第8章 平面连杆机构及其设计

1、第8章 平面连杆机构及其设计 8-1 8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 8-2 8-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 8-3 8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识 8-4 8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 8-5 8-5 多杆机构多杆机构 8-1 8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 n由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称 为为连杆机构连杆机构，又称为，又称为平面低副机构。平面低副机构。 四杆机构 摆动导杆机构 n抽油机中的连杆机构抽油机中的连杆机构 抽油机 内燃机中

2、的连杆机构内燃机中的连杆机构 内燃机 缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构 缝纫机 平面连杆机构的传动优点平面连杆机构的传动优点 n1 1）平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，）平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触， 压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨 损小。损小。 n2 2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条 件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到 不同的运动规律。不同的运动规律。 n3 3）通过改变各构件的相对长度可得到不同轨迹。

3、）通过改变各构件的相对长度可得到不同轨迹。 n4 4）制造方便易获得较高的精度。）制造方便易获得较高的精度。 n5 5）两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系）两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系 的，不需要力封闭。的，不需要力封闭。 平面连杆机构的缺点平面连杆机构的缺点 n1 1）不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹）不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹 的要求；当机构复杂时累计误差较大，同时的要求；当机构复杂时累计误差较大，同时 使机械效率降低，也影响其传动精度。使机械效率降低，也影响其传动精度。 n2 2）惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。）惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。

4、平面连杆机构设计的三类基本问题平面连杆机构设计的三类基本问题 1）实现构件给定位置）实现构件给定位置 2）实现已知运动规律）实现已知运动规律 3）实现已知运动轨迹）实现已知运动轨迹 平面连杆机构的运动设计方法：平面连杆机构的运动设计方法： 图解法：图解法：形象直观，形象直观，但精度较低但精度较低 解析法：解析法：设计精度高，设计精度高，但不直观。但不直观。 低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不 因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称 为低副运动的可逆性。为低副运动的可逆性。 补：低副运动的可逆性补：低副运动的

5、可逆性 8-2 8-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 1.1.四杆机构的基本型式四杆机构的基本型式 铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运 动副均为动副均为转动副转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。时的四杆机构为铰链四杆机构。 构件名称构件名称 连架杆连架杆：与机架相连的构件称为连架杆。：与机架相连的构件称为连架杆。 连架杆连架杆 机架机架 连架杆连架杆 连杆连杆 机架机架：固定不动的构件称为机架。：固定不动的构件称为机架。 连杆连杆：不直接与机架相连的构件称为连杆。：不直接与机架相连的构件称为连杆。 四杆机构 整转副（周转副）整转副

6、（周转副）组成转动副的两构件能作整周相对转动的运组成转动副的两构件能作整周相对转动的运 动副。动副。 摆动副（摆转副）摆动副（摆转副）组成转动副的两构件不能相对作整周转动的组成转动副的两构件不能相对作整周转动的 运动副。运动副。 能绕其轴线转能绕其轴线转360的的连架杆连架杆。 仅能绕其轴线作往复摆动的仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。连架杆。 曲柄曲柄 摇杆摇杆 连架杆连架杆 铰链四杆机构可分为三种基本型式：铰链四杆机构可分为三种基本型式： （1）曲柄摇杆机构：）曲柄摇杆机构：1个曲柄、个曲柄、1个摇杆个摇杆 （2）双曲柄机构：）双曲柄机构：2个曲柄个曲柄 （3）双摇杆机构：）双摇杆机构：2个

7、摇杆个摇杆 （1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构： 若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄， 另一为摇杆，则此四杆机构称为另一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机曲柄摇杆机 构。构。 曲柄摇杆 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用 雷达天线机构 搅拌机机构 （2 2）双曲柄机构）双曲柄机构 在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则 此四杆机构称为此四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构。 双曲柄机构 双曲柄机构的应用双曲柄机构的应用 惯性筛机构 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行

8、， 两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。 a.a.平行四边形机构：平行四边形机构： 平心四边行机构 平行四边形机构的应用平行四边形机构的应用 蒸汽机车驱动装置 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等， 但不平行但不平行(BC(BC与与AD)AD)，两曲柄转向相反（，两曲柄转向相反（ABAB与与 CDCD），称为反平行四边形机构。），称为反平行四边形机构。 b.b.反平行四边形机构：反平行四边形机构： 反平行四边形机构 车门开闭机构 （3 3）双摇杆机构）双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，若铰链四杆机构的两连

9、架杆均为摇杆， 则此四杆机构称为则此四杆机构称为双摇杆机构双摇杆机构。 双摇杆机构 双摇杆机构的应用双摇杆机构的应用 鹤式起重机机构 2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式 （1 1）改变构件的形状和运动尺寸）改变构件的形状和运动尺寸 （改变杆的相对长度，使转动副变为移动副）（改变杆的相对长度，使转动副变为移动副） n 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 C 3 A B 1 2 4 e 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 （ e 0)e 0) 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 (e = 0)(e = 0) 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 变连杆变连杆 为滑块为滑块 正弦机构正弦机构 双滑块

10、机构双滑块机构 连杆尺寸连杆尺寸 为无穷大为无穷大 从动件从动件3的位移与原的位移与原 动件动件1的转角成正比：的转角成正比： sin AB ls 移动副可认为是回移动副可认为是回 转中心在无穷远处转中心在无穷远处 的转动副演化而来的转动副演化而来 含两个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构 曲柄移动导杆机构（曲柄移动导杆机构（正弦机构） sinas 联轴器双转块机构 双滑块机构 双滑块机构应用双滑块机构应用 缝纫机针杆机构椭圆仪机构 l y 正切机构 y=l tg 偏心轮机构偏心轮机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构当曲柄当曲柄AB的尺寸较小时，由的尺寸较小时，由 于结构需要，常将曲柄作成几于结

11、构需要，常将曲柄作成几 何中心与回转中心不重合的圆何中心与回转中心不重合的圆 盘，称此圆盘为盘，称此圆盘为偏心轮偏心轮。 几何中心与回转中心间的距离几何中心与回转中心间的距离 称为称为偏心距，等于曲柄长。偏心距，等于曲柄长。 转动副转动副B的的 半径扩大超半径扩大超 过曲柄长过曲柄长 （2）改变运动副的尺寸（偏心轮机构）改变运动副的尺寸（偏心轮机构） 偏心轮机构 变化铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架 (0360) (0360) (360) (360)1 2 3 4 A B C D 双曲柄机构双曲柄机构 (0360) (0360) (360) (360)1 2 3 4 A B D C 双

12、摇杆机构双摇杆机构 (0360) (0360) (360) 1 2 3 4 A B C D (BC(ABBC) 转动导杆机构 （ABe ba+e b a e 当 e=0时 ba 2.行程速度变化系数行程速度变化系数 （1）. 机构极位（机构极位（极限位极限位 置）置）：曲柄回转一周，与连：曲柄回转一周，与连 杆两次共线，此时摇杆分别杆两次共线，此时摇杆分别 处于两个位置，称为机构极处于两个位置，称为机构极 位。位。 （2）. 极位夹角：机构在两极位夹角：机构在两 个极位时，原动件所处两个个极位时，原动件所处两个 位置之间所夹的锐角位置之间所夹的锐角称为极称为极 位夹角。位夹角。 实际上，极位夹

13、角不一定是实际上，极位夹角不一定是 锐角。锐角。一般一般K2，q q为锐角。为锐角。 （3）. 急回运动：急回运动： q180 121 DCDC q180 221 DCDC 1 2 1 t 2 t 曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢， 机构的这种运动性质称为急回运动。机构的这种运动性质称为急回运动。 摇杆摇杆C点平均速度点平均速度 2 v 1 v 曲柄摇杆机构急回 q q 0 0 2 1 2 1 121 221 1 2 180 180 / / t t tCC tCC v v K （4）. 行程速比系数行程速比系数K 为表明急回

14、运动程度，用反正行程速比系数为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量：来衡量： q q角愈大，角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著。值愈大，急回运动性质愈显著。 一般一般K2，q q为锐角为锐角 1 1- 180 0 K K q AB2 C2 B1 C1 e 2 1 q w1 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 00，没有急回运动，没有急回运动 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 0 0，有急回运动，有急回运动 对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较 对心曲柄滑块 偏置曲柄滑块 摆动导杆机构的急回运动摆动导杆机构的急回运动

15、A D B q= 1 2 w1 摆动导杆机构 有急回特性的机构：有急回特性的机构：部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、 摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构 无急回特性的机构：无急回特性的机构：正弦机构、对心曲柄滑块机构、平行四正弦机构、对心曲柄滑块机构、平行四 边形机构边形机构 机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。 注意：注意：急回具有方向性急回具有方向性 g Ft F Fn vc g A D B C B2 C2 max B1 C1 min 3.铰链四杆机构的传动角和死点铰链四

16、杆机构的传动角和死点 （1）压力角和传动角）压力角和传动角 机构压力角机构压力角 机构从动件上机构从动件上力的作用线与力作用点的绝对速力的作用线与力作用点的绝对速 度之间所夹的锐角度之间所夹的锐角，即机构在此位置的压力角，即机构在此位置的压力角 。 传动角传动角g g： 机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角。机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角。 g 90 机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。 5040 min g ；， ；， g g 设计时 g40 高速和大功率 g50 n机构在运转过程中，传动角机构在运转过程中，传动角

17、 随机构的位随机构的位 置不同而变化，为保证置不同而变化，为保证机构的传力效果，机构的传力效果， 40 min gg 压力角 bc adcb 2 )( arccos 222 1 g )90( 2 )( arccos 22 222 2 DCB bc adcb g 曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构： g gmin出现在曲柄与机出现在曲柄与机 架共线的两位置之一。架共线的两位置之一。 最小传动角的位置：最小传动角的位置： )90( 2 )( arccos180 22 222 2 DCB bc adcb g 或 ),min( 21min ggg b a e g gmin 补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为

18、曲柄时，补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时， g gmin出现出现 的位置。的位置。 b ea eax x b x arccos cos minmax g g g 最小。最大时，当 x （2）死点）死点 B1 C1 B2 C2 A D B C 曲柄摇杆机构：若以摇杆曲柄摇杆机构：若以摇杆CD为主动件，则当为主动件，则当连杆与连杆与 曲柄共线时曲柄共线时，机构传动角为零，这时，机构传动角为零，这时CD通过连杆作用于通过连杆作用于 从动件从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件 AB转动而转动而“顶死顶死”的现象，机构的这种位置称为死点。的

19、现象，机构的这种位置称为死点。 曲柄滑块机构的死点位置曲柄滑块机构的死点位置 出现死点位置的条件：出现死点位置的条件： （1）用有极限位置的构件作原动件；）用有极限位置的构件作原动件； （2）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。 判断下列机构中有没有死点位置。判断下列机构中有没有死点位置。 传动机构中使机构通过死点的措施：传动机构中使机构通过死点的措施： 措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其 中一个机构处于死点位置时，另一个并列机构不处于死点位置。中一个机构处于死点位置

20、时，另一个并列机构不处于死点位置。 措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法， 借惯性作用使机构闯过通过死点位置。借惯性作用使机构闯过通过死点位置。 机车车轮联动机构机车车轮联动机构 缝纫机脚踏板机构缝纫机脚踏板机构 利用死点实现特定工作要求的机构示例：利用死点实现特定工作要求的机构示例： 工件夹紧机构 飞机起落架机构 机构的极位和死点位置的关系：机构的极位和死点位置的关系： 是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同； 当原动件与连杆共线时为极位；当原动件与连杆共线时为极位； 当从动件与连杆共线时为死点。当从动

21、件与连杆共线时为死点。 4.铰链四杆机构的连杆曲线铰链四杆机构的连杆曲线 连杆平面上的每一点描述出一条曲线称为连杆曲线。连杆平面上的每一点描述出一条曲线称为连杆曲线。 搅拌机机构搅拌机机构 单直线形单直线形 拉胶片拉胶片 5.铰链四杆机构的运动连续性铰链四杆机构的运动连续性 指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置。指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置。 曲柄摇杆机构 例例1 1、连杆设计的基本问题、连杆设计的基本问题 8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 平面连杆机构设计的三类基本问题平面连杆机构设计的三类基本问题 1）满足预定的连杆位置要求）满足预定的连杆位

22、置要求 2）满足预定的运动规律要求）满足预定的运动规律要求 3）满足预定的轨迹要求）满足预定的轨迹要求 鹤式起重机机构鹤式起重机机构 搅拌机搅拌机 A B C D c12 b12 a. 分析分析几何特点：几何特点：活动铰活动铰 链轨迹圆上任意两点连线的链轨迹圆上任意两点连线的 垂直平分线必过回转中心垂直平分线必过回转中心 (固定铰链点固定铰链点)。 b. 设计设计 B1 B2 C1 C2 2、作图法设计四杆机构、作图法设计四杆机构 图解法：直观、简单、快捷。图解法：直观、简单、快捷。 解析法：精确，但不直观。解析法：精确，但不直观。 （1 1）按连杆预定的位置设计四杆机构）按连杆预定的位置设计

23、四杆机构 1 1）已知活动铰链中心的位置）已知活动铰链中心的位置 C1C2 B1 B2 b12 c12 A点所在线点所在线 D点所在线点所在线 A D 已知连杆两位置已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置已知连杆三位置 B2 A D C2C3 B3 b23 c23 C1 B1 b12 c23 唯一解唯一解 已知连杆四位置已知连杆四位置 无解无解 B2 C2C3 B3 C1 B1 C4 B4 2）. 已知固定铰链中心位置已知固定铰链中心位置 （连杆位置用连杆平面上任意两点表示）（连杆位置用连杆平面上任意两点表示） a. 问题问题（已知连杆位置及固定铰

24、链找活动铰链已知连杆位置及固定铰链找活动铰链采采 用转换机架法，把用转换机架法，把EF看做机架）看做机架） b. 相对运动分析相对运动分析 站在机架上看：站在机架上看：B点饶点饶A点点顺时针顺时针转动，转动，C点饶点饶 D点点顺时针顺时针转动。转动。 站在连杆上观察：站在连杆上观察：从位置从位置1到位置到位置2， C2 B2 E1 D F2 E2 F1 A B1 C1 ABC增大，增大， BCD减小，即减小，即A点饶点饶B点点顺时针顺时针转动，转动，D点饶点饶C点点顺时针顺时针转动。转动。 (avi) (avi) 连杆运动1连杆运动2 E1 F2 E2 F1 B1 C1 B2 C2 AD D

25、A 1 1 d12 a12 E1 F2 E2 F1 B1 C1 B2 C2 AD A 2 D 2 d12 a12 (avi) c. 设计设计 两对应位置两对应位置 E1 F2 E2 F1 B1 C1 B2 C2 AD D A 1 1 d12 a12 E1 AD E2 F1 F2 A1 D1 B1 C1 C2 B2 三对应位置三对应位置 E1 AD E2 F1 F2 C2 B2 F3 A2 D2 E3 B1 C1 a23 a12 d12 d23 设计步骤：设计步骤： 1. 连接连接E3A、F3D 、E2A、 F2D(或或E1A、F1D ）；）； 2. 刚化刚化E3F3DA 、E2F2DA(或或 E1F1DA)， 3.并将并将E3F3 和和E2F2分别分别 重合于重合于E1F1 ，得到，得到A3、 、 D3 和和 A2 、 、D2 点； 点； 5.连接连接AB1、DC1、B1C1、B1E1和和C1F1得所需机构。得所需机构。 4.连接连接AA2 、 、A2A3 、DD2 和 和D2D3 、 、并分别作其垂直平分线，得交点 并分别作其垂直平分线，得交点 B1和和C1； 6.根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。 A3 D3 A D 2 3 1 2 3 1 B1B2 B3 F1F2 F3 B22 B33 A D B1B2