第八章平面连杆机构及其设计1

1、第第8 8章章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计n 本章要求掌握平面连杆机构的组成及本章要求掌握平面连杆机构的组成及特点，平面连杆机构的基本型式及其演化特点，平面连杆机构的基本型式及其演化和应用，曲柄存在条件、传动角、死点、和应用，曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等基本概念以及急回运动、行程速比系数等基本概念以及设计平面四杆机构的方法。设计平面四杆机构的方法。n重点重点：平面铰链四杆机构的演化；：平面铰链四杆机构的演化；n难点难点：曲柄存在条件的全面分析、平面多：曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动角的

2、确定角的确定。8-1 8-1 概述概述n一、连杆机构的意义一、连杆机构的意义n二、连杆机构的分类二、连杆机构的分类n三、平面连杆机构的优点三、平面连杆机构的优点n四、平面连杆机构的缺点四、平面连杆机构的缺点一、连杆机构的意义一、连杆机构的意义n 由若干个构件通过低副(Lower-pair)连接而组成的机构称为连杆机构连杆机构，又称为低副机构。n抽油机中的连杆机构抽油机中的连杆机构内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构n 连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠星太阳能板的展开机

3、构，机械手的传动机构，折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。n曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见的连杆机构型式。的连杆机构型式。n 这些机构的共同特点是其原动件这些机构的共同特点是其原动件1 1的运的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件件2 2才能传动从动件才能传动从动件3 3，这个不直接与机架相，这个不直接与机架相联的中间构件称为联的中间构件称为连杆连杆，而把具有连杆的这，而把具有连杆的这些机构统称为些机构统称为连杆机构连杆机构。 二、连杆机

4、构的分类二、连杆机构的分类n 所有构件均在相互平行的平面内运动的连所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构，称为平面连杆机构。杆机构，称为平面连杆机构。n1 1、平面连杆机构、平面连杆机构( (planarlinkage)planarlinkage)n 所有构件不全在相互平行的平面内运所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构，称为空间连杆机构。动的连杆机构，称为空间连杆机构。n2 2、空间连杆机构、空间连杆机构( (speciallinkagespeciallinkage) )三、平面连杆机构的优点三、平面连杆机构的优点n1 1、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接平面连杆机构属于低副

5、机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。滑，磨损小。n2 2、其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单，工作可靠。结构简单，工作可靠。 n3 3、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。1 1）用于受力较大的挖掘机，破碎机用于受力较大的挖掘机，破碎机2 2）用于实现各种不同的运动规律要求）用于实现各种不同的运动规律要求四、平面连杆机构的缺点四、平面连杆机

6、构的缺点n1 1、当机构复杂时累计误差较大，影响其传、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。动精度。n2 2、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。n3 3、不易精确地满足各种运动规律和运动轨、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。迹的要求。n 平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故常简称为常简称为“杆杆”。连杆机构又可根据机构中。连杆机构又可根据机构中所含杆数而命名，如：所含杆数而命名，如：四杆机构、五杆机构、四杆机构、五杆机构、六杆机构、多杆机构六杆机构、多杆机构等。等。n 近年来国内外在连杆机构的研究方面都有近年

7、来国内外在连杆机构的研究方面都有长足的发展，不再限于单自由度四杆机构的研长足的发展，不再限于单自由度四杆机构的研究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。例如：多自由的的机械手；四足、六足步行机例如：多自由的的机械手；四足、六足步行机等，已经不限于运动学的范围，还注重动力学等，已经不限于运动学的范围，还注重动力学方面的研究。方面的研究。n 由于计算机的普及，很多智能化软件为由于计算机的普及，很多智能化软件为平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连杆机构的应用前景也很广泛。杆机构的应用前景也很广泛。 平面连杆机构中最简

8、单、应用最广的是平面连杆机构中最简单、应用最广的是四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。计。8-2 8-2 平面四杆机构的基本类型平面四杆机构的基本类型和应用和应用n一、平面四杆机构的基本类型及应用一、平面四杆机构的基本类型及应用n二、平面四杆机构的演化二、平面四杆机构的演化铰链四杆机构铰链四杆机构 铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运动副均为全部运动副均为转动副转动副时的四杆机构为铰链时的四杆机构为铰链四杆机构。四杆机构。 构件名称构件名

9、称连架杆连架杆：与机架相连的构件称为连架杆。：与机架相连的构件称为连架杆。连架杆连架杆机架机架连架杆连架杆连杆连杆能绕其轴线转能绕其轴线转360的的连架杆连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。连架杆。曲柄曲柄摇杆摇杆连架杆连架杆机架机架：固定不动的构件称为机架。：固定不动的构件称为机架。连杆连杆：不直接与机架相连的构件称为连杆。：不直接与机架相连的构件称为连杆。一、平面四杆机构的基本类型一、平面四杆机构的基本类型及应用及应用n1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构n2 2、双曲柄机构、双曲柄机构n3 3、双摇杆机构、双摇杆机构1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构：n 若在铰

10、链四杆机构的两连架杆中一为曲若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆，则此四杆机构称为柄，另一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇曲柄摇杆机构。杆机构。曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用颚式破碎机机构颚式破碎机机构雷达天线机构雷达天线机构搅拌机机机构搅拌机机机构2 2、双曲柄机构、双曲柄机构n 在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为柄，则此四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构。双曲柄机构的应用双曲柄机构的应用惯性筛机构惯性筛机构n 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机

11、构。行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。n（1 1）平行四边形机构：）平行四边形机构：平行四边形机构的应用平行四边形机构的应用蒸汽机车驱动装置蒸汽机车驱动装置摄影升降机构摄影升降机构n 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行相等，但不平行( (BCBC与与AD)AD)，两曲柄转向相两曲柄转向相反（反（ABAB与与CDCD），），称为反平行四边形机构。称为反平行四边形机构。n（2 2）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3 3、双摇杆机构、双摇杆机构n 若铰链四杆机构的两连架杆均为摇若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆

12、机构称为杆，则此四杆机构称为双摇杆机构双摇杆机构。 双摇杆机构的应用双摇杆机构的应用鹤式起重机机机构鹤式起重机机机构n等腰梯形机构等腰梯形机构：在双摇杆机构中若两摇：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。杆长度相等，则称为等腰梯形机构。汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构二、平面四杆机构的演化二、平面四杆机构的演化n1 1、改变相、改变相对对杆长、转动副演化为移动副杆长、转动副演化为移动副n 曲柄滑块机构曲柄滑块机构C3AB124en偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 （ e 0)e 0)n对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 (e = 0) (e = 0)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构

13、偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构n2 2、选用不同构件为机架、选用不同构件为机架n（1 1）变化铰链四杆机构的机架）变化铰链四杆机构的机架(0360)(0360)(360)(360)1234ABCD双曲柄机构双曲柄机构(0360)(0360)(360)(360)1234ABDC双双摇杆机构摇杆机构(0360)(0360)(360)1234ABCD(360)整周转动副整周转动副曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构（2 2）变化单移动副机构的机架）变化单移动副机构的机架曲柄滑块机构曲柄滑块机构BA1234C曲柄摇块机构曲柄摇块机构导杆机构导杆机构

14、定块机构定块机构转动导杆机构转动导杆机构BA1234C摆动导杆机构摆动导杆机构3A124CB导杆机构导杆机构刨床机构刨床机构n转动导杆机构转动导杆机构( (ABBC)ABBCABBC)曲柄摇块机构曲柄摇块机构移动导杆机构（定块机构）移动导杆机构（定块机构）（3 3）变化双移动副机构的机架）变化双移动副机构的机架（带二个滑块）（带二个滑块）n双滑块机构双滑块机构 n正弦机构正弦机构sinasn双滑块机构双滑块机构 n双转块机构双转块机构 n双滑块机构应用双滑块机构应用 缝纫机针杆机构缝纫机针杆机构椭圆仪机构椭圆仪机构n 双转块机构双转块机构n偏心轮机构偏心轮机构n3 3、扩大转动副径向尺寸、扩大

15、转动副径向尺寸8-3 8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识n一、铰链四杆机构有曲柄的条件一、铰链四杆机构有曲柄的条件n二、压力角和传动角二、压力角和传动角n三、急回运动和行程速比系数三、急回运动和行程速比系数n四、机构的死点位置四、机构的死点位置一、铰链四杆机构有曲柄的条件一、铰链四杆机构有曲柄的条件由由B B2 2C C2 2D D a+db+c (1)a+db+c (1)由由B B1 1C C1 1D b(d-a)+c D b(d-a)+c 或或 c(d-a)+bc(d-a)+b 即即 a+bd+c (2)a+bd+c (2) a+cb+d (3) a+cb+d (3)ad

16、adC2A1a4b3cdBDacacababa a为最短杆为最短杆铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件n1 1、杆长条件杆长条件：最短杆和最长杆长度之和最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。小于或等于其它两杆长度之和。n2 2、最短杆是连架杆或机架。（、最短杆是连架杆或机架。（组成周转副组成周转副的两杆中必一个是最短杆）的两杆中必一个是最短杆）满足杆长条件满足杆长条件n即：最短杆即：最短杆+ +最长杆小于或等于其余两杆长最长杆小于或等于其余两杆长度之和。度之和。n若取若取最短杆最短杆为为连架杆连架杆时：曲柄摇杆机构时：曲柄摇杆机构。n若取若取最短杆最短杆为为机架机架时：

17、时：双曲柄机构双曲柄机构。n 若取若取最短杆最短杆为为连杆连杆时，时，即最短杆相对的即最短杆相对的杆为机架：双摇杆机构。杆为机架：双摇杆机构。不满足不满足杆长条件杆长条件n即：最短杆加最长杆即：最短杆加最长杆大于大于其余两杆长度之其余两杆长度之和，则铰链四杆机构无论取哪杆为机架均和，则铰链四杆机构无论取哪杆为机架均无曲柄存在，只能得到双摇杆机构。无曲柄存在，只能得到双摇杆机构。在铰链四杆机构中：在铰链四杆机构中：铰链铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系：四杆机构的类型与尺寸之间的关系：2 2以最短杆为机架，则此机构为以最短杆为机架，则此机构为双曲柄机构双曲柄机构；以最短杆的相邻构件为机架，则此机

18、构为以最短杆以最短杆的相邻构件为机架，则此机构为以最短杆为曲柄的为曲柄的曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构；且：且：1 13 3以最短杆的对边构件为机架，则此机构为以最短杆的对边构件为机架，则此机构为双摇杆机构双摇杆机构。（1 1）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆 长度之和长度之和 满足杆长和条件满足杆长和条件（2 2）如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和）如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和 （不满足杆长和条件），则不论选哪个构件为机架，（不满足杆长和条件），则不论选哪个构件为机架， 都为都为双摇杆机构双摇杆机构。二

19、、压力角和传动角二、压力角和传动角n1 1、压力角、压力角( (pressure angle)pressure angle)n 从动件从动件CDCD受的受的力力F F的作用线与力作的作用线与力作用点用点C C的绝对速度的绝对速度vc vc 所夹锐角，称为所夹锐角，称为此此位置位置的压力角。的压力角。 在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受力点的速受力点的速度方向线度方向线所夹的锐角所夹的锐角。vcF1ABCD1234vcFF1F21ABCD1234cos1FF n由力的分解：

20、由力的分解： 沿着速度方向的有效分力沿着速度方向的有效分力sin2FF 垂直于垂直于F Ft t的分力的分力vcFF1F21ABCD1234 力力F F2 2 只能使铰链只能使铰链C C、D D产生压轴力，希望它越小越好；产生压轴力，希望它越小越好； 力力F F1 1 越大，推动机构的有效分力就越大，传力效越大，推动机构的有效分力就越大，传力效果就果就越好，越好，即即 越小越好。越小越好。n因此，对连杆机构中的因此，对连杆机构中的压力角压力角提出了限制，最大不提出了限制，最大不能超过能超过 40 405050，n即：即： t2v2v1n 在曲柄等速回转的情况下在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复

21、，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动，称为摆动速度快慢不同的运动，称为急回运动急回运动。v2v1n 为了衡量摇杆急回作用的程度，用行为了衡量摇杆急回作用的程度，用行程速比系数表示程速比系数表示. .3 3、行程速比系数、行程速比系数( (coefficient coefficient of travel speed variation) kof travel speed variation) kn 为了衡量摇杆急回作用的程度，把从为了衡量摇杆急回作用的程度，把从动件往复摆动平均速度的比值（大于动件往复摆动平均速度的比值（大于1 1）称为行程速比系数，即称为行程速比系数，即度从动件慢速行程平均速度从

22、动件快速行程平均速k由11180kk 1801802112112133ttkn极为夹角极为夹角为为n 四杆机构有无急回运动，取决于四杆机构有无急回运动，取决于曲柄与曲柄与连杆共线位置的夹角连杆共线位置的夹角，即有无极位夹角，即有无极位夹角 ，不论是何种机构，只要机构在运行过程中不论是何种机构，只要机构在运行过程中具具有极位夹角有极位夹角 ，则该机构就具有急回作用，则该机构就具有急回作用。n 角越大，则角越大，则K K值越大，说明急回运动的值越大，说明急回运动的性质也越显著。性质也越显著。四、机构的死点位置四、机构的死点位置n 指从动件的传动角指从动件的传动角 =0 =0( (或或 =90=90

23、) )时机构所处的位置。时机构所处的位置。（不考虑构件的重力、（不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力的影响）惯性力和运动副中的摩擦力的影响）1 1、死点、死点( (dead point)dead point)位置位置B2C2vB踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB 画出压力角画出压力角1C234ABDabcdvBFBn 对于曲柄摇杆机构，当摇杆对于曲柄摇杆机构，当摇杆1 1为主动件，当为主动件，当连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极限位置时，经过连杆限位置时，经过连杆2 2传给从动曲柄传给从动曲柄3 3的驱动力的驱动力F F，通过曲柄的转动中心通过曲柄的转动中心A A。对从动曲柄对从动曲柄3 3的有效力矩