机械设计基础第二章

1、第2章 平面连杆机构返回目录平面连杆机构平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构：用低副连接而成的平面机构平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点优点优点 （1）由于是低副，是面接触，所以承受压强小，便于润）由于是低副，是面接触，所以承受压强小，便于润滑，磨损较轻，可承受较大载荷滑，磨损较轻，可承受较大载荷 （2）结构简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本）结构简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠 （3）可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规）可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求律的要求 缺点缺点

2、（1）连杆机构的设计比较复杂，不易精确实现较复杂的运动）连杆机构的设计比较复杂，不易精确实现较复杂的运动规律规律 （2）当构件数和运动副数较多时，效率较低。）当构件数和运动副数较多时，效率较低。2-1 铰链四杆机构的基本类型和性质铰链四杆机构的基本类型和性质定义定义：所有运动副均为转动副的平面四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构组成机架：固定件机架：固定件连杆：不与机架直接相连的构件连杆：不与机架直接相连的构件连架杆（连架杆（2个）：与机架相连的构个）：与机架相连的构件件曲柄曲柄摇杆摇杆能做能做360度度整周回转整周回转在小于在小于360度的度的某一角度范围的某一角度范围的摆动摆动DA

3、BC3412双摇杆机构双摇杆机构DABC3412双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构一、曲柄摇杆机构一、曲柄摇杆机构 两个连架杆中，一个为两个连架杆中，一个为曲柄曲柄，另一个为，另一个为摇杆摇杆，则此铰链四杆机构称为则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构。 曲柄曲柄1为原动件，作为原动件，作匀速转动；匀速转动；摇杆摇杆3为从动件，为从动件，作作变速往复摆动变速往复摆动。 1 1） 曲柄为主动件曲柄为主动件可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。的运动转换。 雷达俯仰天线雷达俯仰天线刮水器 2 2） 摇杆为主动件摇杆为主动件可

4、以将摇杆的摆动变为曲柄的整周回转运动。可以将摇杆的摆动变为曲柄的整周回转运动。 缝纫机2.2.双曲柄机构双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构两连架杆均为曲柄的四杆机构两个连架杆都能作整周回转运动两个连架杆都能作整周回转运动3.3.双摇杆机构双摇杆机构两连架杆均为摇杆两连架杆均为摇杆起重机中重物平移机构起重机中重物平移机构点点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车子转向时，落在后轮轴线的延长线上，则当整个车子转向时，保证四个轮子都是纯滚动，从而可以避免轮胎因滑动而产保证四个轮子都是纯滚动，从而可以避免轮胎因滑动而产生过大磨损。生过大磨损。图26在实际中，除上述的三种基本类型的铰链四杆机构外，还广

5、泛地使用着许多其它类型的四杆机构。而这些四杆机构都可以看作是通过某种方法由铰链四杆机构演化而成的。例如我们前面所说，铰链四杆机构可以分为三种形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，而其中后两种机构可视为曲柄摇杆机构取不同构件作为机架演化而来。尽管其形式不同于基本类型，但其运动性质、分析和设计方法在本质上是相同或类似的。接下来我们就对机构的演化方法加以介绍。要遵循要遵循“不改变构件间的相对运动状况，而只可改变构件的不改变构件间的相对运动状况，而只可改变构件的形状或其绝对运动形状或其绝对运动”的原则的原则。图271、改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸曲柄滑块机构曲柄滑块机构摇杆

6、长摇杆长转动副转动副Dmm直线直线滑块滑块摇杆摇杆4移动副移动副曲柄滑块机构曲柄滑块机构根据滑块导路是否通过固定铰链中心根据滑块导路是否通过固定铰链中心A，可分为对心曲柄滑，可分为对心曲柄滑块机构和偏心曲柄滑块机构，其偏心的距离块机构和偏心曲柄滑块机构，其偏心的距离e称作偏心距。称作偏心距。杆杆4称为导杆称为导杆滑块滑块3沿导杆移动并随导杆一起绕沿导杆移动并随导杆一起绕A点转动点转动当当l1l2，杆杆2、杆、杆4能作能作整周转动整周转动，称为，称为转动转动导杆机构。导杆机构。当当l1l2，杆杆4只能往复摆动，称为只能往复摆动，称为摆动摆动导杆机构。导杆机构。自卸卡车车箱的举升机构自卸卡车车箱的

7、举升机构手动抽水泵手动抽水泵按照同样的演化方法，若将铰链四杆机构中两个转动副用移动副按照同样的演化方法，若将铰链四杆机构中两个转动副用移动副代替，并分别改取不同的构件为机架，可以演化出正弦机构、正代替，并分别改取不同的构件为机架，可以演化出正弦机构、正切机构等。切机构等。正切机构椭圆仪改变运动副的尺寸：偏心轮机构改变运动副的尺寸：偏心轮机构 杆杆1变为圆盘，其几何变为圆盘，其几何中心为中心为B，运动时，圆盘，运动时，圆盘绕偏心绕偏心A转动，故称为转动，故称为偏偏心轮心轮。 A 、B之间的距离之间的距离称为称为偏心距偏心距e，即为曲柄的，即为曲柄的长度。长度。扩大扩大转动副转动副B的半径的半径使

8、之超过使之超过曲曲柄的长度柄的长度2 341e1234l l2 2Al l1 1l l3 3l l4 4CBDBC BC 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构在在B BC CD D中有：中有：l l3 3 l l4 + + （l l1-1- l l2 2）l l4 4 l l3 3 + +（l l1-1- l l2 2）l l2 2+ +l l3 3 l l1 1+ +l l4 4l l2+2+l l4 4 l l1 1+ +l l3 3l l1 1+ +l l2 2 l l3 3+ +l l4 4(3)(3)(2)(2)(1)(1)2-2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性铰链四杆机构中是否存

9、在曲柄，取决于机构各杆的相对长度和机架的选择。铰链四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构各杆的相对长度和机架的选择。如图所示的机构中，杆如图所示的机构中，杆1为机架，杆为机架，杆2为曲柄，杆为曲柄，杆3 为连杆，杆为连杆，杆4为摇杆，各为摇杆，各杆长度以杆长度以l1、l2、l3、l4表示。为了保证曲柄整周回转，曲柄必须能顺利表示。为了保证曲柄整周回转，曲柄必须能顺利通过通过与机架共线的两个位置与机架共线的两个位置AB和和AB。BCD中中1、曲柄存在的条件、曲柄存在的条件由（1）、（2）、(3)式两两相加，得到以下关系式：l2l1 l2l3 l2l4 (4)说明AB杆为最短杆 最短杆与最长杆长度之和

10、小于或等最短杆与最长杆长度之和小于或等 于其余两杆长度之和；（杆长之和条件）于其余两杆长度之和；（杆长之和条件） 连架杆与机架中必有一杆为最短杆。连架杆与机架中必有一杆为最短杆。 （最短杆条件）（最短杆条件）曲柄存在条件 （格拉肖夫条件）你会你会判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构么？构么？ 具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还应根据选择何杆具有整转副的铰链四杆机构是否存在曲柄，还应根据选择何杆为机架来判断为机架来判断判断由不同杆作机架时四杆机构类型的方法判断由不同杆作机架时四杆机构类型的方法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

11、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、当原动件（曲柄）作匀速定轴转动、从动件相对机架作往复运动（摆动当原动件（曲柄）作匀速定轴转动、从动件相对机架作往复运动（摆动或移动）时，从动件正反两个行程的平均速度不相等的现象称为机构的或移动）时，从动件正反两个行程的平均速度不相等的现象称为机构的急回运动特性急回运动特性。概念：概念： 摆角摆角、极、极位夹角位夹角2、急回特性、急回特性 急回运动特性可用行程速度变化系数：（或急回运动特性可用行程速度变化系数：（或行程速比系数行程

12、速比系数）K表示：表示：= K =180=180（K-1K-1）/ /（K+1K+1）v v2 2/v/v1 1（C C2 2C C1 1/t/t2 2）/ / （C C1 1C C2 2/t/t1 1 ）t t1 1/t/t2 2 1 1/ / 2 2（180180+）/ /（180180-）=极位夹角计算公式：极位夹角计算公式：式中式中为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角，称为极位夹角锐角，称为极位夹角（ C2AC1） 。连杆机构输出件具有急回特性的条件：连杆机构输出件具有急回特性的条件：1）原动件等角速整周转动；）原动件等角速整周转动；2）

13、输出件具有正、反行程的往复运动；）输出件具有正、反行程的往复运动；3）极位夹角）极位夹角00。说明：说明：（1）机构有极位夹角，就有急回特性；）机构有极位夹角，就有急回特性；（2）越大，越大，K值越大，急回特性就越显著；值越大，急回特性就越显著；（3）=0、K=1时，无急回特性。时，无急回特性。 急回特性的作用：急回特性的作用：可以缩短非生产时间，提高生产率。可以缩短非生产时间，提高生产率。 A AB BC CD DF Fvcvc（1 1）机构压力角机构压力角: :在在不计摩擦力、惯性力不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，机和重力的条件下，机构中驱使输出件运动构中驱使输出件运动的力与输出件上受力

14、的力与输出件上受力点的速度方向间所夹点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压的锐角，称为机构压力角，通常用力角，通常用表示表示。3、压力角和传动角、压力角和传动角传动角传动角：压力角压力角的余角的余角A AB BC CD DvcvcF FFtFtFnFn通常用通常用表示表示. .F Ft t 为为有效分力有效分力F Ft t = = FcosFcos , ,F Ft t 在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角来判来判断机构传力性能。断机构传力性能。 F Ft t ，机构传力性能越，机构传力性能越好，反之，机构传力越费劲，传动效率越低。好，反之，机构传力越费劲，

15、传动效率越低。 9090，连杆和从，连杆和从动摇杆之间所夹的动摇杆之间所夹的锐角锐角22minmin 40 ；曲柄摇杆机构的曲柄摇杆机构的最小传动角最小传动角出现在曲柄与机架共出现在曲柄与机架共线（线（ 0 0 或或 180180 ）的位置。）的位置。机构运转时，传动角机构运转时，传动角是变化的，为了保证机构的正是变化的，为了保证机构的正常工作，常工作，机构的传动角作出如下规定机构的传动角作出如下规定BDBD2 2= = l l1 12 2 + +l l4 42 2-2-2l l1 1l l4 4coscos 最小传动角的确定最小传动角的确定在在 ABDABD和和 BCDBCD中：中：F Fv

16、 vc cBDBD2 2= = l l2 22 2 + +l l3 32 2-2-2l l2 2l l3 3cos cos BCDBCDA AB BC CD D F Fv vc cF1F1B BB BC CC Cminmin l l1 1l l2 2 l l3 3l l4 4manman=F2F2F2F2A AB BC CD D F Fv vc cF1F1B BB BC CC Cminmin l l1 1l l2 2 l l3 3l l4 4manmanCosCos BCDBCD = =（l l2 22 2 + +l l3 32 2-l l1 12 2-l l4 42 2 +2+2l l1 1

17、l l4 4coscos ） 2 2l l2 2l l3 3 BCDBCD 180- BCDBCD BCDBCD 为钝角时为钝角时 BCDBCD 为锐角时为锐角时22 在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下: : 当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中心当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中心A A的力，对的力，对A A点不产生力矩，不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点点不产生力矩，不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置位置 。B BF FD DB BA AD DA AC CC CF F4、死点位置、死点位置曲柄摇

18、杆机构中，若以摇杆为原动件，当连杆与从动件（曲柄）共线时的位置称死点位置。这时机构的传动角=0，压力角=900，即连杆对从动曲柄的作用力恰好通过其回转中心A，不能推动曲柄转动。 存在死点位置的标志：存在死点位置的标志：连杆与从动件共线。连杆与从动件共线。 摇杆为原动件，有摇杆为原动件，有2个死点位置；个死点位置；曲柄为原动件，没有死点位置。曲柄为原动件，没有死点位置。（因连杆与从动杆不会共线）（因连杆与从动杆不会共线） 缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构死点位置会使机构的从死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不动件出现卡死或运动不确定的现象。这种缺陷确定的现象。这种缺陷可利用回转机构的惯性可利用回

19、转机构的惯性或添加辅助机构来克服。或添加辅助机构来克服。如家用缝纫机的脚踏机如家用缝纫机的脚踏机构，就是利用皮带轮的构，就是利用皮带轮的惯性作用使机构能通过惯性作用使机构能通过死点位置死点位置思考题 曲柄摇杆机构是否一定具有急回特性？ 是否肯定有死点位置？1.曲柄为原动件，当曲柄为原动件，当机构有极位夹角时，就机构有极位夹角时，就 有急回特性；有急回特性； =0、K=1时，无急回特性时，无急回特性。2.存在死点位置的标志是：存在死点位置的标志是：连杆与从动件共线连杆与从动件共线。 摇杆为原动件，有摇杆为原动件，有2个死点位置；个死点位置； 曲柄为原动件，没有死点位置。曲柄为原动件，没有死点位置

20、。 （因连杆与从动杆不会共线）（因连杆与从动杆不会共线） （1 1）曲柄为主动件时，无死点位置；）曲柄为主动件时，无死点位置；（2 2）摇杆为主动件时，曲柄与连杆共线）摇杆为主动件时，曲柄与连杆共线的两个位置是死点位置（图中虚线位置）的两个位置是死点位置（图中虚线位置）两曲柄之一为主动件时，机构均无死点位两曲柄之一为主动件时，机构均无死点位置置两摇杆中任一杆为主动件时，机构都有一两摇杆中任一杆为主动件时，机构都有一个死点位置（如图中虚线位置之一）个死点位置（如图中虚线位置之一）双曲双曲柄机柄机构构曲柄曲柄摇杆摇杆机构机构双摇双摇杆机杆机构构几种基本四杆机构死点位置的分析几种基本四杆机构死点位置

21、的分析名称名称机构的死点位置机构的死点位置分分 析析（1 1）曲柄为主动件时，机构无死点位置；）曲柄为主动件时，机构无死点位置；（2 2）滑块为主动件时，机构有两个死点）滑块为主动件时，机构有两个死点位置（图中虚线位置）位置（图中虚线位置） 曲柄或导杆为为主动件时，机构曲柄或导杆为为主动件时，机构均无死点位置；均无死点位置；（1 1）曲柄为主动件时，机构无死点位置；）曲柄为主动件时，机构无死点位置；（2 2）导杆为主动件时，机构有两个死点）导杆为主动件时，机构有两个死点位置（图中虚线位置）位置（图中虚线位置）偏置偏置曲柄曲柄滑块滑块机构机构摆动摆动导杆导杆机构机构转动转动导杆导杆机构机构利用系统的惯性；利用系统的惯性；利用特殊机构。利用特殊机构。2-3平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计根据给定的运动条件，确定机构运动简图的根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数尺寸参数 按照给定从动件的运动规律设计四杆机构按照给定从动件的运动规律设计四杆机构（位置、速度、加速度）（位置、