机械设计基础-平面连杆机构

1、 铰链四杆机构的基本型式和特性铰链四杆机构的基本型式和特性 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的条件 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 第二章第二章 平面连杆机构平面连杆机构平平面面连连杆杆机机构构平面连杆机构平面连杆机构许多构件用低副（移动副和转动副）连接许多构件用低副（移动副和转动副）连接组成的平面机构组成的平面机构特特 点点 采用低副；面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形采用低副；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；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，从动件运动规律不同；

2、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。缺缺 点点 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。分类分类:平面连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: :基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆

3、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。第一节第一节 铰链四杆机构的基本型式和特性铰链四杆机构的基本型式和特性曲柄曲柄基本概念：基本概念：整周定轴回转的构件整周定轴回转的构件曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆作平面运动的构件作平面运动的构件连连 杆杆与机架相联的构件与机架相联的构件作定轴摆动的构件作定轴摆动的构件能作能作360360相对回转的运动副相对回转的运动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摇杆摇杆连架杆连架杆周转副周转副摆转副摆转副铰链四杆机构的三种基本型式：铰链四杆机构的三种基本型式：（1 1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆曲柄摇杆特特 征征

4、将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动，将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动，如雷达天线如雷达天线作作 用用ABC1243DABDC1243雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构 急回运动急回运动曲柄摇杆机构的特性曲柄摇杆机构的特性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。时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。ABCDB1C1AD曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构180180C2B2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C C1 1D D位置摆到位置摆到C C2 2D D，所花时间为，所花时间为t t1 1 ,

5、, 平均速度为平均速度为V V1 1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C C2 2D,D,置摆到置摆到C C1 1D D，所花时间为所花时间为t t2 2 , ,平均速度为平均速度为V V2 2 , ,那么有：那么有：显然：显然：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 1摇杆的这种特性称为急回运动摇杆的这种特性称为急回运动缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构2143曲柄摇杆机构摇杆主动曲柄摇杆机构摇杆主动3124FF F” 压力角和传动角压力角和传动角从动件驱动力从动件驱动力F F与力作用点绝对速度之间所夹锐角与力作用点绝对速度之间所夹锐角ABCD切向分力切向

6、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称称为传动角为传动角CDBAF可用可用的大小来表示机的大小来表示机构传动力性能的好坏构传动力性能的好坏, ,F”F压力角压力角F 机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，且连杆与曲摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有柄两次共线时，有: :0 0此时机构不能运动，此时机构不能运动，称称此位置为：此位置为：“死点死点”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; ;靠靠飞轮的惯性飞轮的惯性FAEDGBCABEFDCG0 0F0 0工件工件ABCD1234

7、PABCD1234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：飞机起落架、钻夹具等也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等（2 2）双曲柄机构双曲柄机构特特 征征两个曲柄两个曲柄作作 用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ABDC1234E6惯性筛机构惯性筛机构31A 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 3ABCDAB = CD BC = ADBC特例特例：平行四边形机构：平行四边形机构实例：实例：火车轮火车轮ABDCE（3 3）双

8、摇杆机构双摇杆机构铸造翻箱机构铸造翻箱机构、风扇摇头机构、风扇摇头机构等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构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特特 征征两个摇杆两个摇杆应用举例应用举例特特 例例第二节第二节 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的条件平面平面四杆机构四杆机构具有具有整转副整转副可能存在可能存在曲柄曲柄杆杆1 1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线曲柄存在的条件：曲柄存在的条件：1、最长杆与最

9、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 称为杆长条件。称为杆长条件。2 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。ABCDl1l2l3l4 第二节第二节 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的条件 铰链四杆机构的三种基本型式区别在于连架杆是否为曲柄。而且，由于在生产实际中，驱动机械的原动机（电动机、内燃机等）一般都是做整周转动的，因此要求机构的主动件也能做整周转动，即原动件为曲柄原动件为曲柄。而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。所以，平面四杆机构在什么条件下具有曲柄的研究是平面连杆机构的一个主要问题主要问

10、题。下面我们就以铰链四杆机构来分析曲柄存在的条件。 设：设：在图311所示的铰链四杆机构中，各杆的长度分别为a，b，c，d。设ad，若AB杆能绕A整周回转，则AB杆应能够占据与AD共线的两个位置AB和AB”。由图可见，为使AB杆能转至位置cbda 而为使AB杆能转至AB”，各杆长度关系应满足：cadb)(AB，各杆长度应满足：或 badc)(图图 311 由上述三式及其两两相加可以得到：dacababdcadcbacbda,若da，同样可得到： cdbdadbacdacbdcbad, 所以，我们可以得出铰链四杆机构曲铰链四杆机构曲柄存在条件为：柄存在条件为：1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆；

11、2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于 其它两杆长度之和。（称为杆长条件）（称为杆长条件） 上述两个条件必须同时满足，否则上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄机构不存在曲柄。 当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作当满足杆长条件时，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 根据上述所讲，我们同时可以得到两个推论两个推论：1）若四杆机构中最短杆与最长杆之和大 于其余两杆之和，则该机构不可能有 曲柄存在，机构成为双摇杆机构；2）若四杆机构中

12、最短杆与最长杆之和小 于其余两杆之和，当最短杆是连架杆 时，机构为曲柄摇杆机构,当最短杆是 机架上时，成为双曲柄机构。(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机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构s=l sin l第三节第三节 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化(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

13、构曲柄滑块机构314A2BC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314A2BC314A2BC直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒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例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同

14、的机构椭圆仪机构椭圆仪机构1234正弦机构正弦机构3214第四节第四节 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 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)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)b)动力条件（如动力条件（如minmin）；）；c)c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。三类设计要

15、求：三类设计要求：1)1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: :飞机起飞机起落架、函数机构；落架、函数机构；2)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)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。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 用作图法设计平面四杆机构用作图法设计平面四杆机构 连杆机构的设计就是根据使用要求选定机构的形式，并确定机构中各构件的尺寸。为了使机构设计的合理、可靠，还通常应满足一些相应的附加条件，如结构

16、条件及最小传动角等。 按照机器的用途和性能要求的不同，对连杆机构的设计可能提出许多种各不相同的设计要求。但是，所有提出的这些设计要求，我们可以将其归纳为两大类问题。（1）满足给定的位置要求或者运动规律的要求）满足给定的位置要求或者运动规律的要求（位置设计）（位置设计） 例如要求其连杆能够占据某些给定的位置；要求其连架杆的转角能够满足给定的对应关系；或者在原动件规律一定的条件下，其从动件能够准确地或近似地满足给定的运动规律等。例如在飞机起落架的设计中，就要求在放下或收回时连杆应当占据给定的两个位置；在车门开关机构中，其两个连架杆的转角应满足大小相等、转向相反的要求；在牛头刨床的导杆机构设计中，要

17、求满足给定的行程速比系数K的设计要求，等等 在四杆机构中,从动件的运动规律是由原动件的运动规律和各构件长度来确定的。而当各构件长度按同一比例增减时，并不改变各构件间的相对转角关系，所以，在设计时，我们可以用相对长度来表示构件的长度。（2）满足预期的轨迹要求（轨迹设计）满足预期的轨迹要求（轨迹设计） 在四杆机构的运动过程中，其连杆上的不同点将沿不同的轨迹运动，而所谓根据轨迹要求设计四杆机构，就是要求其连杆上的某点，在该机构的运动过程中，能够实现给定的轨迹。 如：起重机机构中，要求其连杆上的一点（吊钩），在一定范围内能够做近似水平的方向运动；在搅拌机构中，要求连杆上的一点，能按预期的卵形轨迹运动。

18、 连杆机构的设计方法有连杆机构的设计方法有：作图法、实验法及解析法。 图解法和实验法比较直观易懂，但设计精度要低。 解析法精度高，但计算要复杂，有时利用手工几乎无法完成。 随着计算机技术的发展，解析法得到日益广泛的使用。但是为了阐明设计的思路和方法，在教学中我们以图解法解决位置设计问题为主。条件：条件：给定连杆两位置或三位置及活动铰链 B、C 该机构的设计实质上就是确定两固定铰A、D的位置。图图3-17（1）按连杆预）按连杆预定位置设计四杆定位置设计四杆机构机构图图3-17当给定连杆两位置B1C1 B2C2时，如图3-17所示。由于B、C两点的轨迹都是圆弧，故知转动副A、D分别在B1B2和C1

19、C2的垂直平分线上，也就是说A、D可以在其垂直平分线上任意选取。显然，在这种情况下，该机构的设计有无数个答案，此时可以根据结构条件或其它辅助条件来确定A、D的位置。图图3-18 如果给定连杆BC的三个位置，如图3-18所示，其答案就是唯一的。 图图 319 如图所示为铸造车间振实造型机工作台的翻转机构，就是实现连杆两预定位置的应用实例。当翻台（即连杆BC）在振实台上振实造型时，处于图示实线B1C1位置。而需要起模时，要求翻台能转过180。 转过180到达图示托台上方虚线B2C2位置，以便托台上升接触砂箱起模。若已知连杆BC的长度，B1C1和B2C2图图 319在坐标系中的坐标，并要求固定铰链中

20、心A、D位于x轴线上，此时可以选定一比例尺，按上述方法设计出AB、CD、AD长度（2）按给定连架杆对应位置设计四）按给定连架杆对应位置设计四杆机构杆机构 求解这一类问题，我们是利用机构反转法，即把两连架杆假想地当作连杆和机架，这样两连架杆间的相对运动就化为连杆相对于机架的运动，其图解法与前述相同。图图3-20如图所示，已知连架杆AB和机架AD的长度、位置，AB的三个位置及连架杆CD上一直线的三个位置DE1、DE2、DE3，求出CD上活动铰链C的位置。图图3-20 将连架杆CD的第一位置DE1当作机架，将四边形AB2E2D和AB3E3D分别刚性地绕D点转到DE2、DE3与DE1重合位置，则点B2

21、、B3转到新的位置 、 ，点A到达 、 位置。分别作 、 的中垂线，两中垂线的交点即为活动铰点C的位置。显然该机构有唯一解。2B3BA A21BB32BB图图3-21 若给定连架杆的两个位置，则机构有无穷解，如图3-21所示。对于曲柄滑块机构，其作图法原理与上述相同，请同学们下去后自己练习。（3）按给行程速比系数）按给行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构 对于有急回运动的四杆机构，设计时应满足行程速比系数K的要求。在这种情况下，可以利用机构的极限位置的几何关系，再结合其它辅助条件进行设计。 下面我们分别介绍曲柄摇杆、曲柄滑块、曲柄导杆三类机构的设计方法。 图图 3-22（a）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构如图3-22所示，已知摇杆CD长度及摆角，行程速比系数K，要求设计曲柄摇杆机构。步骤如下1）由公式，求出极位夹角 2）任选固定铰D的位置，并作出摇杆两极限位置C1D和C2D，夹角为 。 11180KK3-223）连