机械设计基础第2版

1、书名：机械设计基础 第2版 isbn： 978-7-111-08526-3作者：胡家秀出版社：机械工业出版社本书配有电子课件高等职业教育机械类专业核心技术课程机械设计基础第三章 平面连杆机构 第三章 平面连杆机构第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化 第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几 个基本概念 第四节 平面四杆机构的设计第一节 概述第一节第一节 概述概述机构实例机构实例:内燃机内燃机、鹤式吊鹤式吊、火车轮火车轮、手动冲床手动冲床、牛头刨床牛头刨床、椭圆仪椭圆仪、机械手爪机械手爪等。等。特征特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。有一作平面运动的构件，称为连杆。 特点特点： 采用低副。面接

2、触、承载大、便于润滑、不易磨损采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富。可满足不同要求。连杆曲线丰富。可满足不同要求。定义定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。缺点：缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。设计复杂，

3、难以实现精确的轨迹。分类分类:平面连杆机构平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构常以构件数命名：如常以构件数命名：如四杆机构四杆机构、多杆机构。、多杆机构。本章重点内容是介绍本章重点内容是介绍四杆机构。四杆机构。一、平面四杆机构的基本型式一、平面四杆机构的基本型式: :基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，构件间联接都是转动副构件间联接都是转动副 。名词解释：名词解释：曲柄曲柄整周定轴回转的构件；整周定轴回转的构件；三种基本型式：三种基本型式：1 1、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构特征：特征：曲柄摇杆曲柄摇杆作用：作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。

4、如雷达天线、缝纫机踏板机构等。如雷达天线、缝纫机踏板机构等。连杆连杆作平面运动的构件；作平面运动的构件；连架杆连架杆与机架相联的构件；与机架相联的构件；摇杆摇杆作定轴摆动的构件；作定轴摆动的构件；曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化 设计：潘存云abc1243dabdc1243（2 2）双曲柄机构双曲柄机构特征特征：两个曲柄，：两个曲柄，1 1、3 3；作用作用：将等速回转转变为将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。回转。雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构应用实例应用实例：如如叶片泵、惯性筛叶片泵、惯性筛等。等。设计：潘存云缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构2143摇杆主

5、动摇杆主动3124曲柄主动曲柄主动设计：潘存云设计：潘存云a ad dc cb b1 12 23 34 4旋转式叶片泵旋转式叶片泵a ad dc cb b1 12 23 3abdc1234e6惯性筛机构惯性筛机构31设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云abcd耕地耕地料斗料斗dcab耕地耕地料斗料斗dcab实例：实例：火车轮火车轮特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构ab = cd特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行， 连杆作平动连杆作平动bc =adabdc摄影平台摄影平台adbcbc天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘

6、存云反平行四边形机构反平行四边形机构车门开闭机构车门开闭机构反向反向faedgbcabefdcg平行四边形机构在共线位置出现运动平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。不确定。采用两组机构错开排列采用两组机构错开排列。设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云abdce（3 3）双摇杆机构双摇杆机构特征：特征：两个摇杆两个摇杆应用举例：应用举例：铸造翻箱机构铸造翻箱机构、特例：特例：等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构 风扇摇头机构风扇摇头机构、bcabdc风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机abdceabdce电机电机abdc风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机abdc风扇座风扇座蜗轮

7、蜗轮蜗杆蜗杆abdc飞机起落架飞机起落架设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云(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二、四杆机构的演化形式二、四杆机构的演化形式偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构s=l sin l设计：潘存云(2)(2)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架偏心轮机构偏心轮机构导杆机构导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构314a2bc曲柄滑块机构

8、曲柄滑块机构314a2bc设计：潘存云设计：潘存云牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例:abdc1243c2c1小型插床小型插床abdce123456(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架acb1234设计：潘存云应用实例应用实例b234c1a自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构应用实例应用实例b34c1a2应用实例应用实例4a1b23c应用实例应用实例13c4ab2应用实例应用实例a1c234b314a2bc曲柄滑块机构曲柄滑块机构导杆机构导杆机构314a2bc摇块机构摇块机构314a2bc(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架314a2bc曲柄滑块机构曲柄滑块机构导杆机构导杆机

9、构314a2bc摇块机构摇块机构314a2bc314a2bc定块机构定块机构设计：潘存云手摇唧筒手摇唧筒bc3214aabc3214平面平面四杆机构四杆机构具有具有整转副整转副可能存在可能存在曲柄。曲柄。第三节第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念平面四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构中是否存在曲柄和有几个曲柄中是否存在曲柄和有几个曲柄 。曲柄存在的条件曲柄存在的条件：最长杆与最短杆的长度之和应最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和。其他两杆长度之和。连架杆杆与机架中必有一杆为最短杆。连架杆杆与机架中必

10、有一杆为最短杆。 1. 构件和条件：构件和条件：2. 最短杆条件最短杆条件:abcdl1l2l3l4一、铰链四杆机构存在曲柄的条件:作者：潘存云教授当满足构件和条件时，说明存在整转副，当选择不同当满足构件和条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如的构件作为机架时，可得不同的机构。如 曲柄摇杆曲柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。1. .平面四杆机构的极位平面四杆机构的极位在在曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称位于两个极限位置，简称极位极位。此两处

11、曲柄之间的夹角此两处曲柄之间的夹角 称为称为极位夹角极位夹角。设计：潘存云abcdb1c1ad180180c2b2二、平面四杆机构的运动特性二、平面四杆机构的运动特性两个极位间的夹角两个极位间的夹角，称为最大，称为最大摆角摆角。 设计：潘存云abcdb1c1ad180180c2b22. .急回特性急回特性当曲柄以当曲柄以逆时针转过逆时针转过180180+时，摇杆从时，摇杆从c1d位置位置摆到摆到c2d。 所花时间为所花时间为t1 , , 平均速度为平均速度为v1, ,那么有：那么有：/ )180(1t1211tccv )180/(21cc当曲柄以当曲柄以继续转过继续转过180180-时，摇杆从

12、时，摇杆从c2d,置摆到置摆到c1d，所所花时间为花时间为t2 , ,平均速度为平均速度为v2 , ,那么有：那么有： /)180(2t2212tccv )180/(21cc显然：显然：t t1 1 tt2 2 v v2 2 v v1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。设计：潘存云b1c1adc2180180-k称为称为行程速比系数行程速比系数。12vvk 18018021tt且且越大，越大，k值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 只要只要 0 ， 就有就有 kk111180kk设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定k值，于是值，于是: 121221

13、tcctcc设计：潘存云ff f”abcdcdbaff”f1. .压力角和传动角压力角和传动角从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的称为机构的压力角压力角，用，用表示。表示。 切向分力切向分力: f= fcos法向分力法向分力: f”= fsin f对传动有利对传动有利。=fsin称称为为传动角传动角。可用可用的大小来表示机构传动力的大小来表示机构传动力性能的好坏性能的好坏, ,三、平面四杆机构的传力特性三、平面四杆机构的传力特性=fcos当当 9090时，时， 设计时要求设计时要求: : minmin5050

14、minmin出现的位置：出现的位置：当当 9090时，时， 180180- - 此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。当当最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现minmin设计：潘存云ff f”abcdcdbaff”f设计：潘存云f2. .止点位置止点位置摇杆为主动件，且连杆与曲摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：柄两次共线时，有：此时机构不能运动。此时机构不能运动。避免措施：避免措施： 两组机构错开排列，如两组机构错开排列，如火车轮机构火车轮机构; ;称此位置为：称此位置为： “止点止点”0 0靠靠飞轮的惯性飞轮的惯性（如内燃机、

15、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。0 0f0 0设计：潘存云设计：潘存云工件工件abcd1234pabcd1234工件工件p钻孔夹具钻孔夹具=0=0tabdc飞机起落架飞机起落架abcd=0=0f也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。第四节第四节 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型机构选型根据给定的运动要求选择根据给定的运动要求选择 机构的类型；机构的类型；尺度综合尺度综合确定各构件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长长 度尺寸度尺寸)。设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法图解法、解析法、实验法设计：潘存云三类设计要求：三

16、类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构铸造翻箱机构。要求连杆在两个位置垂要求连杆在两个位置垂直地面且相差直地面且相差180 cbabdc飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。设计：潘存云qabcde设计：潘存云鹤式起重机鹤式起重机搅拌机构搅拌机构要求连杆上要求连杆上e点的轨点的轨迹为一条卵形曲线迹为一条卵形曲线要求连杆上要求连杆上e点的轨点的轨迹为一条水平直线迹为一条水平直线qcbade三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架

17、杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。3)满足预定的轨迹要求，如满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。鹤式起重机、搅拌机等。1、按给定的行程速比系数、按给定的行程速比系数k设计四杆机构设计四杆机构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构计算计算180(k-1)/(k+1);已知：已知：cd杆长，摆角杆长，摆角及及k，设计此机构。，设计此机构。 步骤如下：步骤如下：任取一点任取一点d d，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为cdcd，夹角为，夹角为;作作c2pc1c

18、2，作，作c1p使使作作p p c1c2的外接圆，则的外接圆，则a a点必在此圆上。点必在此圆上。选定选定a a，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: :以以a a为圆心，为圆心，a a c2为半径作弧交于为半径作弧交于e,e,得：得： l1 =ec1/ 2 l2 = a = a c1ec1/ 2,a,a c2= =l2- - l1 l1 =( a a c1a a c2)/ 2 c2c1p=90, ,交于交于p;p; a a c1= = l1+ +l2设计：潘存云e 90-pc1c2da一、图解法一、图解法设计：潘存云设计：潘存云admn=d2) 导杆机构导杆机构分析：分析

19、： 由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(k-1)/(k+1);(k-1)/(k+1);任选任选d d作作mdnmdn，取取a a点，使得点，使得ad=d, ad=d, 则则: : a=dsin(a=dsin(/2)/2)。=ad作角分线作角分线; ;已知：已知：机架长度机架长度d，k，设计此机构。，设计此机构。3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构已知已知k k，滑块行程，滑块行程h h，偏距，偏距e e，设计此机构。，设计此机构。设计：潘存云2、按预定连杆位置设计四杆机构、按预定连杆位置设计四杆机构1)给定连杆

20、两组位置给定连杆两组位置有唯一解。有唯一解。b2c2ad将铰链将铰链a、d分别选在分别选在b1b2，c1c2连连线的垂直平分线上任意位置都能满足线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。设计要求。2)给定连杆上铰链给定连杆上铰链bc的三组位置的三组位置有无穷多组解。有无穷多组解。adb2c2b3c3adb1c1b1c1设计：潘存云设计：潘存云按预定的运动轨迹设计四杆机构abcde14325 传送机构传送机构搅拌机构搅拌机构cbade6步进式步进式二、实验法二、实验法设计：潘存云abcdnem连杆作平面运动连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同其上各点的轨迹均不相同。b, c点的轨迹为圆弧点的轨

21、迹为圆弧; 其余各点的轨迹为一条其余各点的轨迹为一条 封闭曲线封闭曲线。设计目标设计目标: 就是要确定一组杆就是要确定一组杆长参数长参数, 使连杆上某点的轨迹满使连杆上某点的轨迹满足设计要求足设计要求。连杆曲线连杆曲线设计：潘存云连杆曲线图谱连杆曲线图谱设计：潘存云xyabcd1234三、解析法三、解析法给定连架杆对应位置：给定连架杆对应位置：构件构件3和和构件构件1满足以下位置关系：满足以下位置关系：l1l2l3l4建立坐标系建立坐标系, ,设构件长度为：设构件长度为：l1 、l2、l3、l4在在x,yx,y轴上投影可得：轴上投影可得：l1+l2=l3+l4机构尺寸比例放大时，不影响各构件相

22、对转角机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角. . l1 coc + l2 cos = l3 cos + l4 l1 sin + l2 sin = l3 sin i if (i i ) i =1, 2, 3n设计此四杆机构设计此四杆机构( (求各构件长度求各构件长度) )。令：令： l1 =1消去消去整理得：整理得：coscos l3 cos cos(- -) l3l4l42+ l32+1- l222l4p2代入移项得：代入移项得： l2 cos = l4 l3 cos cos 则化简为：则化简为：coccocp0 cos p1 cos( ) p2代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：l2 sin = l3 sin sin 令: p0p1coccoc1p0 cos1 p1 cos(1 1 ) p2coccoc2p0 cos2 p1