北京大学机械原理课件——连杆传动机构

北京大学机械原理课件连——杆传动机构本课程是北京大学机械工程学院的精品课程，作为机械设计基础的核心内容，系统介绍连杆机构的原理、分析与设计方法课程涵盖连杆机构的基础理论、结构分析、运动学特性、设计方法以及工程应用，为学生掌握机械设计的基本技能奠定坚实基础通过理论学习与实践相结合的教学模式，培养学生分析和解决复杂机械传动问题的能力，为后续专业课程学习做好准备课程概述1课程地位2教学目标连杆机构是机械设计基础中的重要组成部分，是理解复杂机培养学生掌握连杆机构的分析与设计方法，具备独立完成机械系统运动规律的基础，为学生深入学习机械设计奠定理论构运动学分析和基本设计的能力，培养工程思维和创新意基础识3主要内容4考核方式课程分为九个部分，从基础理论到前沿技术，涵盖机构分采用理论考试、课程设计、实验报告和平时作业相结合的综析、设计方法、仿真技术和工程应用等全方位内容合评价体系，注重理论与实践能力的平衡发展第一部分连杆机构基础定义与分类发展历程连杆机构是由刚性构件通过运动副连接形成的传动装置，具有确连杆机构的发展经历了从古代简单杠杆到现代复杂多连杆系统的定的运动关系和传动特性，是机械工程中最基础的传动形式之演进过程，在工业革命中发挥了重要作用一现代连杆机构广泛应用于汽车、机床、机器人等领域，是实现复根据不同的分类标准，连杆机构可以分为平面机构与空间机构、杂运动轨迹和力传递的重要手段单自由度与多自由度机构等多种类型连杆机构的定义基本构成运动特性连杆机构由多个刚性构件通过转连杆机构能够实现复杂的运动轨动副或移动副相互连接组成，形迹变换，将一种运动形式转换为成具有确定运动关系的传动系另一种运动形式，同时传递动力统和扭矩区别联系与齿轮传动、带传动等其他传动方式相比，连杆机构具有结构简单、制造成本低、运动轨迹可设计性强等优点连杆机构的分类方法按运动特性分按构件数量分按自由度分类类类单自由度机构具有根据机构输出端的常见的有四杆机确定的运动规律，运动形式，可分为构、六杆机构、八多自由度机构可实摆动输出、直线输杆机构等，构件数现更复杂的运动组出、复合运动输出量决定了机构的复合和路径规划等类型，满足不同杂程度和运动自由的工程需求度按应用场合分类根据应用领域不同，包括机床传动机构、汽车传动机构、航空机构等专用连杆机构设计平面连杆机构的类型曲柄滑块机构多杆机构实现旋转与直线运动转换六杆、八杆等复杂机构四杆机构对心曲柄滑块串联多杆机构••复合连杆机构最基本的连杆机构形式偏心曲柄滑块并联多杆机构••多个基本机构组合双曲柄机构•曲柄摇杆机构齿轮连杆组合••双摇杆机构凸轮连杆组合••2314连杆机构的演化基本四杆机构多杆机构衍生以铰链四杆机构为基础，通过改变杆长比例关系，可以通过增加构件和运动副的数量，基本四杆机构可以演化演化出不同的运动特性和传动比变化规律为复杂的多杆机构，实现更加复杂的运动轨迹1234滑块机构演化特殊功能机构当四杆机构中某一杆长趋于无穷大时，转动副退化为移根据特定的功能需求，演化出直线导引机构、间歇运动动副，形成曲柄滑块机构和各种导杆机构机构、变速比传动机构等专用连杆机构连杆机构的工程应用汽车发动机曲柄连杆机构是发动机的核心部件，将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，实现热能向机械能的转换连杆的设计直接影响发动机的功率输出、燃油经济性和运行平稳性机床导向机构在各类机床中，连杆机构用于实现工件或刀具的精确定位和导向运动通过精密的连杆设计，可以获得高精度的直线运动和复杂的加工轨迹工业机器人机器人的关节系统大量采用连杆结构，通过多个连杆的协调运动，实现机器人末端执行器在三维空间中的灵活定位和姿态调整家用电器洗衣机的搅拌机构、缝纫机的针杆传动、打印机的进纸机构等都采用了连杆传动原理，实现各种复杂的运动功能第二部分机构的结构分析自由度计算通过格律布勒公式和空间机构自由度计算方法，准确确定机构的运动自由度，为机构设计和分析提供理论基础构件运动副分析识别机构中的各种构件类型和运动副形式，建立完整的机构拓扑结构，为后续的运动学和动力学分析做准备运动简图绘制掌握标准的机构简图绘制方法，使用规范的符号系统表达机构的结构关系，提高工程图样的标准化水平机构的自由度物理意义1独立运动参数的数量平面机构公式2F=3n-2PL-PH空间机构计算3F=6n-5P1-4P2-3P3-2P4-P5约束分析4局部自由度与冗余约束处理实例计算5典型机构自由度分析方法自由度是机构学中的重要概念，它决定了机构运动的复杂程度和控制方式正确计算自由度是进行机构设计和分析的前提条件在实际计算中，需要特别注意局部自由度、冗余约束和虚约束等特殊情况的处理方法连杆机构的运动副转动副特性允许相对转动的运动副移动副特性允许相对滑动的运动副高副与低副点线接触与面接触的区别运动副是机构中构件之间的连接方式，决定了构件间的相对运动形式和约束关系转动副通过轴承实现，移动副通过导轨实现，而高副则通过齿轮啮合或凸轮接触实现运动副的设计质量直接影响机构的运动精度、传动效率和使用寿命在实际工程中，需要根据载荷大小、精度要求和使用环境选择合适的运动副类型机构简图的绘制标准符号尺寸标注采用国家标准规定的机构符号系统，确按照制图标准进行尺寸标注，包括杆保图样的规范性和通用性，便于工程技长、角度、距离等关键参数，为机构分术人员理解和交流析和制造提供准确信息典型示例坐标系建立通过典型连杆机构简图示例，掌握各种建立合理的坐标系统，便于进行运动学机构的标准绘制方法和表达技巧，培养和动力学计算，提高分析计算的效率和工程制图能力准确性约束分析方法6空间自由度刚体在空间中的独立运动参数数量3平面自由度刚体在平面内的独立运动参数数量2转动副约束平面转动副限制的自由度数量1移动副约束平面移动副限制的自由度数量约束分析是机构设计的重要环节，通过分析各种约束的性质和作用效果，可以准确确定机构的运动特性完全约束保证机构具有确定的运动，局部约束影响局部构件的运动，而冗余约束则可能影响机构的装配和运动精度第三部分四杆机构分析基本类型识别运动特性分析设计方法应用根据格拉索夫定理判断四杆机构的类型，通过数学建模和图解法分析四杆机构的位学习四杆机构的综合设计方法，包括函数掌握双曲柄、曲柄摇杆、双摇杆等不同机置、速度、加速度变化规律，掌握传动比生成、轨迹生成和刚体导引等不同设计要构的运动特性和应用场合计算和极位置分析方法求下的求解技术四杆机构的基本类型机构类型运动特征应用实例设计要点双曲柄机构两个曲柄均可搅拌器、风扇最短杆为机架完整转动传动曲柄摇杆机构一个曲柄转雨刷器、颚式最短杆为曲柄动，一个摇杆破碎机摆动双摇杆机构两个摇杆均作起重机、天平最短杆为连杆摆动运动平行四边形机对边平行且相平行尺、起重保持平行关系构等臂格拉索夫定理1定理表述在平面四杆机构中，如果各杆长度满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则机构中必有曲柄存在2数学表达设四杆长度分别为、、、，其中为最短杆，为最长杆，则当a bc da d时，机构存在曲柄a+d≤b+c3应用条件定理适用于由四个刚性杆件组成的平面机构，各运动副均为理想的转动副，不考虑间隙和摩擦的影响4判断方法首先确定最短杆和最长杆，然后验证格拉索夫条件，最后根据机架位置确定具体的机构类型四杆机构的传动角四杆机构的极位置极位置定义当曲柄与连杆共线时的位置极位夹角两极位置间的摇杆转角行程速比往返行程时间比值实际应用冲床、牛头刨床等快返机构极位置分析对于设计快速返回机构具有重要意义通过调整各杆的长度比例，可以获得不同的行程速度比，满足各种工艺要求在冲压设备中，快进慢退的运动特性可以提高生产效率四杆机构的运动分析位置分析建立位置矢量方程，通过几何关系或数值方法求解各构件的位置参数，确定机构在任意时刻的几何形态速度分析对位置方程求导得到速度方程，利用速度瞬心法或矢量多边形法分析各点的速度大小和方向加速度分析对速度方程再次求导获得加速度方程，分析各构件的角加速度和各点的切向、法向加速度分量计算方法图解法直观易懂适合定性分析，解析法精度高适合定量计算，计算机方法效率高适合复杂机构第四部分曲柄滑块机构曲柄滑块机构是连杆机构的重要分支，广泛应用于发动机、压缩机、冲床等设备中机构能够实现旋转运动与往复直线运动的相互转换，是动力机械和工作机械的核心传动部件通过分析其运动规律和受力特性，可以优化设计参数，提高机械性能曲柄滑块机构结构特点基本构件运动转换四杆关系机构由曲柄、连杆、滑块实现旋转运动与往复直线可视为四杆机构的特殊情和机架四个基本构件组运动的相互转换，曲柄的况，当其中一个构件的长成，通过三个转动副和一连续旋转驱动滑块作往复度趋于无穷大时，转动副个移动副相互连接，形成直线运动，或滑块的往复退化为移动副，形成曲柄单自由度传动系统运动驱动曲柄旋转滑块机构结构形式包括对心曲柄滑块机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构等多种结构形式，适应不同的工程应用需求曲柄滑块机构的行程分析行程计算杆长关系滑块的行程等于曲柄半径的两曲柄长度决定滑块行程，连杆长倍，即对于偏置机构，度影响滑块运动的平稳性连杆H=2R行程计算需要考虑偏距的影响，越长，滑块运动越接近简谐运计算更加复杂动，振动越小行程优化根据工艺要求确定合理的行程长度，通过调整曲柄半径实现行程调节，在满足功能前提下尽量减小机构尺寸曲柄滑块机构的速度分析速度方程矢量图解建立滑块速度与曲柄角速度的关系方利用速度矢量多边形法求解各构件的速程，考虑连杆的摆动对滑块速度的影度，通过几何作图直观显示速度的大小响，得到完整的运动学方程和方向变化规律计算机分析瞬心法采用数值计算方法进行精确的速度分利用速度瞬心的概念简化速度分析过析，编写专用程序实现复杂机构的自动程，快速确定各构件上任意点的速度，化运动学计算提高分析效率曲柄滑块机构的加速度分析加速度方程推导1完整的数学建模过程切向与法向加速度2分解各构件的加速度分量柯氏加速度3相对运动产生的加速度动力学应用4惯性力计算与平衡分析工程意义5振动分析与结构设计加速度分析是动力学计算的基础，通过准确计算各构件的加速度，可以进一步分析惯性力的大小和方向在高速运转的机械中，惯性力往往是主要的载荷来源，必须在设计中充分考虑曲柄滑块机构的力分析力传递关系分析各构件间的力传递路径和受力情况，建立完整的静力学平衡方程，确定各运动副的反力大小和方向压力角变化研究连杆与滑块间压力角的变化规律，分析其对传动效率和运动平稳性的影响，优化机构的传力性能动力学平衡考虑惯性力的影响，建立动力学平衡方程，分析高速运转时的动态特性和平衡质量的配置方法摩擦与效率分析各运动副的摩擦损失，计算机构的传动效率，研究润滑和材料选择对机构性能的影响第五部分连杆机构的设计方法参数综合方案选择运用系统的设计方法确定机构的尺寸参需求分析根据功能要求选择合适的机构类型和拓扑数，满足运动学和动力学性能要求，实现深入分析用户的功能需求、性能指标和约结构，进行多方案比较分析，确定最优的设计目标的最优化束条件，明确设计目标和技术规范，为后设计方案续设计工作奠定基础设计要求与指标体系三点近似法1234基本原理设计步骤精度分析实例应用通过三个精确点来近似拟选择三个关键设计点，建评估近似方法的误差大通过典型设计实例展示方合所需的函数关系，适用立几何约束方程，求解机小，分析误差的分布规法的应用过程，验证设计于对精度要求不太高的工构参数，验证设计结果的律，确定方法的适用范围结果，总结设计经验和技程应用场合可行性和局限性巧精确点位法1数学基础基于复数理论和矢量代数建立精确的数学模型，能够处理多个精确位置的综合设计问题，提供更高的设计精度2方程建立根据给定的位置要求建立非线性方程组，每个位置对应一组约束方程，方程数量与未知参数数量相匹配3多位置综合同时满足多个位置要求的综合设计方法，通过增加约束条件提高设计精度，但也增加了求解的复杂性4求解策略采用数值迭代方法求解非线性方程组，需要合理选择初值和迭代算法，确保收敛到正确的解最优化设计方法目标函数建立约束条件确定根据设计要求建立合适的目标函数，可以是单目标优化或多目标包括几何约束、运动学约束、动力学约束和制造约束等多种类优化问题常见的目标包括最小化机构尺寸、最大化传动效率、型约束条件的完整性和准确性是获得可行设计方案的关键最小化振动等在实际应用中，约束条件往往相互耦合，需要综合考虑各种约束目标函数的选择直接影响优化结果的工程实用性，需要充分考虑的相互影响关系实际应用的核心需求第六部分特殊连杆机构直线导引机构间歇运动机构复合连杆机构通过巧妙的连杆组合实现精确的直线运实现周期性的停歇运动，在连续输入的情由多个基本连杆机构组合而成，能够实现动，在没有直线导轨的情况下获得高精度况下产生间歇输出，适用于分度、定位、更加复杂的运动轨迹和功能要求，在现代的直线轨迹，广泛应用于精密测量和加工输送等需要周期性停顿的工业应用自动化设备中发挥重要作用设备中直线导引机构间歇运动机构日内瓦机构棘轮机构工作原理简单可靠单向间歇传动精确分度定位防逆转功能••运动平稳调节方便••结构紧凑成本低廉••应用要点间歇齿轮选型与设计原则高精度分度传动分度精度要求传动比准确••运动周期匹配承载能力强••载荷特性分析适用高速••复合连杆机构形成方法基本机构的串联或并联组合结构特点多自由度和复杂运动轨迹自由度分析复合机构的运动学计算方法复合连杆机构通过将多个基本机构进行巧妙组合，可以实现单一机构难以完成的复杂功能在设计时需要综合考虑各个子机构的运动协调性和整体性能优化现代工业机器人和自动化生产线中大量采用复合连杆机构，通过计算机控制实现精确的多维运动，大大提高了生产效率和产品质量空间连杆机构空间运动分析1六自由度运动描述RRSS机构2转动-转动-球面-球面机构常见结构3球面四杆机构、空间曲柄机构自由度计算4空间机构自由度公式应用设计应用5机器人腕部、万向节等装置空间连杆机构能够实现三维空间中的复杂运动，在机器人技术、航空航天和精密机械中有重要应用设计空间机构需要运用空间几何学和运动学理论，分析方法比平面机构更加复杂第七部分连杆机构的运动学仿真三维建模参数化几何模型构建运动仿真动态运动过程模拟结果分析运动学参数提取分析虚拟样机数字化产品开发计算机仿真技术已成为现代机构设计不可缺少的工具通过建立精确的数学模型和物理模型，可以在产品制造之前验证设计方案的可行性，大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本连杆机构的参数化建模10设计参数典型连杆机构的主要设计参数数量6约束类型几何约束的主要类别数量3自由度平面连杆机构的运动自由度95%设计效率参数化建模相比传统方法的效率提升参数化建模是现代CAD技术的重要组成部分，通过建立参数与几何形状之间的关联关系，实现设计的智能化和自动化在连杆机构设计中，参数化建模能够快速生成不同尺寸的机构方案，便于优化设计和系列化开发运动学仿真软件介绍软件名称主要功能适用领域技术特色多体动力学仿汽车、机械强大的求解器Adams真数值计算与分学术研究丰富的工具箱MATLAB析运动仿真分析机械设计集成环境SolidWorks CADMotion自主开发工具专用分析功能教学科研定制化程度高仿真结果分析方法位移曲线分析速度加速度评估传动角变化规律通过位移时间曲线分分析速度和加速度的监测传动角在整个运-析机构的运动规律，变化特性，识别突变动周期内的变化，确识别运动的周期性、点和极值，评估机构保传动角始终保持在连续性和平稳性，评的动态性能和振动特合理范围内，避免机估机构是否满足预期性，为动力学设计提构出现卡死或传动效的运动要求供依据率过低的问题动态干涉检查检查机构在运动过程中各构件之间是否存在碰撞干涉，确保机构能够正常工作，避免设计缺陷导致的机械故障虚拟样机技术数字孪生概念虚拟装配建立物理产品的完整数字化映射，实现在数字环境中进行产品装配验证，检查虚拟与现实的实时同步，为产品全生命装配工艺性和装配精度，优化装配流周期管理提供数字化支撑程，减少物理样机的制作成本虚实结合虚拟调试将虚拟仿真与物理试验相结合，形成完在虚拟环境中进行机构的参数调试和性整的产品开发和验证体系，提高产品设能优化，快速验证不同参数组合的效计的可靠性和市场竞争力果，提高设计效率。