南京理工大学机械原理chapter4Planarlinkagemechanismppt课件

1、theory of machines and mechanisms(机械原理)chapter1 introductionchapter2 structural analysis of planar mechanismschapter3 kinematic analysis of mechanismschapter4 planar linkage mechanismschapter 5 cam mechanismschapter 6 gear mechanismschapter 7 gear trainschapter 8 other mechanisms in common usechapte

2、r 9 balancing of machinerychapter 10 motion of mechanical systems and its regulationchapter 11 efficiency of machinechapter 4planar linkage mechanisms 本章重点：本章重点： 平面四杆机构的类型、平面四杆机构的类型、 基本知识和设计。基本知识和设计。本章难点：本章难点： 平面四杆机构的设计。平面四杆机构的设计。4.1 characteristics of planar linkage mechanisms 4.2 the types of four

3、-bar linkages4.3 characteristics analysis of four-bar linkages4.4 dimensional synthesis of four-bar linkages4.1 characteristics of planar linkage mechanisms all kinematic pairslower pairs 契贝谢夫四足机器人契贝谢夫四足机器人advantages: 1.the main advantage is their better ability to trap lubricant between enveloping

4、surface. (便于润滑、寿命长便于润滑、寿命长)the contact pressure is lower.2.the lower pairs are easy to manufacture.disadvantages:1.it is difficult to perform precision motion 2.low speed3.difficult to balanceso,the linkage is preferred for low speed and heavy load situation.4.2 the types of four-bar linkages4.2.1 t

5、he basic form of four-bar mechanism revolute four-bar mechanism铰链四杆机构铰链四杆机构 所有运动副均为转动副的机构所有运动副均为转动副的机构 side links(连架杆连架杆)1 &3coupler（连杆）（连杆）-2crank（曲柄）（曲柄）1 rocker（摇杆）（摇杆）3 (a) crank-rocker mechanism foot operated sewing machine雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构(b) double-crank mechanismif one crank rotates at a

6、constant speed, the other crank will rotate in the same direction at a varying(变化的变化的) speed.当主动曲柄匀速转动时，从动曲柄作变速转动。当主动曲柄匀速转动时，从动曲柄作变速转动。21ab4d3cunbalanced throw screen mechanism惯性筛机构惯性筛机构正平行四边形机构正平行四边形机构如天平称、机车联动机构、摄影如天平称、机车联动机构、摄影平台升降机构和播种料斗机构等。平台升降机构和播种料斗机构等。两曲柄等速转动两曲柄等速转动平行四边形机构：平行四边形机构：parallel-c

7、rank mechanism反平行四边形机构反平行四边形机构：两对杆长度相等，但不平行。：两对杆长度相等，但不平行。当以长边为机架时，两曲柄等速反向转动。用于当以长边为机架时，两曲柄等速反向转动。用于车门开闭机构，如图所示。车门开闭机构，如图所示。车门开闭机构动画车门开闭机构动画antiparallel-crank mechanism(c)double-rocker mechanism both side links are rockers.两连架杆都是摇杆。两连架杆都是摇杆。用于鹤式起重机和炉用于鹤式起重机和炉门开关机构等。门开关机构等。等腰梯形机构也是双摇杆机构等腰梯形机构也是双摇杆机构

8、应用：应用： 转向机构转向机构车辆的前轮转向车辆的前轮转向 飞机起落架飞机起落架abd124c34.2.2 variation (变异变异) of revolute four-bar mechanisms(1)replacing a revolute pair with a sliding pairslider-crank mechanism曲柄滑块机构曲柄滑块机构（偏距（偏距e e）e0e0，offset slider-crank mechanism偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构e=0e=0，centric slider-crank mechanism对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构用于冲

9、床、内燃机、空压机、曲柄压力机等机械中。sinabls sinusoid generator正弦机构正弦机构缝纫机的刺布机构缝纫机的刺布机构tanly tangent generator正切机构(2)taking different links as frame.-inversions 机架变换机架变换fully rotating revolute：a &b(整转副整转副)partially rotating revolute :c&d (摆动副摆动副)机构中任意两构件间的相对运动关系不因其中哪个是机构中任意两构件间的相对运动关系不因其中哪个是机架而变化。机架而变化。so,in

10、version of a mechanism in no way changes the type of revolute and the relative motion between its links.1234b2c3d41ab2c3d41ab2c3d41acrank-rockerdouble-crankdouble-rockercrank-rockercdabb23d41adouble-crankc1243double-rockerbacd1423bacdcrank-rockera）slider-crank mechanism曲柄滑块机构曲柄滑块机构abce1234(a)b) guid

11、e-bar mechanism导杆机构导杆机构if lbclaboscillating guide-bar mechanism 摆动导杆机构摆动导杆机构rotating guide-bar mechanism转动导杆机构转动导杆机构c)crank and oscillating block mechanism摇块机构摇块机构self-tipping vehicle自卸车辆自卸车辆 d)translating sliding-rod mechanism移动导杆机构或定块机构移动导杆机构或定块机构elliptic trammel椭圆规椭圆规正弦机构正弦机构含有两个移动副的情况：含有两个移动副的情况

12、：双滑块机构双滑块机构刺布机构刺布机构十字滑块机构十字滑块机构 oldham coupling 双滑块机构双滑块机构双转块机构双转块机构double rotating block(3)enlarging a revolute pairnote:enlarging a revolute pair in no way changes the motion relationship between any links.crank1-eccentric偏心轮偏心轮偏心轮机构多用于曲柄销承受较大冲击，曲柄较短，偏心轮机构多用于曲柄销承受较大冲击，曲柄较短，需要装在直轴中部的机器需要装在直轴中部的机器(4

13、)interchanging guide-bar and sliding block 变换导杆和滑块变换导杆和滑块aaaabbbbdddd4444abd4323333111112222 any link in a sliding pair can be drawn as a guide-bar, and the other link as a sliding block. the centre line of any sliding pair can be translated(平移平移) without changing any relative motion.4.3 characteris

14、tics analysis of four-bar linkages4.3.1 conditions for having a crank1bcdaa1b2d4bbc213c2c a+bc+d (1) dc+b-a a+dc+b (2)ce即曲柄存在的条件即曲柄存在的条件:ba+e 偏置偏置 ba 对心对心直角直角 ac2e： ac2ae a+be示示 例：例：(1)1510403030150410 不满足曲柄存在条件不满足曲柄存在条件25104030abdc(2)30250410双摇杆机构双摇杆机构满足曲柄存在条件满足曲柄存在条件根据机架不同来判定根据机架不同来判定曲柄存在条件可以理解为曲柄

15、存在条件可以理解为整转副存在条件：整转副存在条件：1.满足杆长之和条件，即存在满足杆长之和条件，即存在整转副；整转副；2.与最短杆相连的两个运动副与最短杆相连的两个运动副是整转副。是整转副。(1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(2) 双摇杆机构双摇杆机构(3) 双曲柄机构双曲柄机构雷达俯仰机构雷达俯仰机构鹤式起重机鹤式起重机惯性筛惯性筛(3)40100410满足整转副存在条件满足整转副存在条件双曲柄机构双曲柄机构正平行四边形机构、正平行四边形机构、反平行四边形机构反平行四边形机构当两曲柄当两曲柄长度相等长度相等abcd4.3.2 pressure angle 压力角压力角 and transmis

16、sion angle 传动角传动角neglect the friction force & gravity force不考虑摩擦力和重力不考虑摩擦力和重力 crank-rocker mechanism:input link-aboutput link-cdabcdfthe force applied to the cdf, direction: along to bcabcdfrfcvftthe velocity of point cvc , direction: vertical to cdabcdfrfcvftdefined as the pressure angle(压压力角力角

17、) of the mechanism at that position. the acute angle(锐角锐角) between the directions of the force f and the velocity of the point receiving(受到受到) the force on the follower issincosffftcossinfffn有效分力有效分力有害分力有害分力越小，越小，ftft越大，对机构传递越有利（效率高，不易自锁）越大，对机构传递越有利（效率高，不易自锁）传动角传动角 ：the complement of the pressure an

18、gle is transmission angle 压力角余角压力角余角bcdbcd时，090bcdbcd180900时，90平面连杆机构经常用平面连杆机构经常用衡量机构的传动质量（易于测量）衡量机构的传动质量（易于测量）越大，对机构传递越有利越大，对机构传递越有利机构不停地在运动，机构不停地在运动，和和不停在变化，为使机构不出不停在变化，为使机构不出现自锁和过大冲击现自锁和过大冲击越小，越小，越大，越大，f ft t越大，越大，对机构传递越有利（效率高，不易自锁）对机构传递越有利（效率高，不易自锁）4050abcdfrftfvcnote: and must be drawn on the d

19、riven link!4.3.3 toggle (肘节) positions and dead-points1.the limiting position c1d,c2d 如果曲柄如果曲柄 ab为主动件为主动件,转到极限位置时转到极限位置时,只用很小的力只用很小的力,可克服作用可克服作用在在cd上很大的力上很大的力.杠杆增力位置杠杆增力位置toggle position如果摇杆如果摇杆cd为主动件，曲柄的压力角为主动件，曲柄的压力角 0 90加在加在abab上的力通过铰链中心上的力通过铰链中心a,a,使从动件使从动件abab运动的有效运动的有效分力等于分力等于0.0.曲柄曲柄abab不能运动不

20、能运动死点位置死点位置dead-point2.2.死点位置的不利影响及克服死点位置的不利影响及克服运动不确定性运动不确定性运动突然停止运动突然停止, ,卡死卡死避免由死点处启动避免由死点处启动 运转时利用惯性通过运转时利用惯性通过死点死点 example: sewing machine dbacqbcadp2341工 件工件夹紧机构工件夹紧机构3.死点位置的应用死点位置的应用- in some circumstances(情情况况), the dead point is very useful. it can provide a self-locking(自锁自锁) feature(性能性能)

21、. landing mechanism in airplane飞机起落架飞机起落架轮子上的力将不能引起机构运动，力通过转动中心轮子上的力将不能引起机构运动，力通过转动中心d-d- - -dead position;需要收起落架时，转动需要收起落架时，转动cdcd即可。即可。原动件作匀速转动，从动件相对原动件作匀速转动，从动件相对机架作往复运动的机构，从动件机架作往复运动的机构，从动件正行程和反行程的平均速度不相正行程和反行程的平均速度不相等。这种特性称等。这种特性称急回运动急回运动特性。特性。4.3.4 quick return characteristics-急回特性急回特性crank :

22、rotate in a constant angle velocity driven links (rocker, slider) : the working strokeslower speed the return stroke faster speedquick-return mechanismv工作工作v回程回程，所以急回运动特性可缩短非生产时间，所以急回运动特性可缩短非生产时间，提高劳动生产率。例：牛头刨床机构提高劳动生产率。例：牛头刨床机构正行程：曲柄正行程：曲柄ab1ab2 ， 1， t1=1/1 摇杆摇杆c1dc2d， ， 3=/t1 慢慢反行程：曲柄反行程：曲柄ab2ab1，

23、 2(2 1) ， t2=2/1（t1） 摇杆摇杆c2dc1d， ， ”3=/t2快快kcoefficient of travel speed variation. k1 从动件行程速度变化系数。从动件行程速度变化系数。1trokef slower svelocity oe angular the averagtrokef faster svelocity oe angular the averagk/212112ttttkcrank acute angle between the two limiting positions 0，180011180kk越大，急回特性越显著越大，急回特性越显著

24、为极位夹角：为极位夹角：offset slider-crank mechanism偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构： 3.3.其他具有急回特性的机构其他具有急回特性的机构b12eb1ca11c22慢行程 if the driving crank ab rotates clockwise with constant angular velocity, the slider will take a longer time in its rightward(向右向右) stroke than in its leftward(向左向左) stroke. since =0o, an in-line(对心

25、对心) slider-crank mechanism has no quick-return characteristics. a1ca34e2bbcc1123oscillating guide-bar mechanism摆动导杆机构：摆动导杆机构： cab121b24.4 dimensional synthesis of four-bar linkages连杆机构的设计有二个任务：连杆机构的设计有二个任务：机构选型机构选型（称为型综合）（称为型综合）和和确定机构的尺寸确定机构的尺寸（称为尺度综合）。（称为尺度综合）。 usually, different problems will use

26、different methods. graphical method图解法图解法analytical method解析法解析法experimental method实验法实验法 dimensional synthesis(综合综合) of a mechanism is the determination of the kinematic dimensions necessary to achieve(获得获得) the required motion.固定铰链固定铰链 a、d ：活动铰链活动铰链 b、c ： 圆心圆心 圆或圆弧圆或圆弧图解设计问题图解设计问题作图求解各铰链中心的位置问题。作图

27、求解各铰链中心的位置问题。各铰链间的运动关系：各铰链间的运动关系：图解设计的基本原理图解设计的基本原理abcdbicii =1、2、neifi4.4.14.4.1、body guidance1、the fixed pivots have not been determined已知已知b b，c c及连杆的三个位置，及连杆的三个位置，设计设计该铰链四杆机构。该铰链四杆机构。bac1d3b12bc2c3 b点绕点绕a点点、c点绕点绕d点定轴转动点定轴转动 连接连接b1b2、b2b3； 作作b1b2、b2b3垂直平分线交于垂直平分线交于a点；点； 连接连接c1c2、c2c3； 作作c1c2、c2c3

28、垂直平分线交于垂直平分线交于d点。点。给出给出b、c三个位置，三个位置，a、d位置唯一位置唯一给出给出b、c二个位置，二个位置，a、d位置无穷位置无穷 （需加其他条件方可获得唯一解）（需加其他条件方可获得唯一解）2、 the fixed pivots have been determined已知已知a，d及连杆及连杆mn的三个位置，设计该铰链四杆机构。的三个位置，设计该铰链四杆机构。 接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆相对

29、于新机架的各个位置，即实现了相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置机构的倒置。 这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。置问题了。这种方法有时又称为反转法。这种方法有时又称为反转法。 为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作新机架新机架，而将其相对的杆视为，而将其相对的杆视为新连杆新连杆。机构的倒置原理机构的倒置原理 求解步骤动画求解步骤动画4.4.2 function generation 按给定两连架杆的位置设计四杆机构按给定两连架杆的位置设计四杆机构 目的

30、：求解出铰链目的：求解出铰链c。 引入转换机架的思想，采用反转法求得。引入转换机架的思想，采用反转法求得。 作作de1b2 de2b2，得，得b2； 作作de1b3 de3b3，得，得b3； 作作b1b2、b2b3的垂直平分线，的垂直平分线， 交点就是所求交点就是所求c1。 连杆长度：连杆长度： b=ul b1c1 摇杆长度：摇杆长度： c=ul d1c14.4.3 design of quick return mechanisms1、按、按k设计四杆机构设计四杆机构已知：曲柄摇杆机构，摇杆已知：曲柄摇杆机构，摇杆cd长度，摆角，长度，摆角，k设计此机构（确定设计此机构（确定a,曲柄和连杆长）

31、曲柄和连杆长） ad1b2b1c1b22cc 由由(1)式算出极位夹角式算出极位夹角； 任选任选d的位置，按已知条件作出的位置，按已知条件作出 摇杆极限位置摇杆极限位置dc1和和dc2; 作作c2c1oc1c2o90 得得c1o与与c2o交点交点o; 以以o为圆心，为圆心，oc1为半径作辅助圆，为半径作辅助圆， a点在圆弧上任选。点在圆弧上任选。11180kk baablablacac,21 2、 oscillating guide-bar mechanismknown: k (time ratio) lad(the frame)require: labdabccdcm4.4.4 path genaration 实现给定点的运动轨迹实现给定点的运动轨迹实验法实验法设计时确定设计时确定: 1、各杆的长度比例。、各杆的长度比例。2、描绘连杆曲线的点的位置、描绘连杆曲线的点的位置图谱法图谱法attentions (this chapter):the types of four-bar linkagesconditions for having a crankpressure angle and t