第5章平面连杆机构及其设计

1、机械原理机械原理Design of Linkage Mechanisms5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵1 5 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵2机械原理机械原理连杆机构的应用实例：连杆机构的应用实例：5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵3机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵4机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵5机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵6机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面

2、连杆机构及其设计潘海兵潘海兵7机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵8机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵9机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵10机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵11机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵12机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵13机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵14机械原理机械原理5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设

3、计潘海兵潘海兵15机械原理机械原理5.1 平面四杆机构的特点和基本型式平面四杆机构的特点和基本型式 连杆机构连杆机构(linkage mechanisms)由低副（由低副（转动副转动副、移动副移动副、球面副球面副、圆柱副圆柱副、及、及螺旋副螺旋副等）联结而成的机构，或称等）联结而成的机构，或称低副机构低副机构。含有不直接与机架相连的构件（含有不直接与机架相连的构件（连杆连杆）的低）的低副机构称副机构称连杆机构连杆机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵16机械原理机械原理连杆机构分类连杆机构分类根据其构件间的相对运动分为根据其构件间的相对运动分为平面连杆机构平面连杆机构或或空

4、间连杆空间连杆机构机构。所有构件间的运动均为平面运动，且只用低副连接的。所有构件间的运动均为平面运动，且只用低副连接的机构称为平面连杆机构，又称平面低副机构。机构称为平面连杆机构，又称平面低副机构。根据构件数目分为根据构件数目分为四杆机构四杆机构、五杆机构五杆机构。广泛应用的是平面广泛应用的是平面四杆机构四杆机构，而且它是构成和研究平面，而且它是构成和研究平面多杆机构的基础，其它机构都是由四杆机构演化而成的。多杆机构的基础，其它机构都是由四杆机构演化而成的。四杆机构四杆机构六六杆杆机机构构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵17机械原理机械原理空间机构与平面机构5平面连杆机构

5、及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵18机械原理机械原理空间机构与平面机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵19机械原理机械原理连杆机构连杆机构（Linkage Mechanisms）的特点的特点(characteristics)平面连杆机构的主要优点：平面连杆机构的主要优点：（1）低副接触面大、承载能力强、利于润滑，不易磨损，而）低副接触面大、承载能力强、利于润滑，不易磨损，而且易于加工。且易于加工。（2）不同构件尺寸，可改变从动件运动规律，实现增力和扩）不同构件尺寸，可改变从动件运动规律，实现增力和扩大行程。大行程。（3）能够实现多种连杆运动轨迹曲线）能够实现多种连

6、杆运动轨迹曲线5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵20机械原理机械原理轨迹曲线轨迹曲线5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵21机械原理机械原理平面连杆机构的主要缺点：平面连杆机构的主要缺点：（1）运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路）运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线长，易产生积累误差，机械效率降低，设计方法线长，易产生积累误差，机械效率降低，设计方法也较复杂。也较复杂。（2）连杆机构作变速运动的构件惯性力及惯性力矩）连杆机构作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完成平衡，不宜作高速运动；难以完成平衡，不宜作高速运动；（3）连杆机构较难准确地实现预

7、期的运动规律。）连杆机构较难准确地实现预期的运动规律。手工设计非常繁琐复手工设计非常繁琐复杂，计算机设计就较杂，计算机设计就较为简单为简单构件不都是和机架相构件不都是和机架相连，误差通过传递累连，误差通过传递累计，输出件误差较大计，输出件误差较大实际中的连杆各构件实际中的连杆各构件均具有质量，则必然均具有质量，则必然存在惯性，会增加机存在惯性，会增加机构的动载荷构的动载荷不是不能平衡，是能不是不能平衡，是能够平衡，平衡部分惯够平衡，平衡部分惯性力，不能完全消除性力，不能完全消除得到的是近得到的是近似的运动曲似的运动曲线线5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵22机械原理机械原理

8、5 .2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用ABC32144l1ABD3215平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵23所有运动副均为所有运动副均为转动副的平面四转动副的平面四杆机构称为铰链杆机构称为铰链四杆构四杆构机械原理机械原理一、 平面四杆机构的基本形式平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构铰链四杆机构 (revolute four-bar mechanisms)连架杆连架杆(side links)连架杆连架杆连杆连杆(coupler)能绕其轴线转能绕其轴线转360360的连架杆。的连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。曲柄曲柄(

9、crank)(crank)摇杆摇杆(rocker)(rocker)连架杆连架杆机架机架(frame)周转副：周转副：整周转动整周转动 摆转副：摆转副：不能整周转动不能整周转动 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵24机械原理机械原理按照两连架杆的运动形式的不同，按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为：可将铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanisms)双曲柄机构双曲柄机构( double rocker mechanisms)双摇杆机构双摇杆机构(double-crank mechanisms)铰链四杆机构铰链四杆机构5平

10、面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵25机械原理机械原理（1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanisms)铰链四杆机构中，若其两个连架杆铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄一为曲柄，一为摇杆一为摇杆，则此四杆机构称为则此四杆机构称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构。功能：功能：连续转动连续转动往复摆动往复摆动5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵26机械原理机械原理曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanisms)5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵27机械原理机械原理（2）双曲柄机构）双曲柄机构

11、( double rocker mechanisms)两个两个连架杆都是曲柄连架杆都是曲柄的铰链四杆机构的铰链四杆机构功能：功能：连续转动连续转动连续转动连续转动5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵28机械原理机械原理双曲柄机构双曲柄机构 ( double rocker mechanisms)5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵29机械原理机械原理双曲柄机构双曲柄机构( double rocker mechanisms)AECDB1 12 23 34 45 56 6应用实例：惯性筛应用实例：惯性筛5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵30机械

12、原理机械原理双曲柄机构双曲柄机构( double rocker mechanisms)ACBD特例：若机构中特例：若机构中相对两杆平行且相等相对两杆平行且相等，则成为，则成为平面四边形平面四边形机构机构。平行四边形机构特性：平行四边形机构特性：两曲柄同速同向转动两曲柄同速同向转动连杆作平动连杆作平动台灯伸展机构台灯伸展机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵31机械原理机械原理双曲柄机构双曲柄机构( double rocker mechanisms)平行四边形机构平行四边形机构位置不确定问题位置不确定问题5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵32机械原理机械原

13、理双曲柄机构双曲柄机构( double rocker mechanisms)( double rocker mechanisms) 逆平行（逆平行（反平行反平行）四边形机构（）四边形机构（两相对杆长相等但两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构不平行的双曲柄机构）DBCA公车车门开闭机构公车车门开闭机构特性：特性：以长边机架时，两曲柄以反方向转动以长边机架时，两曲柄以反方向转动以短边为机架时，与一般双曲柄机构相似以短边为机架时，与一般双曲柄机构相似5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵33机械原理机械原理（3）双摇杆机构）双摇杆机构(double-crank mechanisms)两

14、个两个连架杆都是摇杆连架杆都是摇杆的铰链四杆机构的铰链四杆机构功能：功能：往复摆动往复摆动往复摆动往复摆动5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵34机械原理机械原理双摇杆机构双摇杆机构(double-crank mechanisms)5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵35机械原理机械原理双摇杆机构双摇杆机构(double-crank mechanisms)梯形机构梯形机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵36机械原理机械原理双摇杆机构双摇杆机构( (double-crank mechanisms)double-crank mechanis

15、ms)飞机起落架机构飞机起落架机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵37机械原理机械原理双摇杆机构双摇杆机构(double-crank mechanisms)推推土土机机铲铲斗斗机机构构电风扇摇头机构电风扇摇头机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵38机械原理机械原理双摇杆机构双摇杆机构(double-crank mechanisms)汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构P P特例：特例：等腰梯形机构等腰梯形机构两两摇杆长度相等摇杆长度相等的双摇杆机构的双摇杆机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵395平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其

16、设计潘海兵潘海兵40机械原理机械原理二、平面四杆机构的演化二、平面四杆机构的演化偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构(off-set slider-crank)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构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 正弦机构正弦机构s=l sin l1. 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5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵41机械原理机械原理转动副变成移动副转动副变成移动副5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵42机械原理机械原理2. 2. 改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸5平面连杆机构及其设计平

17、面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵43机械原理机械原理转动副转动副5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵44机械原理机械原理移动副：移动副：5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵45机械原理机械原理3. 3.取不同构件为机架取不同构件为机架(0360)(0360)(360)(360)1234ABCD曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构取不同构件为机架各构件取不同构件为机架各构件间的相对运动关系不变间的相对运动关系不变整周转动副整周转动副5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵46机械原理机械原理双曲柄机构双曲柄机构(0360)(0360)(360)(360)123

18、4ABDC双双摇杆机构摇杆机构(0360)(0360)(360)1234ABCD(a时，式（2）变为dcbadbcaba ca da cbda(1)dabc(2)(cb)dacb(bc)dabc(2a)(2b)a dc ba ca db ca b5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵66机械原理机械原理同理当同理当ad时，同样有时，同样有由由(1)及（及（2a ）(2b)可得可得cbda(1)(bc)(2b)(c b) (2a)cbB2DC3r2BaAd+a1da-d|C-b|r34cbdadcdb结论：如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两结论：如果最短杆与最长杆的长度

19、之和小于或等于其它两杆长度之和（杆长度之和（满足杆长和条件满足杆长和条件）则存在整周转动副，组成）则存在整周转动副，组成该整周转动副的两杆必有一杆为最短杆。该整周转动副的两杆必有一杆为最短杆。adcbadbccdabbdac(2a)(2b)5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵67机械原理机械原理铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系在铰链四杆机构中：在铰链四杆机构中：（1）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两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杆长度之和满足杆长条件满足杆长条件以最短杆的相邻构件为机架，则此机构为以最短杆

20、为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曲柄的曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构；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。（2）如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆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），则不论选哪个构件长度之和（不满足杆长和条件），则不论选哪个构件为机架，为机架， 都为都为双摇杆机构双摇杆机构。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵68机械原理机械原理判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构判断由

21、不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构a、b为最长与最短双摇杆机构双摇杆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曲柄机构双曲柄机构cbda 以最短杆相邻杆为机架以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架以最短杆为机架NYdcba、5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵69 实例 如图如图ABCDABCD中，已知各杆长度分别为：中，已知各杆长度分别为：a=30a=30，b=50b=50，c=40c=40，d=45d=45，试确定该机构分别以试确定该机构分别以ADAD、ABAB、CDCD、BCBC各杆为机架时，各属何机构？各杆为机架时，

22、各属何机构？ 解：解：a+ba+b 2 2（ t t2 2）；）；所以所以v v2 2 v v1 1，弧长S5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵103机械原理机械原理 2)急回运动机理急回运动机理 急回作用具有方向性急回作用具有方向性, ,当原动件的回转方向改变时当原动件的回转方向改变时, ,急回的行程也随之改变。急回的行程也随之改变。 注意！a a) )曲柄转过曲柄转过 1801摇杆上摇杆上C点摆过：点摆过：21CC所用时间：所用时间：1111180 tb b) )曲柄转过曲柄转过 1802摇杆上摇杆上C点摆过：点摆过：12CC所用时间：所用时间：1122180 t2121

23、tt c c) )设两过程的平均速度为设两过程的平均速度为V V1 1、V V2 2：21221211;tCCVtCCV 21tt 12VV 回程速度大于正行程速度。回程速度大于正行程速度。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵104机械原理机械原理3) 行程速比系数行程速比系数K为表明急回运动程度，用为表明急回运动程度，用行程速度变化系数行程速度变化系数K K( (timetime ratioratio) ) 来衡量，来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为作为机构的基本运动特征参数。定义为反正反正行程速度比，即行程速度比，即212112122112/ tttCCtCCvv

24、K1180180 K11180 KK 或：或：平面四杆机构具有急回特性的条件：平面四杆机构具有急回特性的条件：（1 1）原动件作等速整周转动；）原动件作等速整周转动；（2 2）输出件作往复运动；）输出件作往复运动；（3 3）0 K K ，急回运动特性，急回运动特性愈显著。愈显著。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵105机械原理机械原理曲柄滑块机构中，原动件曲柄滑块机构中，原动件ABAB以等速转动以等速转动1B1B2HH=2a, 0,无急回特性。无急回特性。3 31 14 4A A对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构B B2 2C Ca ab b1C1C2C1B1B2HC2偏置

25、曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构2AB134eCab12222)()(eabebaH0, ,有急回特性。有急回特性。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵106机械原理机械原理对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构00， K=1，无急回运动无急回运动偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 0 0， K 1，有急回运动有急回运动5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵107机械原理机械原理3 3）曲柄摆动导杆机构）曲柄摆动导杆机构21B2B1有急回特性。有急回特性。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵108机械原理机械原理曲柄摇杆机构是否始终存在急回运动特性？曲柄

26、摇杆机构是否始终存在急回运动特性？（1 1）型曲柄摇杆机构型曲柄摇杆机构 2222adbcK1K1，从动件慢行程方向与曲柄的转动方向一致，如图，从动件慢行程方向与曲柄的转动方向一致，如图所示。其结构特征是所示。其结构特征是A A、D D位于位于C C1 1、C C2 2两点所在直线的同侧两点所在直线的同侧，构件尺寸关系为，构件尺寸关系为 。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵109机械原理机械原理（2）型曲柄摇杆机构型曲柄摇杆机构K1K1，从动件慢行程方向与曲柄的转动方向相反，如图，从动件慢行程方向与曲柄的转动方向相反，如图所示。其结构特征是所示。其结构特征是A A、D D

27、位于位于C1C1、C2C2两点所在直线的异侧两点所在直线的异侧，构件尺寸关系为，构件尺寸关系为 2222adbc5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵110机械原理机械原理（3）型曲柄摇杆机构型曲柄摇杆机构K=1K=1，从动件无急回特性，如图所示。其结构特征是，从动件无急回特性，如图所示。其结构特征是A A、C1C1、C2C2三点共线，构件尺寸关系为三点共线，构件尺寸关系为 2222adbc5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵111机械原理机械原理三、压力角、传动角和死点三、压力角、传动角和死点1 1）压力角）压力角(pressure angle)(press

28、ure angle)与传动角与传动角(transmission angle)(transmission angle) 在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使从动件运动的力的方向线与从动件上受力点的速度方向线所夹从动件运动的力的方向线与从动件上受力点的速度方向线所夹的锐角。的锐角。压力角：压力角：传动角：传动角：压力角的余角。压力角的余角。vcFF1F21ABCD1234cos1FF sin2FF 越小，受力越好越小，受力越好。越大，受力越好越大，受力越好。 min传动角是变化的。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵112机

29、械原理机械原理三、压力角、传动角和死点三、压力角、传动角和死点ACBDvBFFvcaAB134Cb12vFABC23145平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵113机械原理机械原理2 2）平面四杆机构的最小传动角位置）平面四杆机构的最小传动角位置连接连接BDBD，在，在 ABDABD中：中：ABCDcbadFVC cos2222addaBD 在在 BCDBCD中：中： cos2222bccbBD bcaddacb2cos2cos2222 若此式为极值，则需若此式为极值，则需 取极值，即取极值，即 maxminminmaxcos11cos1800 故当故当 90o时时： m i

30、n = 180o- m a x结论：结论：当当 =0o或或180o时时: min = min min ，(180o- max)曲柄与机架共线时，出现最小传动角。曲柄与机架共线时，出现最小传动角。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵114 2-5 铰链四杆机构的特性铰链四杆机构的特性 为保证机构具有良好的传动性能，一般规定机构的最小传为保证机构具有良好的传动性能，一般规定机构的最小传动角动角 minmin4040，在传递较大力矩时，应使，在传递较大力矩时，应使 minmin5050。BCAD max CBAD min 外共线外共线内共线内共线取取 与与 两者中的较小值为最小传动

31、角两者中的较小值为最小传动角 minmin = = ， minminor2220() 180arccos2bcdabc222()arccos2B C Dbcdabc 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵115机械原理机械原理曲柄滑块机构：曲柄滑块机构：当主动件为曲当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。与机架垂直的位置。摆动导杆机构：摆动导杆机构：由于在任何位置由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动的速度方向始终一致，所

32、以传动角等于角等于9090度度。总结：传动角大小与各杆长有关，可按给给定的许用传动角总结：传动角大小与各杆长有关，可按给给定的许用传动角统筹各种性能指标，设计四杆机构。统筹各种性能指标，设计四杆机构。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵116机械原理机械原理3 3）机构的死点位置）机构的死点位置(dead point positions)(dead point positions)画出压力角画出压力角1C234ABDabcdvBFBB2C2vB踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚A AB B1 1C C1 1D DFB vB死点：死点：当机构处于传动角当机构处于传动角

33、0（或压力角（或压力角90）的机构位置的机构位置5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵ADCB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵ADCB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵ADCB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵ADCB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵DCBA5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵DCBA5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵DCBA5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵DCBA5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵A

34、DCB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵CBDDAABCDD 连杆BC与从动件曲柄AB共线，压力角=900，传动角=0，机构位于两个死点位置。采用装飞轮加大惯性的方法，利用从动件的惯性闯过死点。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵127机械原理机械原理4 4）克服死点的方法克服死点的方法 1 1）利用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死）利用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。点。 2 2）采用将两组以上的同样机构组合使用，而使各组机构的死）采用将两组以上的同样机构组合使用，而使各组机构的死点位置相互错开排列的方法。点位置相互错开排

35、列的方法。GGEFEF5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵v 机构错位排列 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵FAEDGBCABEFDCG 将两组以上的机构组合起来，是各组机构的死点相互错开排列。如蒸汽机车车轮联动机构，两侧的曲柄滑块机构的曲柄位置相互错开90。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵v飞机起落架机构 在机轮放下时，BC杆与CD杆成一直线，机构处于死点位置，使降落更加安全可靠。 ABDCABCD=0F5 5）死点的利用）死点的利用5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵v分合闸机构触头FACBD弹簧拉力5平面连

36、杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵触头ABCDFFQFB在力的作用下手柄不会自动松脱5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵133机械原理机械原理5.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计一、连杆机构设计的基本问题和方法一、连杆机构设计的基本问题和方法 实现预订的连杆位置要求实现预订的连杆位置要求- -刚体导引刚体导引(Body guidance)(Body guidance)刚体导引刚体导引 是机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给是机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给 定位置。定位置。 基本问题基本问题5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵134机

37、械原理机械原理 再现给定的轨迹再现给定的轨迹(path generation)轨迹轨迹生成生成(path generation)(path generation)， 是指连杆上某点通过某一是指连杆上某点通过某一 预先给定轨迹的功能。预先给定轨迹的功能。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵135机械原理机械原理实现两个连架杆的给定对应位置问题实现两个连架杆的给定对应位置问题 综合功能综合功能O O2 2O O3 3O O4 4O O1 1D D1 1下连杆下连杆上连杆上连杆上剪刀上剪刀D D2 2下剪刀下剪刀5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵二二. . 平面

38、四杆机构选型平面四杆机构选型 1.1.主动件连续转动，从动件往复移动主动件连续转动，从动件往复移动 （1）如要求行程速比系数）如要求行程速比系数K=1，可采用正弦机构或可采用正弦机构或对心曲柄滑块机构。对心曲柄滑块机构。 在正弦机构中，当主动件等角速回转时，从动件作简谐运动。在正弦机构中，当主动件等角速回转时，从动件作简谐运动。运转比较平稳，但其中存在两个移动副，摩擦磨损较为显著。运转比较平稳，但其中存在两个移动副，摩擦磨损较为显著。5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵BA1234C对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 在该机构中，当连杆长度与曲柄长度的比值在该机构中，当连杆长度

39、与曲柄长度的比值n越大，越大，则从动件运动越接近于简谐运动，运转越平稳。但则从动件运动越接近于简谐运动，运转越平稳。但n较较大时，在滑块行程相同的条件下，连杆长度越大，占大时，在滑块行程相同的条件下，连杆长度越大，占据的空间越大。反之，据的空间越大。反之，n越小时，从动件运动的变化越越小时，从动件运动的变化越剧烈，运转越不平稳。通常剧烈，运转越不平稳。通常n3。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵2.2.要求行程速比系数，可考虑采用偏置曲柄滑块机构。要求行程速比系数，可考虑采用偏置曲柄滑块机构。 AB1234eC偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 影响该机构基本性质的尺寸参数

40、是影响该机构基本性质的尺寸参数是n和和 （偏距与曲柄长（偏距与曲柄长之比）。在之比）。在n定的条件下，增加定的条件下，增加可获得较大的可获得较大的K值，但最值，但最大压力角也将随之加大，传动情况恶化。通常推荐大压力角也将随之加大，传动情况恶化。通常推荐K2。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵2. 2. 主动件连续转动，从动件往复摆动主动件连续转动，从动件往复摆动 如要求行程速比系数如要求行程速比系数K=1，可采用可采用型曲柄摇杆机型曲柄摇杆机构，传动比较平稳。从动摇杆的最大摆角构，传动比较平稳。从动摇杆的最大摆角 max1005平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海

41、兵潘海兵 随着随着K K值的增加，值的增加，型曲柄摇杆机构比型曲柄摇杆机构比型曲柄摇杆型曲柄摇杆机构对压力角的影响更为显著。所以，当机构对压力角的影响更为显著。所以，当K K值较大时，值较大时，在机构条件允许的情况下，尽可能选用在机构条件允许的情况下，尽可能选用型曲柄摇杆型曲柄摇杆机构。机构。 若若 ，建议尽量，建议尽量采用摆动导杆机构。采用摆动导杆机构。 1.25K 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵3 3、主动件连续转动，从动件也连续转动、主动件连续转动，从动件也连续转动 满足这种运动要求的机构有转动导杆机构、双曲柄机构。满足这种运动要求的机构有转动导杆机构、双曲柄机构

42、。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵142机械原理机械原理三、三、连杆机构设计的基本方法连杆机构设计的基本方法 1 1）平面四杆机构设计的主要任务：）平面四杆机构设计的主要任务： 在机构综合的基础上，根据机构所要完成的运动功能而提出在机构综合的基础上，根据机构所要完成的运动功能而提出的设计条件（运动条件、几何条件和传力条件等），确定机构的设计条件（运动条件、几何条件和传力条件等），确定机构的运动尺寸（一般又称为尺度综合），画出机构运动简图。的运动尺寸（一般又称为尺度综合），画出机构运动简图。2 2 ）设计中应满足的附加条件：）设计中应满足的附加条件：（1 1）要求某连架杆

43、为曲柄；）要求某连架杆为曲柄；（2 2）要求机构的运动具有连续性；）要求机构的运动具有连续性；（3 3）要求最小传动角在许用传动角范围内，即）要求最小传动角在许用传动角范围内，即 min（4 4）特殊的运动要求，如要求机构输出件有急回特性；）特殊的运动要求，如要求机构输出件有急回特性；（5 5）足够的运动空间等。）足够的运动空间等。3 3 ）平面四杆机构运动设计的问题概括成下述两个基本问题）平面四杆机构运动设计的问题概括成下述两个基本问题（2 2）实现已知轨迹问题）实现已知轨迹问题（1 1）实现已知运动规律问题；）实现已知运动规律问题；4 4）设计方法）设计方法（1 1）几何法（作图法）；）几

44、何法（作图法）； （2 2）解析法；）解析法； （3 3）实验法；）实验法；5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵143机械原理机械原理四四. .平面四杆机构的图解法设计平面四杆机构的图解法设计5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵144机械原理机械原理按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构(1)(1)给定连杆上两铰链中心位置的设计问题给定连杆上两铰链中心位置的设计问题此问题的本质是：已知活动铰链，求固定铰链（求活此问题的本质是：已知活动铰链，求固定铰链（求活动铰链轨迹圆的圆心）。动铰链轨迹圆的圆心）。A AB1B2B3C1C2C3D D5平面连杆

45、机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵145机械原理机械原理按给定行程速度变化系数设计四杆机构按给定行程速度变化系数设计四杆机构u曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构设计要求设计要求：已知摇杆的长度已知摇杆的长度CD、摆角摆角 及行程速比系数及行程速比系数K。1)计算极位夹角：计算极位夹角：11180 KK 2)选定机构比例尺，作出极位图：选定机构比例尺，作出极位图：GFM N90- P B1B2C1C2D A3) 联联C1C2，过，过C2 作作C1M C1C2 ；另过另过C1作作 C2C1N=90 - 射线射线C1N，交交C1M于于P点；点；4) 以以C1P 为直径作圆为直径作圆 ，则该圆，则该圆

46、上任一点均可作为上任一点均可作为A铰链，铰链，有有无穷多解无穷多解。abACabAC 211212/ 2/ 2aACACbACAC设计过程：设计过程：5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵146机械原理机械原理C C2 2B B2 2 C C1 1B B1 1 G GF FC C1 1C C2 2D D B B1 1B B2 2A A错位不连续问题错位不连续问题5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵147机械原理机械原理补充：运动的连续性补充：运动的连续性遇到的运动不连续问题有：遇到的运动不连续问题有：1.错序不连续错序不连续1C234ABD11C2CC1C2C

47、21C3234AB2DC1C2B1B32.错位不连续错位不连续5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵148机械原理机械原理错序不连续错序不连续原动件按同一方向连续转动时，连杆不原动件按同一方向连续转动时，连杆不能按顺序通过给定的各个位置。能按顺序通过给定的各个位置。1C2234AB3DC1C3B1B2 图中，要求连杆依次占图中，要求连杆依次占据据B B1 1C C1 1、B B2 2C C2 2、B B3 3C C3 3，当，当ABAB沿沿转动可以满足要转动可以满足要求，但沿求，但沿转动，则转动，则不能满足连杆预期的次序不能满足连杆预期的次序要求。要求。 5平面连杆机构及其设计

48、平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵149机械原理机械原理1. 1. 运动连续性运动连续性当主动件连续运动时，从动件能否连续当主动件连续运动时，从动件能否连续实现给定的各个位置的运动。实现给定的各个位置的运动。2. 2.可行域可行域 当曲柄当曲柄ABAB连续转动时，摇杆连续转动时，摇杆CDCD的摆动范围的摆动范围 或或3. 3. 不可行域不可行域由由 和和 所决所决定的范围定的范围不可行域不可行域不可行域不可行域5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵150机械原理机械原理错位不连续错位不连续不连通的两个可行域内的运动不连续。不连通的两个可行域内的运动不连续。1C234ABD11C2

49、CC1C2C2铰链四杆机构装配模式铰链四杆机构装配模式C4C3 CADBB1C1C2ADCB2B不连通域不连通域5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵151机械原理机械原理 90- P AE2aOaObC1C2D 欲得确定解，则需附加条件：欲得确定解，则需附加条件：(1)给定机架长度给定机架长度d；(2)给定曲柄长度给定曲柄长度a；(3)给定连杆长度给定连杆长度b(1).(1).给定机架长度给定机架长度d d的解：的解：(2).(2).给定曲柄长度给定曲柄长度a a的解：的解：作图步骤作图步骤：abACabAC 21证明：证明：aACAC221 22ACAEAEOOACaa 5

50、平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵152机械原理机械原理给定连杆长度给定连杆长度b b的解：的解： 90-90- P PE E2b2b A AC C1 1C C2 2D D 作图步骤：作图步骤：abACabAC 21证明：证明：bACAC221 22ACAEAEOOACbb O Ob b5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵153机械原理机械原理u曲柄滑块机构曲柄滑块机构已知条件：已知条件：滑块行程滑块行程H H、偏距、偏距e e和行程速比系数和行程速比系数K KMM N N90-90- P P B B1 1B B2 2A A11180 KK C C1 1C

51、C2 2有无穷多解有无穷多解abACabAC 21设曲柄长度为设曲柄长度为a a，连杆长，连杆长度为度为b b，则，则: :222121ACACbACACa 设计过程：设计过程：5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵154机械原理机械原理 摆动导杆机构摆动导杆机构对于摆动导杆机构对于摆动导杆机构,由于其导杆的由于其导杆的摆角摆角 刚好刚好等于其极位夹角等于其极位夹角，因此，只要给定，因此，只要给定曲柄长度曲柄长度LAB (或给定或给定机架长度机架长度LAD)和和行程速比系数行程速比系数K就就可以求得机构。可以求得机构。分析：分析： 由于由于与导杆摆角与导杆摆角相等，设计此机构相

52、等，设计此机构时，仅需要确定曲柄时，仅需要确定曲柄 a。i.计算计算180 (K-1)/(K+1)；ii.任选任选D作作mDniii. 取取A点，使得点，使得AD=d, 则则: a = d sin(/2)已知：已知：机架长度机架长度d，K，设计此机构。设计此机构。=mndAD=BADB5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵155机械原理机械原理给定两连架杆上对应位置的设计问题给定两连架杆上对应位置的设计问题此问题的本质是：已知固定铰链，求活动铰链。此问题的本质是：已知固定铰链，求活动铰链。设计方法设计方法采用采用转化机构法转化机构法( (或或反转法反转法) )根据机构的倒置理论

53、，通根据机构的倒置理论，通过取不同构件为机架，将过取不同构件为机架，将活动铰链位置的求解活动铰链位置的求解转化转化为为固定铰链的求解固定铰链的求解设计四设计四杆机构的方法。杆机构的方法。ADE1F1E2F25平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1AD5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B2C2AD5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵ADB3C35平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵1 13 32 23 32 21 1B1C1ADB2C2B3C35平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵C2B3AB2DB1C1

54、A DB3C35平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADC2B3AB2ADB3C35平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADAB2ADB3C35平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADC3B3AB2AD5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADC3B3AA”B2AD5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADC3B3AA”B2AD5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C1ADC3B3B1AA”B2A5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵B1C

55、1ADB3AA”B25平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵168机械原理机械原理C2B2B2C2 12 12AB1C1DAB1C1DA D v转化机构法转化机构法原理：原理： 其原理与取不同构件其原理与取不同构件为机架的演化方法（称为机架的演化方法（称为为“机构倒置机构倒置”原理）原理）完全相同，即完全相同，即相对运动相对运动不变原理不变原理。当给整个机。当给整个机构加一个共同的运动时，构加一个共同的运动时，虽然各构件的绝对运动虽然各构件的绝对运动改变了，但是各构件之改变了，但是各构件之间的相对运动并不发生间的相对运动并不发生变化，亦即各构件的相变化，亦即各构件的相对尺寸不发生

56、改变。对尺寸不发生改变。 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵169机械原理机械原理A A D D B B2 2C C2 2以连杆上任一线为相对机架的情况以连杆上任一线为相对机架的情况 所得结果与以连杆为相对机架时相同，故所得结果与以连杆为相对机架时相同，故设计时可以设计时可以连杆上任意线为相对机架进行，结果相同连杆上任意线为相对机架进行，结果相同。A AB B1 1C C1 1D DA A D D 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵170机械原理机械原理 1212 1212C C1 1B B1 1A AD DE E1 1F F1 1E E2 2F F2

57、2A A D D n已知连杆在运动过程中的已知连杆在运动过程中的两个位置两个位置E E1 1F F1 1 、 E E2 2F F2 2 ，设计四杆，设计四杆机构机构转化机构法转化机构法( (或或反转法反转法) )的应用的应用有无穷多解有无穷多解1111CBLDCLABLlllBCCDAB 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵171机械原理机械原理ADE E1 1F F1 1n已知连杆上在运动过程中的已知连杆上在运动过程中的三个位置三个位置E E1 1F F1 1、E E2 2F F2 2、E E3 3F F3 3 ，设，设计四杆机构计四杆机构E E2 2F F2 2E E3

58、3F F3 3AA2 2DD2 2AA3 3DD3 3C C1 1B B1 1唯一解唯一解1111CBLDCLABLlllBCCDAB 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵172机械原理机械原理v反转法或转化机构法的具体作图方法反转法或转化机构法的具体作图方法为了不改变反为了不改变反转前后机构的相对运动，作图时转前后机构的相对运动，作图时将原机构每一位置的各构件之间的相对位置视为刚性将原机构每一位置的各构件之间的相对位置视为刚性体；体；用作全等四边形或全等三角形的方法，求出转化后机用作全等四边形或全等三角形的方法，求出转化后机构的各构件的相对位置。构的各构件的相对位置。这一方

59、法又称为这一方法又称为“刚化刚化反转法反转法”。反转作图法只限于求解反转作图法只限于求解两位置两位置或或三位置三位置的设计问题的设计问题 5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵173机械原理机械原理设计方法设计方法采用采用转化机构法转化机构法( (或或反转法反转法) )B B2 2C C2 2A AB B1 1C C1 1D D 1212 1212以连架杆为相对机架以连架杆为相对机架 1212B B2 2 A A 按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构5平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计潘海兵潘海兵174机械原理机械原理按两按两连架杆三个

60、连架杆三个对应位置设计四杆机构对应位置设计四杆机构C C1 1B B3 313_ _B B2 2B B1 1A AD DC C1 1C C2 2C C3 312131213请求出请求出B B1 1讨论：讨论：1 1 、哪个构件应成为相对机架？、哪个构件应成为相对机架？2 2 、反转角为哪个？、反转角为哪个？12_ _E E3 3E E2 212131213B B1 1A AD DB B2 2B B3 3E E1 1已知：已知：机架长度机架长度L LADAD、一连架杆长度、一连架杆长度 L LABAB及其起始位置、两连架及其起始位置、两连架杆对应转角杆对应转角 12 12 、 1212 、 13