机械设计原理连杆机构

1、第四章第四章 连杆机构连杆机构连杆机构：连杆机构：由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。平面连杆机构：平面连杆机构：所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构。空间连杆机构：空间连杆机构：所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构。由于平面连杆机构不仅应用广泛，而且还往往是多杆机构的基础；所以这里重点介绍平平面连杆机构面连杆机构. .4.1 4.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型4 4.1.1.1.1平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构机构连杆连杆连架杆连架杆机架机架视频:2平面四杆机

2、构的基本型式平面四杆机构的基本型式 曲柄曲柄作整周运动的构件作整周运动的构件 摇杆摇杆作摆动的构件。作摆动的构件。铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为：铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为： 曲柄摇杆机构（曲柄摇杆机构（视频1 1） 双曲柄机构（双曲柄机构（视频2 2） 双摇杆机构（双摇杆机构（视频3 3）铰链四杆机构的三种基本型式铰链四杆机构的三种基本型式 曲柄摇杆机构：指两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。曲柄摇杆机构：指两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。惯性筛惯性筛双曲柄机构：指两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构。若机构中相对两杆平双曲柄机构：指两个连架杆都是曲柄的铰

3、链四杆机构。若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。行且相等，则成为平面四边形机构。双摇杆机构：指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构双摇杆机构：指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构。 4.1.2 4.1.2 平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化由四杆机构的基本型式通过演化可以得到其它多种由四杆机构的基本型式通过演化可以得到其它多种结构型式。结构型式。常用的演化方法有常用的演化方法有1 1、转动副变移动副、转动副变移动副曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构视频11曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 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曲柄

4、滑块机构曲柄滑块机构导杆机构导杆机构摇块机构摇块机构 定块机构定块机构( (直动滑杆机构直动滑杆机构) )3 3. . 变换构件形态变换构件形态两个移动副的四杆机构两个移动副的四杆机构若选择构件若选择构件2 2或或4 4为机架时，就为机架时，就是正弦机构；是正弦机构；若改取构件若改取构件3 3为机架为机架, ,则为双滑块则为双滑块机构机构; ;当取构件当取构件1 1为机架时，便演化为为机架时，便演化为双转块机构。双转块机构。视频134 4 扩大移动副的尺寸扩大移动副的尺寸曲柄摇杆机构偏心盘机构（视频8）機械原理視頻機械原理視頻 连杆（连杆（1-2）.avi4.2 4.2 平面连杆机构的工作特性

5、平面连杆机构的工作特性 平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力的传递和变换功能，前者称为平面连杆机构的运的传递和变换功能，前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。 了解了这些特征，对于正确选择连杆机构的了解了这些特征，对于正确选择连杆机构的类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。4.2.1 4.2.1 运动特性运动特性1 1.转动副为整转副的条件-铰链四杆机构有曲柄的条件AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3在B1C1D中，根据三角形任意两边之差必小于

6、等于第三边，可得：) 1 (14321423llllllll)2(34212431llllllll移项可得：AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3在B2C2D中，根据三角形任意两边之和必大于等于第三边，可得：)3(3241llll) 4 (413121llllll以上三式两两相加并化简可得：铰链四杆机构曲柄存在条件：铰链四杆机构曲柄存在条件：1、曲柄为最短杆；、曲柄为最短杆；2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3)2(34212431llllllll满足上述条件时，取不同的构件为机架时，可

7、得三种不同性质的铰链四杆机构 取最短杆的邻杆为机架 曲柄摇杆机构取最短杆的对杆为机架 双摇杆机构 取最短杆为机架 双曲柄机构图10 “最短构件与最长构件的长度之和最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和”是必要条件，是必要条件， 如果不满足此条件，如果不满足此条件，无论取那个构件作为机架，都不存无论取那个构件作为机架，都不存在曲柄。在曲柄。 2 2 . . 急回运动特性急回运动特性在曲柄等速回转情况下，由于1=180+，2=180-，所以t1t2,摇杆往复摆动的平均速度为V2V1.把摇杆的这种往复摆动快慢不同的运动称为急回运动。急回运动的程度可以用行

8、程速比系数K来衡量：AB2BB1DC2CC1l1l2l4l321行程速比系数11180180180/212112122112kktttcctccvvk或：结论：当0时，机构具有急回运动特性，角愈大，K值愈大，急回运动特性愈显著。3. 3.运动连续性运动连续性1、运动连续性：当主动件连续运动时，从动件也能连续占据预定的各个位置，称为机构具有运动的连续性。 在不计重力、在不计重力、摩擦力、惯性力的摩擦力、惯性力的条件下，机构中输条件下，机构中输出件所受主动力的出件所受主动力的方向线与该受力点方向线与该受力点的绝对速度方向线的绝对速度方向线所夹的锐角。所夹的锐角。压力角的余角，压力角的余角，=900

9、-。 1、压力角、压力角2、传动角、传动角 minFF1F21ABCD1234V 越小，越小， 越大，则机构传力性能越好越大，则机构传力性能越好。4.2.2 传力特性传力特性常用传动角的大小和变化来衡量机构传力常用传动角的大小和变化来衡量机构传力性能的好坏。设计时通常要求性能的好坏。设计时通常要求min40min40，对于高速和大功率的传动机械，对于高速和大功率的传动机械，min50min50。最小传动角最小传动角的确定的确定F1vcDF1CABF21234abcdcos2222addaBDBCDbccbBDcos2222bcaddacbBCD2cos2cos22221则则图示铰链四杆机构中，

10、原动件为图示铰链四杆机构中，原动件为AB。各杆长度为：。各杆长度为：a、b、c、d。由图可见，由图可见， 与与机构的机构的BCD有关。有关。在在ABD和和BCD中，中，由余弦定理得：由余弦定理得：1 1）当）当BCD 900时，时， =1800-BCD，则，则min =1800-BCDmax ，由公式可知，当，由公式可知，当 = 1800时，时，有有BCDmax 。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现最大值。最大值。 4vcABCD1F123bcaddacbBCD2cos2cos22221DAC2maxB2 视频1机构的死点位置机构的死点位置1死点死点 图示曲

11、柄摇杆机构，摇杆图示曲柄摇杆机构，摇杆CD为主动件，当机构处于连杆为主动件，当机构处于连杆与从动曲柄共线的两个位置时，与从动曲柄共线的两个位置时，出现了传动角出现了传动角o。的情况。的情况。这时主动件这时主动件CD通过连杆作用于通过连杆作用于从动件从动件AB上的力恰好通过其回上的力恰好通过其回转中心，所以不能使构件转中心，所以不能使构件AB转转动而出现动而出现“顶死顶死”现象。机构的现象。机构的此种位置称为此种位置称为死点。死点。 在下图所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当连在下图所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当连杆与曲柄共线，机构的传动角为零，机构此位置就称为死杆与曲柄共线，

12、机构的传动角为零，机构此位置就称为死点。而对于图示的曲柄滑块机构，当以滑块为主动件，机点。而对于图示的曲柄滑块机构，当以滑块为主动件，机构也处于死点位置构也处于死点位置。 机构中从动件与连杆共线的位置称为机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。机构的死点位置。 2. 死点的利用：死点的利用：B2AB1C1DC2地面地面飞机起落架机构飞机起落架机构若以夹紧、增力等为目的，则机构的死点位置可以加以若以夹紧、增力等为目的，则机构的死点位置可以加以利用。利用。图61对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施使其顺利通过。使其顺利通过。3. 3. 死点的

13、克服死点的克服 措施：措施： 加装飞轮，增大惯性；加装飞轮，增大惯性； 安装辅助连杆；安装辅助连杆； 几组机构错位安装。几组机构错位安装。vBB2C2踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB 蒸汽机车车轮联动机构，由两组曲柄滑块机构蒸汽机车车轮联动机构，由两组曲柄滑块机构组成，曲柄位置错开组成，曲柄位置错开9090度，使死点位置错开度，使死点位置错开（图（图9 9）。）。機械原理視頻機械原理視頻 连杆（连杆（3-5）.avi4.3 4.3 平面连杆机构的特点及功能平面连杆机构的特点及功能连杆机构中的运动副一般均为低副（正因为如此，所以又把连杆机构称为低副机构），低副两元素为

14、面接触，故在传递同样载荷的条件下，两元素间的压强较小，可以承受较大的载荷。低副两元素间便于润滑，故两元素不易产生大的磨损。这些条件都能较好的满足重型机械的要求。此外，低副两元素的几何形状也比较简单，便于加工制造。2）构件运动形式具有多样性；3) 在连杆机构中，当原动件以同样的运动规律运动时，如果改变各构件的相对长度关系，便可是从动件得到不同的运动规律4.3.14.3.1平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点4)在连杆机构中，连杆上个不同点的轨迹是各种不同形状的曲线（特称为连杆曲线），而且随着各构件相对长度关系的改变，这些连杆曲线的形状也将改变，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线

15、来满足不同轨迹的要求。此外，连杆机构还可以很方便地用来达到增力，扩大行程和实现较远距离的传动的目的。由于连杆机构由上述优点，所实在各种机械和仪表中得到了广泛的应用。连杆机构缺点连杆机构缺点1) 1)由于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递，由于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递，因而连杆机构一般具有较长的运动链（即较多的构件因而连杆机构一般具有较长的运动链（即较多的构件和较多的运动副），所以各构件的尺寸误差和运动副和较多的运动副），所以各构件的尺寸误差和运动副中的间隙将使连杆机构产生较大的积累误差，同时也中的间隙将使连杆机构产生较大的积累误差，同时也会使机械效率降低。会使机械效率降低

16、。2) 2)在连杆机构的运动过程中，连杆及滑块的质心都在在连杆机构的运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，他们所产生的惯性力难于用一般的平衡作变速运动，他们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构一般不易于高速传动。机构一般不易于高速传动。4.3.2 4.3.2 平面连杆机构的功能平面连杆机构的功能1. 1.实现有轨迹位置或运动规律要求的运动实现有轨迹位置或运动规律要求的运动2. 2.实现从动件运动形式及运动特性的改变实现从动件运动形式及运动特性的改变3. 3.实现较远距离的传动实现较远距离的传动4.

17、4.调节、扩大从动件的行程调节、扩大从动件的行程5. 5.获得较大的机械增益获得较大的机械增益4.4 4.4 平面连杆机构的运动分析平面连杆机构的运动分析机构的运动分析机构的运动分析: :机构的运动分析就是根据原动件的已知运动规律机构的运动分析就是根据原动件的已知运动规律, ,来确定来确定其它构件或构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度其它构件或构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数。等运动参数。机构运动分析的目的：机构运动分析的目的： 1 1、通过机构的位移分析，可以确定机构运动所需的空、通过机构的位移分析，可以确定机构运动所需的空间或某些构件及构件上某些点能否实现预定的位置或轨间

18、或某些构件及构件上某些点能否实现预定的位置或轨迹，并可判断它们在运动中是否发生干涉；迹，并可判断它们在运动中是否发生干涉； 2 2、通过速度和加速度分析，了解从动件的运动变化规、通过速度和加速度分析，了解从动件的运动变化规律能否满足工作要求，并可据此对机构进行动力学分析。律能否满足工作要求，并可据此对机构进行动力学分析。 4.4.1 瞬心法及其应用1 1、速度瞬心、速度瞬心瞬时速度中心瞬时速度中心( (瞬心瞬心): ): 互相作平面相对运动的两构件互相作平面相对运动的两构件, ,在任一瞬在任一瞬时都可以认为它们是绕某点做相对转动，称该点为瞬心。时都可以认为它们是绕某点做相对转动，称该点为瞬心。

19、2 2、瞬心表示方法：、瞬心表示方法：用用P P加下标表示。加下标表示。图示构件图示构件1 1和和2 2的瞬心为的瞬心为P P1212或或P P21212.机构中瞬心的数目N=n(n-1)/23.机构中瞬心位置的确定1 1、通过运动副直接相联的两构件的瞬心、通过运动副直接相联的两构件的瞬心(1)(1)以转动副联接的两构件以转动副联接的两构件, , 其转动中心即为瞬心其转动中心即为瞬心(2)(2)以移动副联接的两构件以移动副联接的两构件, , 其瞬心在垂直导路方向的无究远其瞬心在垂直导路方向的无究远处处, ,所示。所示。(3)(3)以平面高副联接的两构件以平面高副联接的两构件, , 若高副元素之

20、间为纯滚动时若高副元素之间为纯滚动时, , 则两元素的接触点即为两构件的瞬心所示；则两元素的接触点即为两构件的瞬心所示； (4)(4)若高副元素之间既滚动又滑动若高副元素之间既滚动又滑动, , 则瞬心在高副接触点处的则瞬心在高副接触点处的公法线上，具体位置要由其它条件来确定所示。公法线上，具体位置要由其它条件来确定所示。三心定理: 三个彼此作平面平行运动的构件共有三个瞬心, 而且必定位于同一直线上。 瞬心在速度分析中的应用2/ 4=P14P24/P12P244.4.2 杆组法及其应用 结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架和若干个基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的级别。机构结构分析的

21、步骤是：(1)计算机构的自由度并确定原动件。(2)拆杆组。4.5.1 平面连杆机构设计的基本问题平面连杆机构设计的基本问题问题一：刚体导引机构设计问题一：刚体导引机构设计 引导一个刚体实现一系列给定位置引导一个刚体实现一系列给定位置4.5平面连杆机构设计平面连杆机构设计满足预定的连杆位置要求满足预定的连杆位置要求问题二：函数生成机构设计问题二：函数生成机构设计 主、从动连架杆运动规律具有给定的函数关系主、从动连架杆运动规律具有给定的函数关系满足预定的运动规律要求满足预定的运动规律要求问题三：轨迹生成机构设计问题三：轨迹生成机构设计 机构中某点可以实现预期的运动轨迹机构中某点可以实现预期的运动轨

22、迹满足预定的轨迹要求满足预定的轨迹要求 图解法图解法 解析法解析法 实验法实验法平面连杆机构设计方法：平面连杆机构设计方法：4.5.2 刚体导引机构的设计刚体导引机构的设计要求：设计四杆机构，使得连杆通过要求：设计四杆机构，使得连杆通过 I、II、III三个位置三个位置第第 1 步：选定步：选定 B、C 点位置点位置第第 2 步：找步：找 A、D 点位置点位置刚体导引机构的设计刚体导引机构的设计第第 3 步：联接步：联接 A、B1、C1、D，获得四杆机构，获得四杆机构 三点唯一确定一个圆，三点唯一确定一个圆，B B、C C确定后，确定后，A A、D D是是确定的；确定的； 已知固定铰链点已知固

23、定铰链点A、D，设计四杆机构，使得两个连，设计四杆机构，使得两个连架杆可以实现三组对应关系架杆可以实现三组对应关系函数生成机构函数生成机构 刚体导引机构刚体导引机构？4.5.3 函数生成机构的设计函数生成机构的设计 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

24、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。函数生成机构的设计函数生成机构的设计第第 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 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函数生成机构设计函数生成机构设计 解析法解析法 已知行程速比系数已知行程速比系数 K，以及从动件两个极限位置，以及从动件两个极限位置，设计四杆机构设计四杆机构4.5.4 急回机构的设计急回机构的设计4.5.5 轨迹生成机构的设计轨迹生成

25、机构的设计 设计一个四杆机构，使得机构上设计一个四杆机构，使得机构上 M 点实现给定轨迹点实现给定轨迹轨迹生成机构的设计轨迹生成机构的设计 解析法解析法M（x，y）a, c, d, e, f, g, h, 0 0连杆机构连杆机构自由度少、约束多自由度少、约束多设计灵活度受到限制设计灵活度受到限制减少约束减少约束 增加自由度增加自由度 轨迹生成机构的设计轨迹生成机构的设计 实验法实验法连杆曲线（定义）：连杆曲线（定义）：四杆机构运动时，连杆作为平面复杂运动，对其上面任意一点都能描绘出一条封闭曲线，这种曲线称为连杆曲线。原理：原理：连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和构件的相对长度的不同而不同。方法与步骤：方法与步骤：借用已编成册的连杆曲线图谱，根据预定运动轨迹从图谱中选则形状相近的曲线，同时查得机构各杆尺寸及描述杆