第十二章平面连杆机构

1、长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 第十二章第十二章 平面连杆机构平面连杆机构121 概述概述122 平面机构的运动分析平面机构的运动分析123 平面机构的力分析平面机构的力分析121 四杆机构的基本形式及演化四杆机构的基本形式及演化122 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性123 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 概述概述若干个刚性构件用平面低副联接而成的机构若干个刚性构件用平面低副联接而成的机构平面连杆机构平面连杆机构四个四个平面四杆机构平面四杆机构均为转动副均为转动副铰链四杆机构铰链四杆机构本章重点内容是介绍本章重点内容是介绍四杆机构。

2、四杆机构。121 四杆机构的基本形式及演化四杆机构的基本形式及演化长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 应用实例：应用实例：内燃机内燃机、鹤式吊鹤式吊、火车轮火车轮、手动冲床手动冲床、牛头刨床牛头刨床、椭圆椭圆仪仪、机械机械手爪手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。优点：优点： 采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从

3、动件运动规律不同。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富。可满足不同要求。连杆曲线丰富。可满足不同要求。缺点：缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。设计复杂，难以实现精确的轨迹。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是，其它四杆机构都是由它演变得到的。由它演变得到的。名词解释：名词解释：曲柄曲柄整周定轴回转的构件；整周定轴回转的构件

4、；连杆连杆作平面运动的构件；作平面运动的构件；连架杆连架杆与机架相联的构件；与机架相联的构件；摇杆摇杆作定轴摆动的构件；作定轴摆动的构件；周转副周转副能作能作360360相对回转的运动副；相对回转的运动副；摆转副摆转副只能作有限角度摆动的运动副。只能作有限角度摆动的运动副。曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆121 四杆机构的基本形式及演化四杆机构的基本形式及演化一、基本型式一、基本型式长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云ABC1243DABDC1243雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构曲柄主动曲柄主动缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构2143摇杆主动摇杆主动3124三种基本型式：三种基

5、本型式：（1 1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构特征：特征：曲柄摇杆曲柄摇杆作用：作用：将曲柄的整周回转转变为将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。摇杆的往复摆动。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云A AD DC CB B1 12 23 34 4旋转式叶片泵旋转式叶片泵A AD DC CB B1 12 23 3ABDC1234E6惯性筛机构惯性筛机构31（2 2）双曲柄机构双曲柄机构特征特征：两个曲柄：两个曲柄作用：作用：将等速回转转变为将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。回转。应用实例：应用实例：如如叶片泵、惯性筛叶片泵、惯性筛等。等。长沙航空职院专用 作者： 潘

6、存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云ABCD耕地耕地料斗料斗DCAB耕地耕地料斗料斗DCAB实例：实例：火车轮火车轮特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB = CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行， 连杆作平动连杆作平动BC = ADABDC摄影平台摄影平台ADBCBC天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云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反向反向FAEDGBCABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运平行四边形机构在共线位置出现运动不确定

7、。动不确定。采用两组机构错开排列。采用两组机构错开排列。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云ABDCE（3 3）双摇杆机构双摇杆机构特征：特征：两个摇杆两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构特例：特例：等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构、风扇摇头机构、风扇摇头机构BCABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDCEABDCE电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆ABDC长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘

8、存云(1)(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二、铰链四杆机构的演化二、铰链四杆机构的演化偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构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 l长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云(2)(2)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架偏心轮机构偏心轮机构导杆机构导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：

9、潘存云设计：潘存云牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例:ABDC1243C2C1小型刨床小型刨床ABDCE123456长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架ACB1234应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC摇块机构摇块机构314A2BC长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为

10、机架314A2BC直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：方法称为：机构的倒置机构的倒置BC3214A导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC摇块机构摇块机构314A2BCABC3214长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 例：选择双滑块机构中的不同构件例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构作为机架可得不同的机构椭圆仪机构椭圆仪机构1234正弦机构正弦机构3214长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授

11、当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如的构件作为机架时，可得不同的机构。如 曲柄摇杆曲柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。2.连架杆或机架之一为最短杆。连架杆或机架之一为最短杆。一、铰链四杆机构存在一、铰链四杆机构存在曲柄曲柄(整转副整转副)的条件：的条件：1. 最长杆与最短杆的长度之和应最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和其他两杆长度之和称为称为杆长条件杆长条件122 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘

12、存云ABCDB1C1AD1.1.急回运动急回运动在在曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。位于两个极限位置，简称极位。当曲柄以当曲柄以逆时针转过逆时针转过180180+时，摇杆从时，摇杆从C1D位置位置摆到摆到C2D。 所花时间为所花时间为t1 , , 平均速度为平均速度为V1, ,那么有：那么有：/ )180(1t1211tCCV 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 3D此两处曲柄之间的夹角此两处曲柄之间的夹角 称为称为极位夹角极位夹角。180180C2B2)180/(21CC二、平面四杆机构的基本特性二、平面四杆机构的基本

13、特性长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云B1C1ADC2当曲柄以当曲柄以继续转过继续转过180180-时，摇杆从时，摇杆从C2D,置摆到置摆到C1D，所花时间为所花时间为t2 , ,平均速度为平均速度为V2 , ,那么有：那么有： 180180-/)180(2t因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。显然：显然：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。用以下比值表示急回程度称称K为为行程速比系数行程速比系数。12VVK 18018021tt且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性

14、质越明显。 只要只要 0 ， 就有就有 KK1所以可通过分析机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。11180KK设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K值，于是值，于是: 2212tCCV)180/(21CC121221tCCtCC长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 2. .压力角和传动角压力角和传动角设计时要求设计时要求: : minmin5050切向分力切向分力: F= Fcos法向分力法向分力: : F”= Fcos F 对传动有利对传动有利。=Fsin=Fsin可用可用的大小来表示的大小来表示机构传动力性能的好机构传动力性能的好坏坏压力角压力角：从动

15、件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹与力作用点绝对速度之间所夹锐角。锐角。传动角传动角 ：压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。 =Fsin=Fsin设计：潘存云FF F”ABCD长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云FF F”当当BCD90BCD90时，时， BCDBCDABCDminmin出现的位置：出现的位置：当当BCD90BCD90时，时， 1 8 01 8 0 - - BCDBCD此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。CDBAFF”F当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最

16、小或最大时，都有可能出现minmin为了保证机构良好的传力性能设计：潘存云C1B1l1l2l3l4DA机构的传动角一般在运动链机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。最终一个从动件上度量。1 12 2F F车门车门C2B2长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云F3. .机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆且连杆与曲柄两次共线与曲柄两次共线时时，有：，有：此时此时机构不能运动机构不能运动. .避免措施：避免措施： 两组机构错开排列，如两组机构错开排列，如火车轮机构火车轮机构; ;称此位置为：称此位置为： “死点死点”0 0靠靠飞轮的惯性飞轮

17、的惯性（如内燃机、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBCABEFDCG0 0F0 0长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云工件工件ABCD1234PABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具=0=0TABDC飞机起落架飞机起落架ABCD=0=0F也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具起落架、钻夹具等。等。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型机构选型根据给定的运动要求选择根据给定的运动要求选择 机构的类型；机构的类型；尺度综合尺度综合确定各构

18、件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长长 度尺寸度尺寸)。 同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）运动副结构合理等）;b)动力条件（如动力条件（如minmin）;c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。123 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云ADCB飞机起落架飞机起落架BC三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。飞机起落架、函数机

19、构。函数机构函数机构要求两连架杆的转角要求两连架杆的转角满足函数满足函数 y=logxxy=logxABCD长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。要求连杆在两个位置要求连杆在两个位置垂直地面且相差垂直地面且相差180 CBABDC长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云QABCDE设计：潘存云鹤

20、式起重机鹤式起重机搅拌机构搅拌机构要求连杆上要求连杆上E点的轨点的轨迹为一条卵形曲线迹为一条卵形曲线要求连杆上要求连杆上E点的轨点的轨迹为一条水平直线迹为一条水平直线QCBADE三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。3)满足预定的轨迹要求，如满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机鹤式起重机、搅拌机搅拌机等。等。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 给定的设计条件：给定的设计条件：1)几何条件几何

21、条件（给定连架杆或连杆的位置）（给定连架杆或连杆的位置）2)运动条件运动条件（给定（给定K）3)动力条件动力条件（给定（给定minmin）设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法图解法、解析法、实验法长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云E 一、按给定的行程速比系数一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构计算计算180(K-1)/(K+1);已知已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K， 设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为;作作C2PC1C2，作，

22、作C1P使使作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此圆上。选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: :以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： l1 =EC1/ 2 l2 = A = A C1EC1/ 2,A,A C2= =l2- - l1 l1 =( A A C1A A C2)/ 2 C2C1P=90, ,交于交于P;P; 90-P A A C1= = l1+ +l2C1C2DA长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云ADmn=D2) 导杆机构导杆机构分析：分析：

23、由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任选任选D D作作mDnmDn， 取取 A A 点 ， 使 得点 ， 使 得 A D = d , A D = d , 则则 : : a=dsin(a=dsin(/2)/2)。=Ad作角分线作角分线; ;已知：已知：机架长度机架长度d，K，设计此机构。，设计此机构。长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云E222ae3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H，偏距偏距e e，设计此机构，

24、设计此机构 。计算计算: 180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C1 C2 H H作射线作射线C1O O 使使C2C1O=90, , 以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作射线C2O O使使C1C2 O=90。 作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。C1C29090-o9090-Al1 =EC2/ 2l2 = A = A C2EC2/ 2长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云二、按预定连杆位置设计四杆机构二、按预

25、定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆两组位置给定连杆两组位置有唯一解。有唯一解。B2C2AD将铰链将铰链A、D分别选在分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。位置都能满足设计要求。b)给定连杆上铰链给定连杆上铰链BC的三组位置的三组位置有无穷多组解。有无穷多组解。ADB2C2B3C3ADB1C1B1C1长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云D实验法设计四杆机构实验法设计四杆机构当给定连架杆位置超过三对时，一般不可能有精确解。只能用优化或试凑的方法获得近似解。(1)首先在一张纸上首先在一张纸上取固定轴取固定轴A的位置，的位置，作原动件

26、角位移作原动件角位移i i位置位置 i i 位置位置 i i 12 15 10.8 45 15 15.8 23 15 12.5 56 15 17.5 34 15 14.2 67 15 19.2 (2)任意取原动件长度任意取原动件长度AB(3)任意取连杆长度任意取连杆长度BC，作一系列圆弧，作一系列圆弧;(4)在一张透明纸上取固定轴在一张透明纸上取固定轴D，作角位移，作角位移iDk1(5) 取一系列从动件取一系列从动件长度作同心圆弧。长度作同心圆弧。(6) 两图叠加，移动透明两图叠加，移动透明 纸，使纸，使ki落在同一圆落在同一圆 弧上。弧上。 iiAC1B1长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授

27、 设计：潘存云设计：潘存云四、按预定的运动轨迹设计四杆机构四、按预定的运动轨迹设计四杆机构ABCDE14325 传送机构传送机构搅拌机构搅拌机构CBADE6步进式步进式长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云ABCD四、按预定的运动轨迹设计四杆机构四、按预定的运动轨迹设计四杆机构NEM连杆作平面运动连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同其上各点的轨迹均不相同。B, C点的轨迹为圆弧点的轨迹为圆弧; 其余各点的轨迹为一其余各点的轨迹为一条条 封闭曲线封闭曲线。设计目标设计目标: 就是要确定一组就是要确定一组杆长参数杆长参数, 使连杆上某点的使连杆上某点的轨迹满足设计要求轨迹满足设计要求。连杆曲线连杆曲线长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云连杆曲线生成器ABCD长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云连杆曲线图谱连杆曲线图谱长沙航空职院专用 作者： 潘存云教授 本章重点：本章重点：1.四杆机构的基本形式、演化及应用；四杆机构的基本形式、演化及应用；2.曲柄存在条件、传动角曲柄存在条件、传动角、压力角、压力角、死点、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握