模块4 平面连杆机构

1、模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 v学习情境1 学习情境1 铰链四杆机构v学习情境2 含有一个移动副的平面四杆机构v学习情境3 平面四杆机构的基本特性 v学习情境4 平面连杆机构的设计方法v【知识目标】【知识目标】v认知平面四杆机构的各种类型；认知平面四杆机构的各种类型；v理解平面四杆机构的基本特性，了解这些特性在理解平面四杆机构的基本特性，了解这些特性在工程实际中的应用；工程实际中的应用；v理解平面四杆机构的设计方法。理解平面四杆机构的设计方法。模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 v【技能目标】【技能目标】v根据机构要实现的运动，选择平面连杆机构的类型；v根据已设计的机构，分析

2、其能实现的运动及特性；v给定的行程速度变化系数或连杆位置，能够设计简单的平面四杆机构。模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 v若干构件通过低副（转动副或移动副）联接所组成的机构称作连杆机构。它广泛用于各种机器中，如图4-1所示。根据所含有构件的数目，平面连杆机构可分为平面四杆机构、平面多杆机构(五杆机构、六杆机构) 模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 学习情境1 铰链四杆机构4.1.1铰链四杆机构的组成v铰链四杆机构是由转动副连接而成的封闭四杆系统（即四构件系统），其中一个杆固定， 曲柄摇杆机构是铰链四杆机构的一种形式。如图4-3所示。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v1.曲柄摇

3、杆机构曲柄摇杆机构 若在铰链四杆机构的两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。其运动特点是: 当曲柄为主动件做等速转动时，摇杆为从动件做往复摆动，如图4-3所示。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v2. 双曲柄机构双曲柄机构 如果两个连架杆均为曲柄， 都能作360整周转动， 则该铰链四杆机构称为双曲柄机构。其运动特点是: 当主动曲柄做匀速转动时, 从动曲柄做周期性的变速转动, 以满足机器的要求。如图4-5所示4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v2. 双曲柄机构双曲柄机构 在双曲柄机构中, 若相对的两杆长度分别相等, 则称为平行双曲柄机构，或称平行四边形机构。在机

4、构运动的过程中，当曲柄与连杆共线时，机构将会出现四个铰链中心处于同一直线上的情况，如图4-6所示， 此时机构的位置是AB1C1D。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v2. 双曲柄机构双曲柄机构 为了消除平行四边形机构的这种运动不确定的状态，以保证机构具有确定的运动，可以在机构中添加附加构件以增加虚约束。图4-7所示的机车车轮联动机构就是平行四边形机构。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v3. 双摇杆机构双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，如图4-8所示。图4-9所示的飞机起落架收放机构即为双摇杆机构。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用v3. 双摇杆机构双摇杆机构

5、如图4-10所示的起重机机构也是比较典型的双摇杆机构。在双摇杆机构中，如果两个摇杆的长度相等，则称为等腰梯形机构，如图4-11。 4.1.3铰链四杆机构有曲柄的条件 铰链四杆机构有曲柄的条件（杆长之和条件）为：v(1) 最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其他两杆的长度之和；v(2) 连架杆或机架中必有一杆是最短杆。 以上的两个条件必须同时满足，否则机构中不存在曲柄。但对铰链四杆机构三种基本形式的具体判别，除了满足铰链四杆机构有曲柄的条件外，还与固定不同杆作机架有关。【例4.1】在图4-12所示四铰链机构中，已知：b50mm，c35 mm，d30mm，AD为固定件。 (1) 如果能成为曲柄摇杆机

6、构，且AB是曲柄，求a的极限值；(2) 如果能成为双曲柄机构，求a的取值范围。 v解：解：(1) 若能成为曲柄摇杆机构，则机构必须满足“杆长之和的条件”，且AB应为最短杆。 因此b+ac+d 50+a35+30 所以a15mm v解：(2) 若能成为双曲柄机构，则应满足“杆长之和的条件”， 且AD必须为最短杆。这时，应考虑下述两种情况： a50 mm时，BC为最长杆，应满足b+dac50+30a+35 所以a45 mm 45mma50mm a50mm时，AB为最长杆，应满足 a+db+c a+3050+35 所以a55 mm 50 mma55mm 将两种情况下得出的结果综合起来，即得a的取值范

7、围为：45 mma55 mm。 学习情境2 含有一个移动副的平面四杆机构4.2.1 曲柄滑块机构及其应用v曲柄滑块机构可以看成是由曲柄摇杆机构演化而来的。如图4-13所示。4.2.1 曲柄滑块机构及其应用v曲柄滑块机构用途很广，主要用于将回转运动转变为往复运动的场合。 自动送料机构(如图4-14所示)、 冲压机构(如图4-15所示) 4.2.2 偏心轮机构 在曲柄摇杆、曲柄滑块或其他带有曲柄的机构中，如果曲柄很短，当在曲柄两端各有一个轴承时，则加工和装配工艺困难，同时还影响构件的强度。因此，在这种情况下，往往采用如图3-15所示的偏心轮机构。 4.2.3导杆机构v当改变曲柄滑块机构中的固定构件

8、时，可得到各种形式的导杆机构。导杆为能在滑块中作相对移动的构件。如图4-17所示 。4.2.3导杆机构 牛头刨床的主运动机构利用了摆动导杆机构, 如图4-18所示。如图4-19所示为电气开关机构。 4.2.4 摇块机构和定块机构v1.摇块机构摇块机构 当取曲柄滑块机构中的连杆2为机架时，则成为摇块机构如图4-20所示。曲柄摇块机构常应用于各种液压和气动装置上。如图4-21所示 。4.2.4 摇块机构和定块机构v2.定块机构定块机构 如果将滑块作为机架，则可得到如图4-22(a)所示的定块机构。这种机构常用于老式的手动抽水机和抽油泵中。如图4-22(b)所示的抽水唧筒中采用的就是这种机构。学习情

9、境3 平面四杆机构的运动特性4.3.1 急回特性v如图4-23所示的曲柄摇杆机构中， 设曲柄AB为主动件， 以角速度1作顺时针转动， 摇杆CD为从动件并作往复摆动。平面四杆机构有无急回作用取决于极位夹角。 若0， 则K1， 表明机构有急回特性； 且越大， K值就越大， 机构的急回特性就越显著。 若=0， 则K=1， 表明机构没有急回特性。v在设计机器时，利用这个特性，可以使机器在工作行程速度小些，以减小功率消耗；而空回行程时速度大些， 以缩短工作时间，提高机器的生产率。 4.3.2 传力特性v在工程实践中，不仅要求连杆机构能实现预期的运动规律，同时希望传力性能良好(运动轻便、效率较高)。因此需

10、要分析和认识机构的传力特性。 v1.压力角和传动角压力角和传动角4.3.2 传力特性v1.压力角和传动角压力角和传动角 如图4-25所示出现最小传动角min。如图4-26所示传动角恒等于90。这说明摆动导杆机构具有良好的传力性能。 4.3.2 传力特性v2.死点位置死点位置4.3.2 传力特性v2.死点位置死点位置 缝纫机借助带轮的惯性使机构通过死点位置的, 如图4-28所示。 4.3.2 传力特性v2.死点位置死点位置 工程上有时也利用机构的死点位置来满足某些工作要求。如图4-29所示为飞机的起落架机构，当飞机准备着陆时，机轮被放下，此时BC杆与CD杆共线，机构处于死点位置，使飞机着陆可靠。

11、 学习情境4 平面连杆机构的设计方法4.4.1运动设计的类型与方法 在实际生产中， 对机构的设计要求是多种多样的， 给定的条件也各不相同。 归纳起来， 设计的类型一般可以分为两类： (1) 按照给定的运动规律(位置、 速度、 加速度)设计四杆机构，称为位置设计； (2) 按照给定的点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。4.4.2 按给定的行程速度变化系数设计v在设计具有急回特性的平面四杆机构时，通常按照实际的工作需要，先确定行程速度变化系数K的数值，并计算出极位夹角，然后利用机构在极限位置时几何关系，再结合其它有关的附加条件进行四杆机构的设计，从而求出机构中各个构件的尺寸参数。v1.曲柄摇杆

12、机构设计曲柄摇杆机构设计 【例4.2】如图4-31所示，已知曲柄摇杆机构中摇杆CD的长度lCD、 摆角和行程速比系数K， 试设计该机构（即确定曲柄AB、 连杆BC和机架AD的长度）。 v解 (1) 由给定的行程速比系数K， 可以算出极位夹角。 (2) 任选一固定铰链点D，选取长度比例尺l，并按摇杆长lCD和摆角作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D，如图6-25所示。 (3) 连接C1、 C2两点， 并自C1（或C2）作C1C2的垂线C1H。11180KKv解(4) 作C1C2J=90-，则直线C2J与C1H相交于P点。 在直角三角形C1PC2中， C1PC2=。 (5) 以C2P为直径作直角三

13、角形C1PC2的外接圆k， 在圆周上任取一点A作为曲柄AB的固定铰链中心， 连接AC1和AC2。 因同一圆弧的圆周角相等， 故C1AC2=C1PC2=。 (6) 由图可知， 摇杆在两极限位置时曲柄和连杆共线， 故有各构件长度关系：和。 (7) 在图上测得各构件实际长度为： lAB=llAB；lDC=llDC； lAD=llADv2.曲柄滑块机构设计曲柄滑块机构设计 【例43】 如图4-32所示，已知偏置曲柄滑块机构的行程速度变化系数K、 滑块的行程H和偏距e， 试设计此机构。 v解 (1) 根据给定的行程速度变化系数K，计算极位夹角。 (2) 画出滑块的极限位置。 选取适当的长度比例尺l， 按

14、滑块的行程H画出线段C1C2, 得到滑块的两个极限位置C1和C2， 如图4 - 26所示。 (3) 作P C1C2 及其外接圆。 作图方法同例4.2中的步骤(4)和(5)。 11180KKv解(4) 确定曲柄与机架的固定铰链中心A。 作C1C2的平行线，与C1C2的距离为偏距e，该直线与P C1C2的外接圆的交点即为曲柄的转动中心点A。 (5) 确定曲柄和连杆的尺寸。方法同例4.2（6）、（7）。 (6) 在曲柄的运动轨迹上，任取一点A，按各构件的尺寸画出机构ABC，即为该机构在某个位置时的运动简图。 v4.4.3按给定的连杆位置设计v 【例【例4.4】如图4-33（a）所示，已知机构的长度比

15、例尺为l， 铰链四杆机构中连杆BC的长度为l2， B和C分别是连杆上的两个铰链， 给定连杆的三个位置B1C1、 B2C2和B3C3， 试设计该铰链四杆机构。 【例【例4.4】v解解 设计要解决的问题就是确定连架杆与机架组成的固定铰链中心A和D的位置， 并求出机构中其余三个构件的长度l1、 l3和l4。 由于连杆上的两个铰链中心B、 C的运动轨迹都是圆弧，它们的圆心就是两固定铰链中心A和D，圆弧的半径即为两个连架杆的长度l1和l3， 所以运用已知三点求圆心的方法即可设计出所求的机构，而且作图过程比较简单。【例【例4.4】v解解 具体设计步骤如下： (1) 分别作B1与B2、 B2与B3连线的中垂线b12和b23， 其交点就是所要求的固定铰链中心A。 (2) 同理, 作C1与C2、 C2与C3连线的中垂线c12和c23， 其交点就是另一固