哈工大机械考研必备焦映厚机械原理连杆机构分析与设计备课

1、机机 械械 原原 理理主编主编 ：王知行：王知行 刘廷荣刘廷荣第三章第三章 连杆机构分析与综合连杆机构分析与综合哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学制作制作: :焦映厚焦映厚3-1 3-1 概概 述述 (Introduction)（1）由若干刚性构件用低副联接而成的机构）由若干刚性构件用低副联接而成的机构连杆机构又称为低副机构连杆机构又称为低副机构 空间连杆机构空间连杆机构 平面连杆机构平面连杆机构一、定义与分类一、定义与分类二、连杆机构的优点二、连杆机构的优点 承受载荷大，便于润滑；承受载荷大，便于润滑； 制造方便，易获得较高的精度；制造方便，易获得较高的精度； 两构件之间的接触靠几何封闭实现；两构

2、件之间的接触靠几何封闭实现； 较好实现多种运动规律和轨迹要求。较好实现多种运动规律和轨迹要求。三、连杆机构的缺点三、连杆机构的缺点 惯性力不易平衡惯性力不易平衡 不易精确实现各种运动规律不易精确实现各种运动规律 和轨迹要求和轨迹要求3-2 3-2 平面连杆机构的基本类型及其演化平面连杆机构的基本类型及其演化(Basica Type and Evolution of Planar Four-bar Linkage) 一、平面四杆机构的基本类型及应用一、平面四杆机构的基本类型及应用 (BasicaType and Application of Planar Four-bar Linkage) 曲柄

3、摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构基本类型：基本类型： 实际应用：实际应用： 机器人机器人1 机器人机器人2 机器人机器人3 机器人机器人4 机器人机器人5 机车车轮联动机构机车车轮联动机构 飞机起落架飞机起落架二、平面连杆机构的演化二、平面连杆机构的演化 (Evolution of Planar Four-bar Linkage) (1) 改变相对杆长，转动副演化成移动副改变相对杆长，转动副演化成移动副e1234ABCD41234ABCD4(2) 选不同构件作机架选不同构件作机架 变化铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架 变化单移动副机构的机架变化单移动副机

4、构的机架 变化双移动副机构的机架变化双移动副机构的机架图图3-25图图3-16图图3-22曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构1234ABCABC12343412CAB(a) 转动导杆机构转动导杆机构(b) 摆动导杆机构摆动导杆机构 (c) 移动导杆机构移动导杆机构 s1234ABCD123AB123AB44曲柄移动导杆机构曲柄移动导杆机构 （正弦机构）（正弦机构）双转块机构双转块机构双滑块机构双滑块机构3-3 3-3 曲柄存在条件曲柄存在条件 及几个基本概念及几个基本概念(Conditions of Crank Existence and Several Conceptions fo

5、r Planar Four- bar Linkage) 一、铰链四杆机构中有曲柄的条件一、铰链四杆机构中有曲柄的条件 (Condition of Crank Existence in Four-bar Linkage) 最短杆和最长杆之和最短杆和最长杆之和 小于等于小于等于 其它两杆长度之和其它两杆长度之和 最短杆是最短杆是连架杆连架杆或或机架机架 铰链四杆机构中有曲柄的条件铰链四杆机构中有曲柄的条件曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构二、压力角和传动角二、压力角和传动角(Pressure Angle & Transmission Angle)压力角：压力角：在铰链四杆机构中，

6、如果不在铰链四杆机构中，如果不考虑构件的惯性力和铰链中的摩擦力，考虑构件的惯性力和铰链中的摩擦力，则原动件则原动件AB通过连杆通过连杆BC作用到从动件作用到从动件CD上的力上的力F的作用线与力作用点的作用线与力作用点C点绝点绝对速度对速度vc所夹的锐角所夹的锐角称为称为压力角压力角传动角传动角：压力角的余角称为压力角的余角称为传动角传动角三、急回运动和行程速比系数三、急回运动和行程速比系数1. 极位夹角极位夹角(Extreme Position Angle) 当机构当机构从动件处于从动件处于两极限位置两极限位置时，主动件时，主动件曲柄在两相曲柄在两相应位置所夹应位置所夹的角的角2. 急回运动急

7、回运动(Quick-return Motion) 当曲柄当曲柄等速回转的等速回转的情况下，通情况下，通常把从动件常把从动件往复运动速往复运动速度快慢不同度快慢不同的运动称为的运动称为急回运动。急回运动。3. 行程速比系数行程速比系数K(Coefficent of Travel Speed Ratio) 通常把从通常把从动件往复运动件往复运动平均速度动平均速度的比值的比值(大于大于1)称为行程速称为行程速比系数，用比系数，用K表示。表示。从动件快速行程平均速度从动件快速行程平均速度从动件慢速行程平均速度从动件慢速行程平均速度K=11180KK180180=四、机构的死点位置四、机构的死点位置 (

8、Dead Point Position)1. 死点位置死点位置 所谓死点位置就是指从动件的传动角所谓死点位置就是指从动件的传动角等于等于0时机构所处的位置。时机构所处的位置。 2. 死点位置的应用死点位置的应用 钻床夹具钻床夹具 ，飞机起落架飞机起落架，火车轮火车轮1234从动件主动件AB2C2D0,180C1B103-4 3-4 平面连杆机构的运动分析平面连杆机构的运动分析1. 目的目的 位移分析可以：位移分析可以： 进行干涉校验进行干涉校验 确定从动件行程确定从动件行程 考查构件或构件上某点能否实现考查构件或构件上某点能否实现 预定位置变化的要求。预定位置变化的要求。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： 确定机构中从动件速度变化确定机构中从动件速度变化 是否满足工作要求。是否满足工作要求。 速度分析可以：速度分析可以： 计算惯性力不可缺少的前提条件。计算惯性力不可缺少的前提条件。 2. 运动分析的基本方法运动分析的基本方法 图解法图解法 解析法解析法 实验法实验法 二、用速度瞬心法对平面机构作速度分析二、用速度瞬心法对平面机构作速度分析1. 速度瞬心的定义速度瞬心的定义 相对作平面运动的两个构件上瞬时相对作平面运动的两个构件上瞬时相对速度等于零的点或绝对速度相等相对速度等于零的点或绝对速度相等的点的点(等速重合点等速重合点)，称为速度瞬心。，称为速度瞬心。

10、速度瞬心的个数速度瞬心的个数K：K=m(m-1)2 m-为机构中构件数为机构中构件数(包机架包机架)2. 瞬心位置的确定瞬心位置的确定 (1) 用定义确定用定义确定(2) 用三心定理确定用三心定理确定三心定理：三心定理：三个作平面平行运动的构件三个作平面平行运动的构件 的三个瞬心必在同一条直线上。的三个瞬心必在同一条直线上。3. 3. 速度瞬心在平面机构速度分析中的应用速度瞬心在平面机构速度分析中的应用铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构凸轮机构凸轮机构三、用解析法对平面连杆机构三、用解析法对平面连杆机构 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 建立数学模型建立

11、数学模型 视为质点系视为质点系 杆组法杆组法2. 杆组法杆组法(1) 同一构件上点的同一构件上点的 运动分析运动分析输入参数：输入参数：输出参数：输出参数：BxByBx By By Bx iljjjilBxByBxByByBxrB=rA+lijiABjiABlyylxxsincosA点的运动规律点的运动规律(2) RRRII级杆组级杆组的的 运动分析运动分析 xB yB xD yDBx By By Bx Dx Dy Dy Dx iljlCxCyCx Cy Cy Cx ijijijxB、yB，xD、yD输入参数：输入参数：输出参数：输出参数：rC=rB+li=rD+ljjjDiiBCjjDiiB

12、Clylyylxlxxsinsincoscos(2) RRPII级杆组级杆组的运动分析的运动分析BxByBx By By Bx 输入参数：输入参数：输入参数：输入参数：iljljjjKxKyKx Ky Ky Kx iiiDxDyDx Dy Dy Dx CxCyCx Cy Cy Cx SSSrC=rB+li=rK+lj +SjjjyiiBCjjjkiiBClSxlyylSxlxxcossinsinsincoscos例例1 如图所示的铰链四杆机构中，已知各杆长如图所示的铰链四杆机构中，已知各杆长lAB=100mm，lBC=300mm，lCD=250mm，lAD=200mm,曲柄曲柄AB的转速的转速

13、0 r/min。求在一个运动循环中构件求在一个运动循环中构件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 在图在图3-45所示的六杆机构中，已知各杆长所示的六杆机构中，已知各杆长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。求滑块。求滑块F点的位移、速度和加速度。点的位移、速度和加速度。3-5 3-5 平面连杆机构平面连杆机构 的力分析机械效率的力分析机械效率一、力分析的基本知识一、力分析的基本

14、知识1. 作用在机械上的力：作用在机械上的力： 驱动力驱动力: 驱使机械运动的力驱使机械运动的力 阻力阻力: 阻碍机械运动的力阻碍机械运动的力* 有害阻力有害阻力:指机械在运转过程中所受到的非生产性无用阻力指机械在运转过程中所受到的非生产性无用阻力* 有益阻力有益阻力:为了完成有益工作而必须克服的生产阻力为了完成有益工作而必须克服的生产阻力摩擦力摩擦力 既可以是驱动力，又可以是阻力既可以是驱动力，又可以是阻力2. 机构力分析的目的机构力分析的目的研究机构力分析有以下两个目的：研究机构力分析有以下两个目的：一是一是 确定机构运动副中的约束反力。确定机构运动副中的约束反力。二是二是 为保证原动件按

15、给定运动规律运动时需加在机械为保证原动件按给定运动规律运动时需加在机械上的平衡力（或平衡力矩）。上的平衡力（或平衡力矩）。所谓平衡力是指与作用在机械上的已知外力及惯性所谓平衡力是指与作用在机械上的已知外力及惯性力相平衡的未知外力。力相平衡的未知外力。所谓平衡力距是指与作用在机械上的已知外力距及惯所谓平衡力距是指与作用在机械上的已知外力距及惯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. 动态静力分析动态静力分析 但对高速及重型机械，惯性力的影响很大，不允许忽略。力但对高速及重型机械，惯性力的影响很大，不允许忽略。力分析时，可根据理论力学中的达朗贝尔原理将各构件在运动过分析时，可根据理

16、论力学中的达朗贝尔原理将各构件在运动过程中所产生的惯性力（或力矩）视为一般外力（或力矩）加于程中所产生的惯性力（或力矩）视为一般外力（或力矩）加于产生惯性力的各构件上，然后仍按静力分析方法对机构进行力产生惯性力的各构件上，然后仍按静力分析方法对机构进行力分析计算，这种力分析方法称之为动态静力分析法。分析计算，这种力分析方法称之为动态静力分析法。 对于低速轻型的机械，惯性力影响不大，可在不计惯性对于低速轻型的机械，惯性力影响不大，可在不计惯性力的条件下对机械进行力分析，称之为静力分析。力的条件下对机械进行力分析，称之为静力分析。（4）根据机构或构件的力系平衡原理，在已知以上各种力的）根据机构或构

17、件的力系平衡原理，在已知以上各种力的基础上，可求出机构所需的平衡力（或力矩）。平衡力（或力基础上，可求出机构所需的平衡力（或力矩）。平衡力（或力矩）若作用在原动件上就是驱动力（或驱动力矩），若作用在矩）若作用在原动件上就是驱动力（或驱动力矩），若作用在从动件上就是阻力（或阻力矩）。从动件上就是阻力（或阻力矩）。机构动态静力分析可按以下步骤进行：机构动态静力分析可按以下步骤进行：（1）已知机构结构及各构件的尺寸、质量、转动惯量以及质心）已知机构结构及各构件的尺寸、质量、转动惯量以及质心的位置。若设计新的机械，也要首先估算出以上参数。的位置。若设计新的机械，也要首先估算出以上参数。（2）根据运动分

18、析求得运动副和质心等点的位置、速度和加速）根据运动分析求得运动副和质心等点的位置、速度和加速度以及各构件的角速度和角加速度。度以及各构件的角速度和角加速度。（3）计算出各构件的惯性力和运动副约束反力。若计摩擦时，）计算出各构件的惯性力和运动副约束反力。若计摩擦时，还应分析计算出各运动副中考虑摩擦时的约束反力。还应分析计算出各运动副中考虑摩擦时的约束反力。二、杆组法二、杆组法自学，参见教材。自学，参见教材。三、运动副的摩擦及计及摩擦时机构的力分析三、运动副的摩擦及计及摩擦时机构的力分析1. 移动副的摩擦与自锁移动副的摩擦与自锁结论：结论：(1) 当驱动力作用在摩擦锥之外时当驱动力作用在摩擦锥之外时 ,滑块不能被推动的原因是滑块不能被推动的原因是 驱动力不够大，而不是自锁。驱动力不够大，而不是自锁。 (2) 当驱动力作用于摩擦锥之内时当驱动力作用于摩擦锥之内时 ,将产生自锁。将产生自锁。移动副自锁条件：移动副自锁条件：