机械设计基础-平面连杆机构

1、第一节第一节 平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型第三章第三章 平面连杆机构平面连杆机构第三节第三节 平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计第二节第二节 平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性第一节第一节 平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型 平面连杆机构的特征1）构件间的相对运动为平面运动；2）所有的运动副均为低副；3）包含连杆构件。曲柄滑块机构曲柄滑块机构连杆连杆平面连杆机构的特点及应用优点优点运动副为平面或圆柱面接触，承载能力大，制造容易；运动形式多样，能实现多种运动规律和轨迹。缺点缺点构件数较多，低副中存在间隙，运动累积误差大；惯性力不易平衡；设计较难，不易精确实现

2、复杂的运动规律。应用应用平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪器中。 平面四杆机构 由四个构件组成的平面连杆机构。是最简单的连杆机构。构件名称构件名称机架构件4连架杆与机架相连的构件1、3。连杆与机架间接相连的构件2。曲柄可回转360的连架杆。摇杆转角小于360的连架杆。连杆连杆连架杆连架杆连架杆连架杆机架机架平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型定义定义运动副全为转动副的四杆机构。一、铰链四杆机构的基本类型一、铰链四杆机构的基本类型3 31 12 24 4A AB BC CD D铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构铰链四杆机构一曲一摇二曲二摇按两连架杆的运动情况铰链四杆

3、机构可分为平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型 （一）曲柄摇杆机构平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型定义定义两个连架杆中，一个为曲柄，一个为摇杆。特性特性可实现曲柄转动与摇杆摆动的相互转换。曲柄常为主动件，作匀速转动，摇杆为从动件，作变速摆动。应用实例应用实例曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构BC1243AD雷达天线俯仰机构脚踏缝纫机驱动机构 （二） 双曲柄机构平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型定义定义两个连架杆均为曲柄。特性特性当主动曲柄匀速转动时，从动曲柄可作同向或反向、等速或变速转动。一般双曲柄机构一般双曲柄机构BCADAD平行四边形机构平行四边形机构ADBCAD反平行

4、四边形机构反平行四边形机构应用实例应用实例机车驱动机构机车驱动机构车门启闭机构车门启闭机构 （三）双摇杆机构平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型定义定义两连架杆均为摇杆。特性特性可实现两个摇杆摆动的相互转换。应用实例应用实例双摇杆机构双摇杆机构BCAD等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构摇头扇机构摇头扇机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构转化方法转化方法改变构件的形状和尺寸(摇杆长度 l3 增至无穷大)。二、铰链四杆机构的转化机构二、铰链四杆机构的转化机构 （一）转动副转化成移动副平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑

5、块机构圆弧导轨曲柄滑块机构圆弧导轨曲柄滑块机构特性特性可实现曲柄（摇杆）转动与滑块移动的相互转换平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型 （二）取不同的构件为机架曲柄滑块机构曲柄滑块机构回转导杆机构回转导杆机构牛头刨床牛头刨床摆动导杆机构摆动导杆机构牛头刨床牛头刨床定块机构定块机构摇块机构摇块机构 扩大转动副B的半径，使其大于曲柄AB的长度，成为偏心轮机构，偏心距=曲柄长。ABCA AB BC Ce e平面连杆机构的基本类型平面连杆机构的基本类型 （三）扩大运动副扩大转动副扩大转动副扩大移动副扩大移动副 应用应用当曲柄长度较小，一般的联接结构难于实现；或因装配及需传递较大载荷时，常采取扩大

6、回转副或移动副的方法。 一、运动特性一、运动特性第二节第二节 平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性 （一）整转副存在条件整转副若组成转动副的两构件能相对整周转动，称为整转副，否则，称为摆转副。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构平行四边形机构平行四边形机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构铰链四杆机构是否存在整转副，取决于各构件长度间的关系。经理论分析有如下结论 整转副存在条件最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，最短杆两端的转动副为整转副。 整转副判别方法若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则最短杆两端的转动副同为整转副，其它的转动副为摆转副。若最短杆与最长杆长

7、度之和大于其他两杆长度之和，则该机构不存在整转副，全部为摆转副。平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性 铰链四杆机构基本类型的判别根据周转副存在条件、曲柄与摇杆的定义及相对运动原理:1）如果最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则 取最短杆为机架 (含两个整转副)时，为双曲柄机构； 取最短杆的临杆为机架 (含一个整转副)时，为曲柄摇杆机构 取最短杆的对杆为机架 (不含整转副)时，为双摇杆机构。2）如果最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，则不论取哪个构件为机架(不含整转副)，均为双摇杆机构。 平面连杆机构的工作特性平面连杆机构

8、的工作特性 曲柄存在条件1）杆长条件（必要条件）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。2）机架条件（充分条件）最短杆或其临杆为机架 。双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构 急回特性构件往复运动（摆动或移动），一快一慢 。意义：工作行程慢，空回行程快，以提高生产率。当曲柄B1B2 (1180+，t1) 摇杆C1DC2D ( ，t1) （二）急回特性及行程速比系数平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性 ( 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 摆动导杆机构摆动导杆机构 ) 曲柄摇杆机构分析极限位置：曲柄与连杆共

9、线摇杆摆角极位夹角：摇杆处于两极限位置时，曲柄两对应位置所夹锐角。 1 2 ， t1t2，不变， 摇杆往复摆动的速度不同。当曲柄B2B1 (2180- ，t2) 摇杆C2DC1D ( ，t2)1B1B2212慢速慢速快速快速摆动导杆机构摆动导杆机构 行程速比系数k =0， k=1，无急回特性； ，k ，急回特性越显著，k=1.11.4。11180kk 18018012112112mmttttk平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性表示构件运动的急回程度，定义为快程平均角速度 与慢程平均角速度 之比m m对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 压力角作用在从动件3

10、上的驱动力F与该力作用点绝对速度vC之间所夹的锐角。驱动力F 沿二力杆BC的方向；点的速度vC CD。传动角压力角的余角。二、传力特性二、传力特性 （一）压力角和传动角 平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性有用分力sincosFF有害分力cossin FF意义压力角越小，或传动角越大 ，有用分力越大，有害分力越小，机构的传力性能越好。压力角或传动角的大小，表征了机构传力性能的好坏。FF CvF平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性最小传动角min机构运动时，传动角一般是变化的。可以证明，曲柄摇杆机构的最小传动角，出现在曲柄与机架共线的两个位置之一。ADCBFvCvCAB C FD

11、传动角太小，或压力角过大，可能导致机构自锁，为了保证传力性能良好，规定一般机械min4050。B22vB1vB1 （二）止点（死点）位置平面连杆机构的工作特性平面连杆机构的工作特性 定义传动角=0（压力角=90）时的机构位置。1B1vB1vB2090090 后果机构卡死不能动；机构运动方向不确定。缝纫机曲柄摇杆机构，摇杆主动时的死点位置曲柄摇杆机构，摇杆主动时的死点位置夹紧机构夹紧机构D曲柄滑块机构滑块主动时的曲柄滑块机构滑块主动时的死点位置死点位置摆动导杆机构导杆主动时的摆动导杆机构导杆主动时的死点位置死点位置 止点的克服1）利用自身或飞轮的惯性2）多组机构，止点错开平面连杆机构的工作特性平

12、面连杆机构的工作特性 止点的利用第三节第三节 平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计设计的两类问题1）按照给定的运动规律（位置、速度、加速度）确定四杆机构各构件的长度。2）按照给定点的运动轨迹确定四杆机构各构件的长度。设计方法图解法形象，直观，概念清楚。解析法利用计算机进行，精确，效率高。实验法可解决一些复杂的设计问题，简便，实用。一、按给定的行程速比系数设计四杆机构（图解法）二、按给定连杆位置设计四杆机构（作图法）三、按给定两连架杆对应位置设计四杆机构（解析法）四、按给定点的运动轨迹设计四杆机构（实验法）1曲柄摇杆机构一、按照给定的行程速比系数设计四杆机构（图解法）一、按照给定的行程速比系数设

13、计四杆机构（图解法）平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计已知：摇杆长度lCD，行程速比系数k， 摆角求曲柄长度lAB 、连杆长度lBC和机架长度lAD。11180kk解解1）作图分析根据k可求出极位夹角若按 确定了点因为AC1=AB+BC AC2=BC-AB 所以AB=(AC1-AC2)/2 BC=(AC1+AC2)/2 AD可直接量出。关键是按 确定A点的位置平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计若作出AC1C2的外接圆 该圆C1C2弦所对的圆周角均为，其中心角为2。 外接圆作法一 作C2MC2C1 作C2C1N= 斜边PC1中点即为外接圆的圆心O。90 外接圆作法二作C2C1N=作C1C2Q

14、=C1N与C2Q的交点即为外接圆的圆心O。9090P2Q90N90MO平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计PN90MO 2）任选D点，选取适当的比例，作摇杆两极限位置C1D和C2D。 3）作C2MC2C1 作C2C1N= C2M与C1N交于P点904）作PC1C2的外接圆，在圆上任选一点A 5）AB=(AC1-AC2)/2 BC=(AC1+AC2)/2 AD可直接量出有无数解C1C2 DA已知已知:机架长L4 , K解解:(1)(1)任选固定铰链中心C 作导杆两极位Cm和Cn = = (2)(2)作摆角的平分线AC,取AC=L4 固定铰中心A(3)(3)过A作导杆极位垂线 AB1(AB2)L1

15、=AB1唯一解唯一解11180KKCmnAB1B2CmnAB1B2 2.导杆机构平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 DB1C1B2C2A ABCD步骤： 1、连接B1B2,C1C2 2、作B1B2, C1C2中垂线 3、在中垂线上取一点作A, D 4、连AB1C1D1.1.已知已知:连杆BC长L2 及连杆两个位置B1C1,B2C2固定铰A必在B1B2垂直平分线上固定铰D必在C1C2垂直平分线上分析解:无穷多解二、按给定连杆位置设计四杆机构二、按给定连杆位置设计四杆机构连杆给定的三个位置 铰点已给定B1C1B2C2B3C3ADABCD步骤：1.连接 B1B2 ,B2B3 , C1C2,C2C3

16、2.作各连线中垂线3.B1B2, B2B3中垂线 之交点即为点A4.C1C2,C2C3中垂线 之交点即为点D5.连接AB1C1D即为 所求2.已知:连杆BC长L2及连杆三个位置B1C1,B2C2,B3C3唯一解平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计要使转动副成为整转副，则机构必须存在以下三个位置转动副为整转副的条件转动副为整转副的条件在图aBCD中a+d b+c 在图c BCD中cd+b-a即 a+bc+d bc+(d-a) 在图bACD中即 a+cb+d 根据三角形存在条件有 因不等式进行加减运算后，解的范围会变化，故与原不等式联合有 a为最短杆，其余三杆b、c、d中必有一杆为最长杆，只要最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和（不等式）成立，则其他两个不等式一定成立。a+d b+c a+cb+d a+bc+d + 2a+c+d 2b+c+d ab+ 2a+b+d 2c+b+d ac+ 2a+b+c 2d+b+c adabacada+d b+ca+cb+da+bc+da为最短为最短杆杆整转副存在条件整转