛性沖擊適用場合：低速輕載hs

0

1v

0a

0-

DisplacementVelocityAcceleration

+