机械设计基础第三章平面连杆机构课件

第3章平面连杆机构3-1平面机构的运动简图和自由度3-2平面四杆机构的基本类型3-3平面四杆机构的特点及设计基本要求:掌握基本概念熟练掌握机构运动简图的绘制熟练掌握机构自由度的计算方法掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法掌握平面四杆机构的工作特性机械设计基础——平面连杆机构2/6/20231课件3-1平面机构的运动简图和自由度一、构件二、运动副三、机构四、平面机构的运动简图五、平面机构的自由度机械设计基础——平面连杆机构2/6/20232课件一、构件构件：独立影响机构功能并能独立运动的单元体（实物、刚体、运动的整体）机架、原动构件、从动构件零件：单独加工的制造单元体通用零件、专用零件构件可以由一个零件组成也可以由几个零件组成原动件1234从动件机架机械设计基础——平面连杆机构2/6/20233课件xyo二、运动副运动副:

两构件直接接触而形成的可动联接运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分接触形式:

点、线、面机械设计基础——平面连杆机构2/6/20235课件运动副分类按接触形式分类按相对运动分类机械设计基础——平面连杆机构2/6/20236课件按接触形式分类：接触形式:

点、线、面低副：面接触高副：点、线接触平面低副空间低副xyo高副高副空间低副平面低副平面低副机械设计基础——平面连杆机构2/6/20237课件运动副类型小结平面低副:转动副、移动副（面接触）平面高副:齿轮副、凸轮副（点、线接触）空间低副:螺旋副、球面副、圆柱副（面接触）空间高副:球和圆柱与平面、球与圆柱副(点、线接触)运动副特性:运动副一经形成,组成它的两个构件间的可能的相对运动就确定。而且这种可能的相对运动,只与运动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。工程上常用一些规定的符号代表运动副机械设计基础——平面连杆机构2/6/20239课件平面副低副：转动副、移动副(面接触)高副：齿轮副、凸轮副(点、线接触)xyoxyottnnnt机械设计基础——平面连杆机构2/6/202310课件空间副高副：点、线接触球面副螺旋副了解机械设计基础——平面连杆机构2/6/202311课件1概述2构件的表示方法3运动副的表示方法4运动简图的绘制方法5例题四、平面机构的运动简图机械设计基础——平面连杆机构2/6/202313课件1概述机构各部分的运动，取决于：原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸)机构运动简图:（表示机构运动特征的一种工程用图）用简单线条表示构件规定符号代表运动副按比例定出运动副的相对位置与原机械具有完全相同的运动特性比较：机构示意图：没严格按照比例绘制的机构运动简图用途：分析现有机械，构思设计新机械机械设计基础——平面连杆机构2/6/202314课件2构件的表示方法杆、轴类构件机架同一构件两副构件三副构件机械设计基础——平面连杆机构2/6/202315课件4运动简图的绘制方法步骤：确定构件数目及原动件、输出构件各构件间构成何种运动副？（注意微动部分）选定比例尺、投影面，确定原动件某一位置，按规定符号绘制运动简图标明机架、原动件和作图比例尺绘制路线：原动件中间传动件输出构件观察重点：各构件间构成的运动副类型良好习惯：各种运动副和构件用规定符号表达误区：构件外形机械设计基础——平面连杆机构2/6/202317课件5例题：内燃机机械设计基础——平面连杆机构2/6/202318课件试绘制如图所示机构的运动简图1、气缸体2、活塞3、进气阀4、排气阀5、连杆6、曲轴7、凸轮8、顶杆9、10齿轮2/6/202319课件2/6/202321课件2/6/202322课件ABCEFDG例题：破碎机机械设计基础——平面连杆机构2/6/202323课件1平面机构自由度的计算2机构具有确定运动的条件3几种特殊结构的处理复合铰链局部自由度虚约束4小结五、平面机构的自由度机械设计基础——平面连杆机构2/6/202325课件1平面机构自由度的计算(1)平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动)(2)平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制)xyＯ21与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后,运动副引入约束,原自由度减少xyoxyottnnR=2R=2R=1结论：平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束机械设计基础——平面连杆机构2/6/202326课件F=3n－2pl－ph

=34－25－0=2

F=3n－2pl－ph

=33－25－0=-1

F=3n－2pl－ph

=3

2－23－0=0

2机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动原动件数小于F,各构件无确定的相对运动原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏结论：机构具有确定运动的条件：1机构自由度>02原动件数＝机构自由度数BCABCADEAEBCD机械设计基础——平面连杆机构2/6/202329课件m个构件(m>2)在同一处构成转动副m-1个低副(1)复合铰链412356F＝3n－2pl－ph

＝3－2－560＝

3F＝3n－2pl－ph

＝3－2－570＝

1412356②错对—计算在内5232351m个构件,m-1个铰链3几种特殊结构的处理机械设计基础——平面连杆机构2/6/202330课件F＝3n－2pl－ph

＝3－2－331＝

2F＝3n－2pl－ph＝3－2－221＝

1错对—排除(2)局部自由度定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输出运动的自由度局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件机械设计基础——平面连杆机构2/6/202331课件不影响机构运动传递的重复约束在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束虚约束经常发生的场合处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉结论F＝3n－2PL－PH

＝3－2－123F＝3n－2PL－PH

＝3－2－231＝-1错221＝1对—排除之一为虚约束(3)虚约束机械设计基础——平面连杆机构2/6/202332课件虚约束经常发生的场合A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分机械设计基础——平面连杆机构2/6/202333课件A两构件之间构成多个运动副时两构件组合成多个转动副，且其轴线重合两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数123123目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3－2－221＝1机械设计基础——平面连杆机构2/6/202334课件B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算412351234F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340F＝3n－2PL－PH

＝3－2－460＝

0BA错对＝

1F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340＝1机械设计基础——平面连杆机构2/6/202335课件C两构件上联接点的轨迹重合在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340＝1动画机械设计基础——平面连杆机构2/6/202336课件D机构中对运动不起作用的对称部分在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3－2－332＝112345机械设计基础——平面连杆机构2/6/202337课件虚约束——结论机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件123机械设计基础——平面连杆机构2/6/202338课件4自由度计算小结自由度计算公式:F＝3n－2pl－ph机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)计算步骤:确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链计算、验证自由度几种特殊结构的处理:1、复合铰链—计算在内2、局部自由度—排除3、虚约束--重复约束—排除机械设计基础——平面连杆机构2/6/202339课件机构自由度计算举例例1图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，已达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？2/6/202340课件解：首先计算设计方案草图的自由度改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件；2、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。2/6/202341课件改进方案2/6/202342课件改进方案2/6/202343课件改进方案2/6/202344课件例2如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。2/6/202345课件局部自由度复合铰链虚约束2/6/202346课件例3计算图所示机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。2/6/202347课件局部自由度虚约束2/6/202348课件例4如图所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。

2/6/202349课件局部自由度复合铰链虚约束2/6/202350课件F＝3n－2PL－PH

＝3－2－8111＝

12/6/202351课件2/6/202352课件2/6/202353课件§2-4平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。机架原动件从动件组2/6/202354课件从动件组当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下的从动件组为：这个从动件组的自由度为零，即：

这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。2/6/202355课件这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。

通常把这样的从动件组称为：基本杆组基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。2/6/202356课件机构的组成原理

任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的2/6/202357课件如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：

由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数，所以

n应是２的倍数，PL应是３的倍数。

这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2,PL=3n=4,PL=6n=6,PL=9二、基本杆组的类型2/6/202358课件

最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为Ⅱ级杆组。Ⅱ级杆组是机构中最常见的一类基本杆组Ⅱ级杆组有以下几种形式：2/6/202359课件除Ⅱ级杆组外，还有Ⅲ、Ⅳ级等较高级的基本杆组。这是Ⅲ级杆组——由４个构件６个低副组成，具有一个３副构件，而每个内副所连接的分支是双副构件。2/6/202360课件这是Ⅳ级杆组——由４个构件６个低副组成，有４个内副。2/6/202361课件作业:3.52/6/202362课件2-2平面四杆机构的基本类型一、铰链四杆机构1基本型式2铰链四杆机构划分3平面四杆机构的工作特性4机构演化方式二、偏心轮机构三、曲柄滑块机构四、导杆机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202363课件一、铰链四杆机构1基本型式平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的二杆三杆,不可能.铰链四杆机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202364课件基本型式（续）结构特点：四个运动副均为转动副组成：机架、连杆、连架杆机架：固定不动的构件——AD连架杆：直接与机架相连的构件——AB、CD连杆：不与机架相连的构件—BC曲柄：能作整周转动的连架杆摇杆：不能作整周转动的连架杆1B2C31B2C34AD连杆连架杆连架杆机架1234ABCD曲柄摇杆(摆杆)(周转副)(摆转副)机械设计基础——平面连杆机构2/6/202365课件2铰链四杆机构划分按连架杆不同运动形式分：(1)曲柄摇杆机构(2)双曲柄机构(3)双摇杆机构连杆连架杆连架杆1234ABCD4AD23２作机架曲柄摇杆机构14AD23３作机架双摇杆机构4AD1231作机架双曲柄机构曲柄摇杆机构4AD123机械设计基础——平面连杆机构2/6/202366课件(1)曲柄摇杆机构结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆运动变换：转动摇动举例：搅拌器机构、雷达天线机构1234特性：急回特征死点机械设计基础——平面连杆机构2/6/202367课件(2)双曲柄机构结构特点：二连架杆均为曲柄运动变换：转动转动，通常二转速不相等举例：振动筛机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202368课件特殊双曲柄机构平行四边形机构结构特点：二曲柄等速运动不确定问题车门开闭机构反平行四边形机构结构特点：二曲柄转向相反机械设计基础——平面连杆机构2/6/202369课件(3)双摇杆机构

结构特点：二连架杆均为摇杆运动变换：摆动摆动举例:

鹤式起重机机械设计基础——平面连杆机构2/6/202370课件特殊机构等腰梯形机构实例:汽车前轮转向机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202371课件3平面四杆机构的工作特性(1)曲柄存在条件(2)急回特征(3)死点连杆连架杆连架杆1234ABCD机械设计基础——平面连杆机构2/6/202372课件(1)曲柄存在条件曲柄存在条件：1.最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和2.最短杆是连架杆或机架最短杆参与构成的转动副都是整周副其余均为摆转副推论1：当Lmax+Lmin

L(其余两杆长度之和)时最短杆是连架杆之一——曲柄摇杆机构最短杆是机架——双曲柄机构最短杆是连杆——双摇杆机构推论2：当Lmax+Lmin>L(其余两杆长度之和)时——双摇杆机构ABCDabcd了解机械设计基础——平面连杆机构2/6/202373课件当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有急回特征极位夹角：

急回特性分析：1=C1=1t1=1800+2=1t2=1800-t1>t2,v2>v1行程速比系数K(2)急回特征K=1,无急回特性q↑K↑急回特征越显著1jB2C212v2v1慢快急回特性的应用例：牛头刨工作要求B1C14ABCD231机械设计基础——平面连杆机构2/6/202374课件死点:传动角为零g=0(连杆与从动件共线),机构顶死(3)死点M=F*LB1C1B2C24ABCD231=00=00=00C2B2=00BACB1C１机械设计基础——平面连杆机构2/6/202375课件利用构件惯性力实例:家用缝纫机采用多套机构错位排列实例:蒸汽机车车轮联动机构蒸汽机车两侧利用错位排列的两套曲柄滑块机构使车轮联动机构通过死点克服死点的措施

GG’EFE’F’机械设计基础——平面连杆机构2/6/202376课件实例:夹具飞机起落架机构死点的利用折叠家具机构=00机械设计基础——平面连杆机构2/6/202377课件4机构演化方式1转动副转化为移动副2变换构件形态3变更机架4扩大转动副尺寸连杆连架杆连架杆1234ABCD机械设计基础——平面连杆机构2/6/202378课件二、偏心轮机构曲柄摇杆机构(扩大回转副)偏心轮机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202379课件偏心轮机构（续）对心式曲柄滑块机构偏心轮机构1B24AC3h=2lAB4C231BAB副扩大机械设计基础——平面连杆机构2/6/202380课件三、曲柄滑块机构铰链四杆机构1B2C34AD曲线导轨曲柄滑块机构lCD

e01B24AC3偏置式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构1B24AC3e3D1B2C4A对CD杆等效转化转动副变成移动副机械设计基础——平面连杆机构2/6/202381课件四、导杆机构选不同构件作机架——机构倒置曲柄滑块机构导杆机构变更机架曲柄滑块机构导杆机构,动画曲柄摇块机构移动导杆机构曲柄摇杆机构移动导杆机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202382课件应用实例一A41A4曲柄滑块机构1B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C32作机架A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A413B2C曲柄摇块机构液压作动筒车箱举升机构机械设计基础——平面连杆机构2/6/202383课件2B12B12B1应用实例二1BA21BA2A41B2C3曲柄滑块机构CA43移动导杆机构C41BA21BA21BA23手动唧筒机构3作机架1B2机械设计基础——平面连杆机构2/6/202384课件应用实例三C234A41B2C3曲柄滑块机构１作机架A41B2C3导杆机构C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234回转导杆机构lBC>lAB，导杆AC整周转动C234C234C234C234AB123C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C4lBC<lAB，导杆AC摆动摆动导杆机构32C4AB1机械设计基础——平面连杆机构2/6/202385课件其它双移动副机构正弦机构双转块机构(十字滑块机构)动画正弦机构双滑块机构正切机构了解机械设计基础——平面连杆机构2/6/202386课件2-3平面四杆机构的特点及其设计简介一、平面四杆机构的特点二、平面连杆机构的应用三、平面四杆机构的设计了解机械设计基础——平面连杆机构2/6/202387课件一、平面四杆机构的特点全低副（面接触），承受冲击力，易润滑，不易磨损运动副结构简单，易加工运动规律多样化、点的运动轨迹多样化运动副累积误差大，效率低惯性力难以平衡，不宜用于高速不能精确实现复杂的运动规律，设计计算较复杂123ABC4机架连杆连架杆A1B2C3D44A12B3C56DE机械设计基础——平面连杆机构2/6/202388课件1实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动2实现从动件运动形式及运动特性的改变3实现较运距离的传动或操纵4调节、扩大从动件行程5获得较大的机械增益：输出力(矩)与输入力(矩)之比二、平面连杆机构的应用机械设计基础——平面连杆机构2/6/202389课件1实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动圆轨迹复制机构AMF保龄球置瓶机扫瓶机构CDABM机械设计基础——平面连杆机构2/6/202390课件2实现从动件运动形式及运动特性的改变步进式工件传送机构运动形式改变实例机械设计基础——平面连杆机构2/6/202391课件3实现较运距离的传动或操纵应用实例：自行车手闸机械设计基础——平面连杆机构2/6/202392课件4调节、扩大从动件行程可变行程滑块机构特点：调节可改变滑块D的行程汽车用空气泵机构特点：曲辆CD短，滑块行程大ABCDABCDEF机械设计基础——平面连杆机构2/6/202393课件5获得较大的机械增益:输出力(矩)与输入力(矩)之比肘节机构特点：机械增益大剪切机构特点：机械增益大EABCD机械设计基础——平面连杆机构2/6/202394课件其它机械设计基础——平面连杆机构2/6/202395课件1实现刚体给定位置的设计机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置2实现已知运动规律的设计1）给定连架杆对应位置2）给定行程速比变化系数3实现预定轨迹的设计连杆上某点通过某一预定给定轨迹的功能图解法、解析法、实验法三、平面四杆机构的设计机械设计基础——平面连杆机构2/6/202396课件1刚体导引机构的设计(1)应用概述(2)刚体导引机构设计分析(3)刚体导引机构的设计机械设计基础——平面连杆机构2/6/202397课件(1)应用概述实现刚体给定位置的设计——如实现预定的连杆位置要求机构能引导刚体（一般为连杆）通过一系列给定位置例：飞机起落架机构:要求实现机轮放下和收起两个位置铸造翻砂机构:要求实现两个翻转位置机械设计基础——平面连杆机构2/6/202398课件条件：给定连杆对应位置铰链四杆机构的设计,在于确定四个铰点的位置,且关键在确定连杆两铰点的位置连杆上的铰点一定落在以固定铰为中心的圆上即:刚体导引机构转变成已知圆弧上的点求圆心(2)刚体导引机构设计分析ABCD机械设计基础——平面连杆机构2/6/202399课件选定连杆上两活动铰链，即确定连杆长lBC，定比例尺l作图活动铰链相对于固定铰链的运动轨迹为圆用三点定心法确定两固定铰链D,C计算待求杆长lAB=AB·lmlCD=CD·lmlAD=AD·lm(3)刚体导引机构的设