四杆机构设计

1、设计：潘存云E 一、按给定的行程速比系数一、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。步骤如下：设计此机构。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C2PC1C2，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

2、,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; 90-P A A C1= = l1+ +l2DAC1C2设计：潘存云设计：潘存云ADmn=D2) 导杆机构导杆机构分析：分析： 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 A D = d , A

3、D = d , 则则 : : a=dsin(a=dsin(/2)/2)。=Ad作角分线作角分线; ;已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。，设计此机构。设计：潘存云E222ae3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H，偏，偏距距e e，设计此机构，设计此机构 。计算计算: 180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C1 C2 H H作射线作射线C1O O 使使C2C1O=90, , 以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作

4、射线C2O O使使C1C2 O=90。 作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。C1C29090-o9090-Al1 =EC2/ 2l2 = A = A C2EC2/ 2设计：潘存云二、按预定连杆位置设计四杆机构二、按预定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆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连线的垂直平分线上任意连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。位置都能满足设计要求。b)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。ADB2C2B3C3ADB1C1B

5、1C1刚化反转法刚化反转法 以以CD杆为机架时看到的四杆机构杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当的位置相当于把以于把以AD为机架时观察到的为机架时观察到的ABCD的位置刚化，以的位置刚化，以D轴为中心转过轴为中心转过 得到的。得到的。21 低副可逆性；低副可逆性； 机构在某一瞬时，各构机构在某一瞬时，各构件相对位置固定不变，件相对位置固定不变，相当于一个刚体，其形相当于一个刚体，其形状不会随着参考坐标系状不会随着参考坐标系不同而改变。不同而改变。第第 1 步：选步：选B点，以点，以 I 位置为参考位置，位置为参考位置，DF1 为机架为机架第第 2 步：用刚化反转法求出步：用刚化反转法求出

6、 B2、B3 的转位点的转位点第第 3 步：做中垂线，找步：做中垂线，找C1 点点第第 4 步：联接步：联接AB1C1D教学基本要求教学基本要求2. 能根据四杆机构存在曲柄的条件，熟练判断铰链能根据四杆机构存在曲柄的条件，熟练判断铰链 四杆机构的基本类四杆机构的基本类型。型。 1.了解组成铰链四杆机构的各构件的名称，熟悉铰了解组成铰链四杆机构的各构件的名称，熟悉铰 链四杆机构的等基本概念链四杆机构的等基本概念。3. 掌握按行程速比系数和给定连杆位置设计四杆机掌握按行程速比系数和给定连杆位置设计四杆机 构的作图法构的作图法 。重点与难点分析重点与难点分析本章重点本章重点：平面四杆机构的基本特性及

7、其设计平面四杆机构的基本特性及其设计；本章难点本章难点：用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构 。1.极位夹角极位夹角：机构中从动摇杆处于两极限位置时，机构中从动摇杆处于两极限位置时，原动曲柄的相应两原动曲柄的相应两位置之间所夹的锐角。位置之间所夹的锐角。 0 ，表示机构具有急回特性，且，表示机构具有急回特性，且极位夹角极位夹角愈愈大，机构的急回大，机构的急回运动就愈显著，所以，要判断一运动就愈显著，所以，要判断一个机构是否有急回特性，就要找出极位夹角。个机构是否有急回特性，就要找出极位夹角。 例如，例如，一个对心曲柄滑块机构，因其极位夹角一个对心曲柄滑块机构，因其极位夹角机构就没有急回特性

8、；但一个偏机构就没有急回特性；但一个偏置曲柄滑块机构，置曲柄滑块机构，因其极位夹角因其极位夹角 ，机构就有急回特性；摆动导，机构就有急回特性；摆动导杆机构的摆杆机构的摆角与其极位夹角相等，它有急回特性，角与其极位夹角相等，它有急回特性，但转动导杆机构就没有急回特性但转动导杆机构就没有急回特性 。002.压力角与传动角：压力角与传动角：在四杆机构中，当不计摩擦时，在四杆机构中，当不计摩擦时，主动件通过连杆作用在从动件上的力的作用线与其主动件通过连杆作用在从动件上的力的作用线与其受力点出的速度方向之间所夹的锐角，称为机构在受力点出的速度方向之间所夹的锐角，称为机构在此位置的此位置的压力角压力角，而

9、把压力角的，而把压力角的余角余角，即连杆与从，即连杆与从动摇杆所夹的锐角，动摇杆所夹的锐角，称为称为传动角传动角。 它们常用来衡量机构的传动性能。传动角愈大，它们常用来衡量机构的传动性能。传动角愈大，即压力角愈小，即压力角愈小，机构的传动性能愈好，效率愈高。机构的传动性能愈好，效率愈高。 多数机构运动中的传动角是变化的。为了使多数机构运动中的传动角是变化的。为了使机构机构传动质量良好，一般规定机构的最小传动角传动质量良好，一般规定机构的最小传动角 。为了检查机构的最小传动角，需要确定最小传动角的为了检查机构的最小传动角，需要确定最小传动角的位置。通过分析可知：曲柄摇杆机构的最小传动角出位置。通

10、过分析可知：曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两位置之一；曲柄滑块机构的现在曲柄与机架共线的两位置之一；曲柄滑块机构的最小传动角出现在曲柄与导路垂直的位置；导杆机构最小传动角出现在曲柄与导路垂直的位置；导杆机构在任何位置最小传动角都等于在任何位置最小传动角都等于90o。40min3. 死点：死点：当机构出现传动角当机构出现传动角 时，其压力角时，其压力角=90o，作往复运动的原动件通过连杆作用于从动曲柄上的力作往复运动的原动件通过连杆作用于从动曲柄上的力恰好通过从动件的转动副中心，致使从动件不能转动，恰好通过从动件的转动副中心，致使从动件不能转动，机构的这种位置，称为机构的这种位置

11、，称为死点位置死点位置。在曲柄摇杆机构或。在曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中，若以摇杆或滑块为主动件，则曲柄曲柄滑块机构中，若以摇杆或滑块为主动件，则曲柄与连杆共线的位置，就与连杆共线的位置，就是死点位置。是死点位置。0注意：注意：死点、自锁与机构自由度小于等于零的区别。死点、自锁与机构自由度小于等于零的区别。自由度小于等于零自由度小于等于零，表明机构中各构件间不可作相对，表明机构中各构件间不可作相对运动；运动；死点死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可借助惯性或采用机构错位排列的方法，使机构能顺借助惯性或采用机构错位排列的方法，使机构能顺利通过死点位置而正常

12、运转；而利通过死点位置而正常运转；而自锁自锁是指机构在考是指机构在考虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的几何条件时，虽然机构的自由度大于零，但机构仍几何条件时，虽然机构的自由度大于零，但机构仍无法运动的现象。无法运动的现象。4. 平面四杆机构的作图法：平面四杆机构的作图法：用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构是根据设计要求及各铰是根据设计要求及各铰链之间相对运动的几何关系链之间相对运动的几何关系通过作图来确定四个铰链的位置。通过作图来确定四个铰链的位置。 根据不同的设根据不同的设计要求，作图法设计四杆机构可计要求，作图法设计四杆机构可分为

13、三种类型。分为三种类型。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 （重点）（重点） 已知：行程速比系数已知：行程速比系数K，摇杆摇杆CD的长度的长度lCD ，摇杆的摇杆的 摆角，设计此四杆机构。摆角，设计此四杆机构。设计的实质是：确定曲柄的固定铰链中心设计的实质是：确定曲柄的固定铰链中心A 的位置，的位置，进而定出其余三杆长进而定出其余三杆长度。度。 设计方法是：先根据行程速比系数设计方法是：先根据行程速比系数K 由公式由公式 求出极位夹角，根据几何条件作出摇杆的两个极限位求出极位夹角，根据几何条件作出摇杆的两个极限位置置C1D和和C2D；由；由C1、C2点各点

14、各作与作与C1C2 连线夹角为连线夹角为 的直线相交于的直线相交于O点；以点；以O点为圆心，点为圆心，OC1为半为半径画圆，径画圆，A 点即在此圆点即在此圆上，可由其它附加条件确定。上，可由其它附加条件确定。11180KK)90(2）用作图法按两连架杆预定的对应位置）用作图法按两连架杆预定的对应位置 设计四杆机构设计四杆机构 设计方法是：此类问题刚固反转法进行设计设计方法是：此类问题刚固反转法进行设计 （重点）（重点）3）按预定的连杆位置设计四杆机构：）按预定的连杆位置设计四杆机构： 设计方法是：此类问题可用求圆心法来解决，即作设计方法是：此类问题可用求圆心法来解决，即作铰链铰链B各位置点连线

15、各位置点连线B1B2 、B2B3的中垂线，两中的中垂线，两中垂线的交点即为固定铰链中心垂线的交点即为固定铰链中心A。同理，作铰链同理，作铰链C各位置点连线各位置点连线C1C2、 C2C3的中垂线，两中垂线的的中垂线，两中垂线的交点即为固定铰链中心交点即为固定铰链中心D。已知：连杆已知：连杆BC的三个预定位置的三个预定位置B1C1、B2C2和和B3C3设计的实质是：求固定铰链中心的位置设计的实质是：求固定铰链中心的位置若仅给定连杆若仅给定连杆BC的两个预定位置，则设计的四杆的两个预定位置，则设计的四杆机构有无穷多解。机构有无穷多解。典型例题分析典型例题分析 例例2-1 在图在图2-1a 所示的铰

16、链四杆机构中，已知各杆长所示的铰链四杆机构中，已知各杆长度为度为lAB =20mm，lBC=60mm，lCD=85mm， lAD=50mm ， 1、试判断该机构是否有曲柄；试判断该机构是否有曲柄； 2、判断此机构是否存在急回判断此机构是否存在急回特性？若存在，试确定其极位特性？若存在，试确定其极位夹角，并估算行夹角，并估算行程速比系数程速比系数 ； 3、若以构件、若以构件AB为主动件，画为主动件，画出机构的最小传动角的位置；出机构的最小传动角的位置； 4、在什么情况下机构存在死在什么情况下机构存在死点位置？点位置？图图2-1解解：1、因为因为lAB+lCDCD=20+85=105mm0 的四杆

17、机构，一定有急回特性。的四杆机构，一定有急回特性。 7.在曲柄滑块机构中，只有当曲柄与滑块导路垂直时，在曲柄滑块机构中，只有当曲柄与滑块导路垂直时，传动角才可能出现最小传动角才可能出现最小值。值。 8.传动角就是连杆与从动件的夹角。传动角就是连杆与从动件的夹角。 9.连杆机构任一位置的传动角与压力角之和恒等于连杆机构任一位置的传动角与压力角之和恒等于90o。 10.从传力效果来看，传动角越大越好，压力角越小从传力效果来看，传动角越大越好，压力角越小越好。越好。 答答 案案二、填空题二、填空题1.平面连杆机构是构件用平面连杆机构是构件用_连接而成的机构，连接而成的机构，当平面四杆机构的运动副都是

18、当平面四杆机构的运动副都是_ ，则称为铰链则称为铰链四杆机构。四杆机构。2.铰链四杆机构的三种基本形式是铰链四杆机构的三种基本形式是_、 _和和_ 。它们是按照它们是按照_来确定的。来确定的。3.铰链四杆机构中，固定不动的杆称为铰链四杆机构中，固定不动的杆称为_ _ ，不不与机架直接连接的杆称为与机架直接连接的杆称为_ ，用转动副与机架连用转动副与机架连接的杆称为接的杆称为_。4.机构处于死点位置时，其传动角等于机构处于死点位置时，其传动角等于_，压力角等，压力角等于于_。5.平行四边形机构的极位夹角平行四边形机构的极位夹角=_ ,它的行程速比系它的行程速比系数数K_。6.铰链四杆机构演化成其

19、它形式的四杆机构常有三种铰链四杆机构演化成其它形式的四杆机构常有三种方法，它们是方法，它们是_、_和和_。7.一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成成_机构。机构。8.曲柄为主动件的曲柄摇杆机构中，当从动摇杆处于曲柄为主动件的曲柄摇杆机构中，当从动摇杆处于两极限位置时，两极限位置时，_在该位置所夹的锐角，称为在该位置所夹的锐角，称为极位夹角。极位夹角。9.铰链四杆机构中，铰链四杆机构中，_角越大，对机构的传动越角越大，对机构的传动越有利。有利。10.死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可借死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可借助助_或采

20、用或采用_的方法使机构能顺利通过死点的方法使机构能顺利通过死点位置而正常运转。位置而正常运转。 三、选择题三、选择题1.下面下面 不是平面连杆机构的优点。不是平面连杆机构的优点。A. 运动副是面接触，故压强小、耐磨损；运动副是面接触，故压强小、耐磨损；B. 运动副制造简单，容易获得较高的制造精度；运动副制造简单，容易获得较高的制造精度；C. 容易实现多种运动形式的转换；容易实现多种运动形式的转换；D. 容易精确地实现预定的运动规律。容易精确地实现预定的运动规律。 答答 案案2.四杆长度不等的双曲柄机构，若主动曲柄作连续四杆长度不等的双曲柄机构，若主动曲柄作连续匀速转动则从动曲柄将匀速转动则从动

21、曲柄将_。A. 匀速转动匀速转动 B. 间歇转动间歇转动 C. 周期变速转动周期变速转动 D. 往复摆动往复摆动3.平行双曲柄机构，当主动曲柄作匀速转动，则从平行双曲柄机构，当主动曲柄作匀速转动，则从动曲柄将动曲柄将_。A. 匀速转动匀速转动 B. 间歇转动间歇转动 C. 周期变速转动周期变速转动 D. 往复摆动往复摆动 答答 案案A. 改变导杆长度改变导杆长度 B. 改变曲柄长度改变曲柄长度C. 改变机架长度改变机架长度 D. 改变曲柄转速改变曲柄转速4.改变摆动导杆机构导杆摆角的有效方法是改变摆动导杆机构导杆摆角的有效方法是_。5.杆长不等的铰链四杆机构，若以最短杆为机架，杆长不等的铰链四杆机构，若以最短杆为机架，则是则是_机构。机构。A. 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 B. 双曲柄机构双曲柄机构C. 双摇杆机构双摇杆机构 D. 双曲柄机构或双摇杆机构双曲柄机构或双摇杆机构 答答 案案6.当曲柄摇杆机构的原动曲柄位于当曲柄摇杆机构的原动曲柄位于_时，机构时，机构的传动角最小。的