第3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 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点3-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用3-3 有关平面四杆机构的一些基本知识有关平面四杆机构的一些基本知识3-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计3-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点应用实例：应用实例：内燃机、鹤式吊、火车轮、急回冲床、牛头刨床、翻箱机、内燃机、鹤式吊、火车轮、急回冲床、牛头刨床、翻箱机、椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠伞、床、牙膏筒拔管椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠伞、床、牙膏筒拔管机、单车等机、单车等特征：特征：有一作平面运动的构件，

2、称为连杆。有一作平面运动的构件，称为连杆。特点：特点： 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。形状简单、易加工。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。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。构件呈构件呈“杆杆”状、传递路线长。状、传递路线长。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。难以实现精确的轨迹。难以实现精确的轨迹。分类分类:平面连

3、杆机构平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构常以构件数命名：常以构件数命名：四杆机构四杆机构、多杆机构多杆机构。本章重点内容是介绍四杆机构。本章重点内容是介绍四杆机构。3-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用1.平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的名词解释：名词解释：曲柄曲柄作整周定轴回转的构件；作整周定轴回转的构件；三种基本型式：三种基本型式：（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摇杆的往复摆动。如雷达天线。将

4、曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。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360 360 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（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：将等速回转转变为作用：将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。如回转。如惯性筛惯性筛等。等。雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构曲柄主动曲柄主动ABDC1243ABDC12432143缝纫机

5、踏板机构缝纫机踏板机构摇杆主动摇杆主动3124ABDC1234E6耕地耕地料斗料斗DCAB实例：实例：火车轮火车轮惯性筛机构惯性筛机构特例：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，连杆作平动两连架杆等长且平行，连杆作平动香皂成型机。香皂成型机。BC = ADABCD31BCABDC耕地耕地料斗料斗DCAB、摄影平台摄影平台ADBC、天平天平、播种机料斗机构播种机料斗机构为避免在共线位置出现运动不确定，为避免在共线位置出现运动不确定，采用两组机构错开排列。采用两组机构错开排列。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AEDGBFC

6、ABEFDCGABDCE（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：应用举例：铸造翻箱机构铸造翻箱机构特例：特例：等腰梯形机构汽车转向机构等腰梯形机构汽车转向机构、风扇摇头机构风扇摇头机构ABDCBCABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机电机电机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ABDCEABDCE2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式(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

7、机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构ss=l sin (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314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块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小型刨床小型刨床牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例ABDCE123456ABDC1243C2C1(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架摇块机构摇块机构314A2BC导杆机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构ACB1234应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升

8、机构应用实例应用实例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(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架摇块机构摇块机构314A2BC导杆机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构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方法称为：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：-机构的倒置机构的倒置BC3214AABC3214(4)(4)运动副元素的逆换运动副元素的逆换将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响两将低副两运动副元素的包容关系

9、进行逆换，不影响两构件之间的相对运动。构件之间的相对运动。椭圆仪机构椭圆仪机构例：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导杆机构导杆机构摇块机构摇块机构正弦机构正弦机构32141234432132143-3 有关平面四杆机构的一些基本知识有关平面四杆机构的一些基本知识1.1.平面平面四杆机构四杆机构有曲柄的条件有曲柄的条件设设adadad，同理有：，同理有： da, db, dcabdcCBADB”C”则由则由BCD可得：可得：三角形任意两边之和大于第三边则由则由B”C”D可得：可得：a+db+cc(d-a)+ b即即: a+bd

10、+c即即: a+cd+bAB为最短杆为最短杆AD为最短杆为最短杆ad中必有一个是机架最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和cbd-a2.连架杆或机架之一为最短杆。连架杆或机架之一为最短杆。可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副副都是周转副。曲柄存在的条件：曲柄存在的条件：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此时，铰链此时，铰链A为周转副。为周转副。若取若取BC为机架，则结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。也是周转副。ABCDabcd 称为称为杆长条件

11、杆长条件。 当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：构件作为机架时，可得不同的机构。如：曲柄摇杆曲柄摇杆、 双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。ABCD2.2.急回运动和行程速比系数急回运动和行程速比系数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位置摆到位置摆到C2D。所花时间为所花时间为t1 , , 平均速度为平均速度为V1

12、, ,那么有：那么有：/ )180(1t1211tCCV )180/(21CC曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构3DB1C1AD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。C2B2180180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，180180-B1C1ADC2B2180180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： 12VVK 180180/ )180(2t因曲柄转角不同，故摇杆来回因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度摆动的时间不一样，平均速度也不等。也不等。并且：并且

13、：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：。用以下比值表示急回程度：21tt称称K为为行程速比系数行程速比系数。2212tCCV )180/(21CC122121tCCtCC且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。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。曲柄滑块机构曲柄滑块机构的急回特性的急回特性应用：应用：空行程节省运动时间，如空行程节省运动时间，如牛头刨牛头刨、往复式输送机等。、往复式输送机等。180180

14、180180-导杆机构导杆机构的急回特性的急回特性180180180180-思考题：思考题： 对心曲柄滑块机构的急回特性如何？对心曲柄滑块机构的急回特性如何？11180KK:180180可得由K对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K, 先求出 ，然后在设计各构件的尺寸。PPt PnABCDminmin出现的位置：出现的位置：3. .四杆机构的压力角与传动角四杆机构的压力角与传动角切向分力切向分力: : P Pt t= Pcos= Pcos法向分力法向分力: : P Pn n= Pcos= Pcos P Pt t可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能

15、的好坏, ,对传动有利对传动有利。为了保证机构良好的传力性能，设计时要求为了保证机构良好的传力性能，设计时要求: :当当BCD90BCD90时，时，BCDBCD当当BCD90BCD90时，时，当当BCDBCD最小或最大时，最小或最大时，都有可能出现都有可能出现minmin此位置一定是：此位置一定是：= Psin= Psin称称为为传动角传动角minmin5050 180180- BCD- BCDCDBAP主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。由余弦定律有：由余弦定律有： B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/

16、2bc/2bc B B2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc若若B B1 1C C1 1D90D90, ,则则若若B B2 2C C2 2D90D90, , 则则1 1BB1 1C C1 1D D2 2180180-B-B2 2C C2 2D D机构的传动角一般在运动机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。链最终一个从动件上度量。车门车门vC2B21 1C1B1abcdminminBB1 1C C1 1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDminmin2 2P4. .四杆机构的死点四杆机构的死

17、点摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆与且连杆与曲柄两次共线曲柄两次共线时时，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; ;P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的惯性（如内然机、缝纫机等）。（如内然机、缝纫机等）。AEDGBFCABEFDCGABCD1234P钻孔夹具钻孔夹具也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作： 起落架、钻夹具等起落架、钻夹具等。工件工件ABCD1234工件工件P=0=0TABDC飞机起落架飞机起落架ABCDF=0=05. .铰链四杆机构的运动连续性铰链四

18、杆机构的运动连续性指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。可行域：可行域：摇杆的运动范围。摇杆的运动范围。不可行域：不可行域：摇杆不能达到的区域。摇杆不能达到的区域。设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。称此为称此为错位不连续错位不连续。错序不连续错序不连续设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。DAB1C1B2C2B3C3DAB1C1B3C3B2C2CC1C2C1C2CADB3-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 1.连杆机构设计的基本问题连

19、杆机构设计的基本问题2. 用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构3.用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构3.2按两连架杆三组对应位置设计四杆机构按两连架杆三组对应位置设计四杆机构3.1按预定连杆位置设计四杆机构按预定连杆位置设计四杆机构3.3按连杆上任意标志线的三组对应位置设计四杆机构按连杆上任意标志线的三组对应位置设计四杆机构3.4按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构3-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 1.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机构的类型；根据给定的运动要求选择机构的类型；尺度综合尺度

20、综合确定各构件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长度尺寸长度尺寸)。 同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）（如要求有曲柄、杆长比恰当、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。三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如牛头刨。满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如牛头刨。2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。3)满足预定的轨迹要求，如鹤式起重机、搅拌机等。满足预定的轨迹要求，如鹤式

21、起重机、搅拌机等。2.用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构2.1按预定连杆位置设计四杆机构按预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。c )给定连杆四组位置给定连杆四组位置B1C1B2C2AD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位置都能满连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。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唯一解，但设计复杂，不讨论。有唯一解，但设计复杂，不讨论。有无穷多组解。有无穷多组解。ADB1C1B2C2B3C3AD2.2按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构a) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);已知已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K，设计，设计此机构。步骤如下：此机构。步骤如下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形腰长，作等腰三角形腰长 为为CDCD，夹角为，夹角为;作作C2PC1C2，作，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a a，连杆为，连