《机械原理》第三章平面连杆机构及其设计

1、第三章第三章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计3-1 3-1 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题平面连杆机构的特点及其设计的基本问题3-2 3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化平面四杆机构的基本型式及其演化3-3 3-3 平面四杆机构的主要工作特征平面四杆机构的主要工作特征3-4 3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计3-5 3-5 实现给定运动规律的平面四杆机构运动设计实现给定运动规律的平面四杆机构运动设计3-6 3-6 实现给定运动轨迹的平面四杆机构运动设计实现给定运动轨迹的平面四杆机构运动设计3-1 3-1 平面连杆机构的特点及其

2、设计的平面连杆机构的特点及其设计的基本问题基本问题n由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称为机构称为连杆机构连杆机构，又称为，又称为平面低副机构。平面低副机构。摆动导杆机构四杆机构n抽油机中的连杆机构抽油机中的连杆机构抽油机内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机构内燃机缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构缝纫机平面连杆机构的传动优点平面连杆机构的传动优点（1 1）、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，）、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。（2

3、 2）、制造方便易获得较高的精度。）、制造方便易获得较高的精度。（3 3）、两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，）、两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，不需要力封闭。不需要力封闭。平面连杆机构的缺点平面连杆机构的缺点（1 1）、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。）、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。（2 2）、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。）、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。（3 3）、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。平面连杆机构设计的三类基本问题平面连杆机构设计的三类基本问题1）实现构件给定

4、位置）实现构件给定位置2）实现已知运动规律）实现已知运动规律3）实现已知运动轨迹）实现已知运动轨迹平面连杆机构的运动设计方法：平面连杆机构的运动设计方法：图解法：图解法：形象直观，形象直观，但精度较低但精度较低解析法：解析法：设计精度高，设计精度高，但不直观。但不直观。 低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不因其低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称为低副运中哪个构件是固定件而改变，这一特性称为低副运动的可逆性。动的可逆性。补：低副运动的可逆性补：低副运动的可逆性3-2 3-2 平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式及其演化及其演化一、铰链四杆

5、机构一、铰链四杆机构 铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运动副均为动副均为转动副转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。时的四杆机构为铰链四杆机构。 构件名称构件名称连架杆连架杆：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。整转副整转副组成转动副的两构件能作整周相对转动的运动副。组成转动副的两构件能作整周相对转动的运动副。摆动副摆动副组成转动副的两构件不能相对作整周转动

6、的运动副。组成转动副的两构件不能相对作整周转动的运动副。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铰链四杆机构可分为三种基本型式：铰链四杆机构可分为三种基本型式：1）曲柄摇杆机构：）曲柄摇杆机构：1个曲柄、个曲柄、1个摇杆个摇杆2）双曲柄机构：）双曲柄机构：2个曲柄个曲柄3）双摇杆机构：）双摇杆机构：2个摇杆个摇杆1)1)、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构： 若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆，则此四杆机构称为另一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机曲

7、柄摇杆机构。构。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用雷达天线机构搅拌机机构2)2)、双曲柄机构、双曲柄机构在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为此四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构。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 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，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，称为平行四边形机构。两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。a.a.平行四边形机构：平行四边形机构：平行四边行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 在双曲柄机构中，若相对两杆

8、的长度相等，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行但不平行(BC(BC与与AD)AD)，两曲柄转向相反（，两曲柄转向相反（ABAB与与CDCD），称为反平行四边形机构。），称为反平行四边形机构。b.b.反平行四边形机构：反平行四边形机构：反平行四边形车门开闭机构3)3)、双摇杆机构、双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为则此四杆机构称为双摇杆机构双摇杆机构。 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构鹤式起重机机构鹤式起重机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)12

9、34ABCD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( 0)e 0)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 (e = 0)(e = 0)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定块机构定块机构曲柄摇块机构定块机构曲柄摇块机构曲柄摇块机构汽车装卸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导杆机构导杆机构转动导杆摆动导杆转动与摆动比较演示转动与摆动比较演示刨床机构刨床机构摆动导

10、杆机构摆动导杆机构(ABBC(ABBC)转动导杆机构(ABeba+ebae当 e=0时 ba二、行程速度变化系数二、行程速度变化系数1. 机构极位（机构极位（极限位置）极限位置）：曲柄回转一周，与连杆两次曲柄回转一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别处于两共线，此时摇杆分别处于两个位置，称为机构极位。个位置，称为机构极位。2. 极位夹角：机构在两个极极位夹角：机构在两个极位时，原动件所处两个位置位时，原动件所处两个位置之间所夹的角之间所夹的角称为极位夹称为极位夹角。角。一般一般K2，q q为锐角。为锐角。3. 急回运动：急回运动：q180121DCDCq180221DCDC121t2t 曲柄等速转

11、动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为急回运动。机构的这种运动性质称为急回运动。摇杆摇杆C点平均速度点平均速度2v1v曲柄摇杆急回运动qq00212112122112180180/tttCCtCCvvK4. 行程速比系数行程速比系数K 为表明急回运动程度，用反正行程速比系数为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量：来衡量：q q角愈大，角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著。值愈大，急回运动性质愈显著。一般一般K2，q q为锐角为锐角11-1800KKqAB2C2B1C1e21qw1曲柄滑块机构曲柄滑块机构对心曲

12、柄滑块机构对心曲柄滑块机构00，没有急回运动，没有急回运动偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构0 0，有急回运动，有急回运动对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构摆动导杆机构的急回运动摆动导杆机构的急回运动ADBq=12w1有急回特性的机构：有急回特性的机构：部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构块机构、摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构无急回特性的机构：无急回特性的机构：正弦机构、对心曲柄滑块机构、正弦机构、对心曲柄滑块机构、双曲柄四杆机构双曲柄四杆机构机构急回的作用

13、：机构急回的作用： 节省空回时间，提高工作效率。节省空回时间，提高工作效率。注意：急回具有方向性注意：急回具有方向性gFtFFnvcgADBCB2C2maxB1C1min三、压力角和传动角三、压力角和传动角1. 机构压力角机构压力角a 机构从动件上机构从动件上力的作用线与力作用点的力的作用线与力作用点的绝对速度之间所夹的锐角绝对速度之间所夹的锐角，为机构在此位置的压力角，为机构在此位置的压力角 。2. 传动角传动角 机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角 g g。g 90 机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。机构常用传动角大小及变化来衡量

14、机构传力性能的好坏。5040ming；，；，gg设计时 g40高速和大功率 g50n机构在运转过程中，传动角机构在运转过程中，传动角 随机构随机构的位置不同而变化，为保证的位置不同而变化，为保证机构的传力效果，机构的传力效果， 40mingg压力角bcadcb2)(arccos2221g)90(2)(arccos222222DCBbcadcbg曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构： g gmin出现在曲柄与出现在曲柄与机架共线的两位置之一。机架共线的两位置之一。3. 最小传动角的位置：最小传动角的位置：)90(2)(arccos180222222DCBbcadcbg或),min(21mingggbaeg

15、gmin补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时，补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时， g gmin出现出现的位置。的位置。beaeaxxbxarccoscosminmaxggg最小。最大时，当 x四、死点位置四、死点位置B1C1B2C2ADBC 曲柄摇杆机构：若以摇杆曲柄摇杆机构：若以摇杆CD为主动件，则当为主动件，则当连杆与连杆与曲柄共线时曲柄共线时，机构传动角为零，这时，机构传动角为零，这时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转中心，出现不能使构件上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件AB转动而转动而“顶死顶死”的现象，机构的这种位置称为死点。的

16、现象，机构的这种位置称为死点。曲柄滑块机构的死点位置曲柄滑块机构的死点位置出现死点位置的条件：出现死点位置的条件：（1）用有极限位置的构件作原动件；）用有极限位置的构件作原动件；（2）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。判断下列机构中有没有死点位置。判断下列机构中有没有死点位置。传动机构中使机构通过死点的措施：传动机构中使机构通过死点的措施：措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其中一个机构处于死点位置时，另一个并列机构不处于死点位置。中一个机构处于死点位置时，另一个并列机

17、构不处于死点位置。措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过通过死点位置。借惯性作用使机构闯过通过死点位置。机车车轮联动机构机车车轮联动机构缝纫机脚踏板机构缝纫机脚踏板机构利用死点实现特定工作要求的机构示例：利用死点实现特定工作要求的机构示例：工件夹紧机构飞机起落架机构机构的极位和死点位置的关系：机构的极位和死点位置的关系：是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；当原动件与连杆共线时为极位；当原动件与连杆共线时为极位；当从动件与连杆共线时为死点。当从动件与连杆共线时为死点。总结：总结：一、

18、机构有整转副的条件一、机构有整转副的条件 曲柄与机架共线曲柄与机架共线二、行程速度变化系数二、行程速度变化系数 机构极限位置时，曲柄与连杆共线机构极限位置时，曲柄与连杆共线三、压力角和传动角三、压力角和传动角 传动角极限值时，曲柄与机架共线传动角极限值时，曲柄与机架共线四、死点位置四、死点位置 曲柄与连杆共线曲柄与连杆共线ABCDc12b12a. 分析分析几何特点：几何特点：活动铰活动铰链轨迹圆上任意两点连线链轨迹圆上任意两点连线的垂直平分线必过回转中的垂直平分线必过回转中心心(固定铰链点固定铰链点)b. 设计设计C1C2B1B2b12c12A点所在线点所在线D点所在线点所在线ADB1B2C1

19、C23-4 3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计一、图解法一、图解法1 1、连杆位置用动铰链中心、连杆位置用动铰链中心B B、C C两点表示两点表示 已知连杆两位置已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置已知连杆三位置B2ADC2C3B3b23c23C1B1b12c23 唯一解唯一解 已知连杆四位置已知连杆四位置 无解无解B2C2C3B3C1B1C4B4分析图分析图3-202.连杆位置用连杆平面上任意两点表示连杆位置用连杆平面上任意两点表示a. 问题问题（已知连杆位置及固定铰链找活动铰链已知连杆位置及固

20、定铰链找活动铰链采采用转换机架法，把用转换机架法，把EF看做机架）看做机架）b. 相对运动分析相对运动分析站在机架上看：站在机架上看：B点饶点饶A点点顺时针顺时针转动，转动，C点饶点饶D点点顺时针顺时针转动。转动。站在连杆上观察：站在连杆上观察：从位置从位置1到位置到位置2，C2B2E1DF2E2F1AB1C1ABC增大，增大， BCD减小，即减小，即A点饶点饶B点点顺时针顺时针转动，转动，D点饶点饶C点点顺时针顺时针转动。转动。(avi)(avi)连杆运动1连杆运动2E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1F2E2F1B1C1B2C2ADA2D2d12a12(avi)c.

21、 设计设计 两对应位置两对应位置E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1ADE2F1F2A1D1B1C1C2B2 三对应位置三对应位置E1ADE2F1F2C2B2F3A2D2E3B1C1a23a12d12d23设计步骤：设计步骤：1. 连接连接E3A、F3D 、E2A、F2D(或或E1A、F1D ）；）；2. 刚化刚化E3F3DA 、E2F2DA(或或E1F1DA)，3.并将并将E3F3 和和E2F2分别分别重合于重合于E1F1 ，得到，得到A3、D3 和和 A2 、D2 点；点；5.连接连接AB1、DC1、B1C1、B1E1和和C1F1得所需机构。得所需机构。4.连接连接

22、AA2 、A2A3 、DD2 和和D2D3 、并分别作其垂直平分线，得交点并分别作其垂直平分线，得交点 B1和和C1；6.根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。A3D31. 按给定两连架杆对应位置设计四杆机构（转换机架法）按给定两连架杆对应位置设计四杆机构（转换机架法）把把DF看做机架。看做机架。AD231231B1B2B3F1F2F3B22B33ADB1B2B3F1F2F3C3-5 3-5 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计一、图解法一、图解法(avi)2. 按给定从动件行程和行程速度变化系数设计四杆机构按给定从动件行程和行程速度变化系数设计四杆机构q21