专升本机械设计基础第3章平面连杆机构

1、 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 应用实例：应用实例： 内燃机内燃机、鹤式起重机鹤式起重机、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、开窗、车门、折叠伞、折叠床、开窗、车门、折叠伞、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。 定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。 特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。 特点：特点： 采用低副。面接触、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

2、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。 第3章 平面连杆机构 3.1 3.1 平面四杆机构的类型及其应用平面四杆机构的类型及其应用 3.2 3.2 平面四杆机构的一些基本特性平面四杆机构的一些基本特性 3.3 3.3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 3.4 3.4 平面连杆机构的结构平面连杆机构的结构 青岛科技大学专用 作者： 潘存云教授 3.1 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 平面连杆机构定义平面

3、连杆机构定义:由若干低副链接而成的平面机构由若干低副链接而成的平面机构. 优点优点: 面接触，承载能力强，耐磨损；面接触，承载能力强，耐磨损； 易于制造和获得较高的制造精度；易于制造和获得较高的制造精度； 能实现多种运动规律。能实现多种运动规律。 缺点缺点: 效率低；效率低； 累计运动误差较大；累计运动误差较大； 高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。 青岛科技大学专用 作者： 潘存云教授 基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得，其它四杆机构都是由它演变得到的。到的。 一、铰链四杆机构一、铰链四杆机构 1.1.铰链四杆机构

4、的基本形式铰链四杆机构的基本形式 连杆连杆 名词解释：名词解释： 连架杆连架杆与机架相联结的构件；与机架相联结的构件； 曲柄曲柄 摇杆摇杆只能做往复摆动的连架杆；只能做往复摆动的连架杆； 曲柄曲柄能做整周回转的连架杆；能做整周回转的连架杆； 连杆连杆不与机架相联接的构件；不与机架相联接的构件； 摇杆摇杆 周转副周转副能作能作360 360 ?相对回转的运动副；相对回转的运动副； 摆转副摆转副只能作有限角度摆动的运动副。只能作有限角度摆动的运动副。 共有三种基本型式： （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

5、回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线、如雷达天线、跑步机跑步机、自行车自行车。 C C 作者：潘存云教授 2 3 3 作者：潘存云教授 3 3 2 B 1 A 4 D 2 4 1 雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构 曲柄主动曲柄主动 1 （2 2）双曲柄机构双曲柄机构 缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构 4 摇杆主动摇杆主动 特征：两个曲柄特征：两个曲柄 作用：将等速回转转变为作用：将等速回转转变为 等速等速或或变速变速回转。回转。 应用实例：如应用实例：如叶片泵、惯性筛叶片泵、惯性筛等。等。 特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构 特征：两连架杆等长且平行，特征：两连架杆等长且平行， 连杆作平动

6、连杆作平动 B B 作者：潘存云教授 A D C C 实例：实例：火车轮火车轮 摄影平台摄影平台 播种机料斗机构播种机料斗机构 天平天平 C C 作者：潘存云教授 AB = CD BC = AD A B B 作者：潘存云教授 B B 作者：潘存云教授 D C 料斗料斗 A A D D 耕地耕地 平行四边形机构在共线位置出现运平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。动不确定。采采 用两组机构错开排列。用两组机构错开排列。 B A F E D C G 作者：潘存云教授 火车轮火车轮 A B E F D C G 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 作者：潘存云教授 作者：潘

7、存云教授 反向反向 （3 3）双摇杆机构双摇杆机构 特征：两个摇杆特征：两个摇杆 应用举例：应用举例：铸造翻箱机构铸造翻箱机构 、风扇摇头机风扇摇头机构构 特例：等腰梯形机构特例：等腰梯形机构 汽车转向机汽车转向机构构 B C B C 作者：潘存云教授 A D 蜗轮蜗轮 C C B B 电机电机 B A 作者：潘存云教授 A A D 蜗杆蜗杆 蜗杆蜗杆D 作者：潘存云教授 A E E B C 风扇座风扇座 2.铰链四杆机构形式的判别铰链四杆机构形式的判别 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 称为称为杆长条件杆

8、长条件。 连架杆或机架之一为最短杆。连架杆或机架之一为最短杆。 此时，铰链此时，铰链A为整转副。为整转副。 若取若取BC为机架，则结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。也是整转副。 可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。副都是整转副。 C b B aA c 作者：潘存云教授 d D 当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得的构件作为机架时，可得 不同的机构不同的机构。如：。如： 曲柄摇杆曲柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄

9、双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。 作者：潘存云教授 二二. .铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 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 作者：潘存云教授 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构 s =l sin l 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构 2.2.改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸 作者：潘存云教授 3.3.选不同的构件为机架选不同的构件为机架 B 1 A 2 4 B 3 C 1 A 导杆机构导杆机构 偏心轮机构偏心轮机构 2 4 3 C 摆动导杆机构摆动导杆机构:L1L2 转

10、动导杆机构转动导杆机构:L1tt2 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。用以下比值表示急回程度 所以可通过分析机构中是否存在C1C2t2t1V2180?以及的大小来判断机构是否有急?K?回运动或运动的程度。 C1C2t1t2V1180?称称K为为行程速比系数行程速比系数。 0 ， 就有就有 KK1 只要只要且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 K?1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: ?180?K?1四四. .压力角和传动角压力角和传动角 压力角：压力角： 从动件驱动力从动件驱动

11、力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。 切向分力切向分力: : F F= Fcos= Fcos =Fsin=Fsin 法向分力法向分力: : F F” = Fcos= Fcos F F 对传动有利对传动有利。 可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能的好坏 , , F F” F 称称为为传动角传动角。 为了保证机构良好的传力性能 C C F 设计时要求设计时要求: : minmin5050 B F F” B minmin出现的位置：出现的位置： A A D D 当当BCDBCD9090时，时， BCD BCD 当当BCD90BCD90时，

12、时， 180180- - BCDBCD 当当BCDBCD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 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。 作者：潘存云教授 由余弦定律有：由余弦定律有： B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc /2bc 若若B B1 1C C1 1DD9090, ,则则 1 1B B1 1C C1 1D D B B2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc 若

13、若B B2 2C C2 2D90D90, , 则则 2 2180180- -BB2 2C C2 2D D minminBB1 1C C1 1D, 180D, 180- -BB2 2C C2 2DDminmin 机构的传动角一般在运动链机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。最终一个从动件上度量。 B2 A a B1 2 2 C2 b 1 1 c D C1 作者：潘存云教授 d 五五. . 机构的死点位置机构的死点位置 摇杆为主动件，且连杆摇杆为主动件，且连杆F 与曲柄两次共线时，有：与曲柄两次共线时，有： 0 0 0 0 F 此时机构不能运动此时机构不能运动. . 0 0 称此位置为：称

14、此位置为： “死点死点” 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; ; 靠靠飞轮的惯性飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。 作者：潘存云教授 B A F E D C G A B E F D C G 也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作 ：飞机起落架、钻夹具起落架、钻夹具等。等。 C D A A C B P B =0 =0 B B 2 2 C C =0=0 3 3 P 作者：潘存云教授 飞机起落架飞机起落架 F 工件工件 A 1 1 A D D 作者：潘存云教授 T 4 钻孔夹具钻孔夹具 4 平面四杆机构的设计平面四杆机

15、构的设计 一、一、 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机根据给定的运动要求选择机 构的类型；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(长度长度 尺寸尺寸)。 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 二、二、 用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构 1、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 a)给定连杆两组位置给定连杆两组位置 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。 有有无

16、无穷穷多多组组解解。 B1 C1 C2 B2 A A C1 B1 B2 D D C2 C3 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 有有 唯唯 一一 解解 。 B3 A D 例子：例子： 满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。 B C B C A 作者：潘存云教授 D 要求连杆在两个位置要求连杆在两个位置垂直地面且相差垂直地面且相差180? 2. 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 C2 C1 1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K， 90- E 设计此机构。步骤如下

17、：设计此机构。步骤如下： 计算计算180(K-1)/(K+1); 作者：潘存云教授 任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 A 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为; 作作C2PC1C2，作，作C1P使使 C2C1P=90, ,交于交于P; P; D 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a ，连杆为，连杆为a ，则，则: : A A C1= = a+ +b ,A,A C2= =b- - a = = a =( A A C1A A C2)/ 2 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： a =EC1/ 2 b = A = A C1EC1/ 2 P 2）摆动导杆机构）摆动导杆机构 m A 作者：潘存云教授 n 已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。，设计此机构。 分析：分析： 由于由于与导杆摆角与导杆摆角相等，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，作角分线作角分线 ; ; 取取A A点，使得点，使得AD=d, AD=d, 则则: : a