机械设计基础课件第-2章-平面连杆机构

机械设计基础FoundationofMachineDesign

武汉理工大学物流工程学院机械设计与制造系罗齐汉qhluo@.

10/8/2023机械设计基础FoundationofMachineDe第2章

平面连杆机构

铰链四杆机构铰链四杆机构的演变平面四杆机构的设计第2章

平面连杆机构铰链四杆机构平面连杆机构平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构。10/8/20233平面连杆机构平面连杆机构是构件全部由平面平面连杆机构的特点

优点1.低副是面接触，因此压强小、耐磨损。适用于载荷较大的场合。2.低副的接触面通常是容易加工的平面或圆柱面，容易获得较高的制造精度。3.低副的约束为几何约束(靠形状限制运动)，无需附加约束装置。4.连杆可做得很长，可较长距离传递运动。适合于操纵机构。5.平面四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆上每一点的轨迹曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。显然，我们可以利用连杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。10/8/20234平面连杆机构的特点优点5.平面四杆机构运动时，其连杆平面连杆机构的特点缺点1.低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。2.连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。3.有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。

最简单的单自由度平面连杆机构是四杆机构。四杆机构工程上应用最多，它也是构成多杆机构的基础，本章着重讨论四杆机构。10/8/20235平面连杆机构的特点缺点最简单的单自由度平面连§2-1铰链四杆机构

全部运动副都是回转副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。

机架曲柄

连架杆

连杆

摇杆10/8/20236§2-1铰链四杆机构§2-1铰链四杆机构全部运动副都是回铰链四杆机构基本类型1.曲柄摇杆机构

两个连架杆中，一个是曲柄，一个是摇杆的四杆机构称为曲柄摇杆机构。2.双曲柄机构

两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为双曲柄机构3.双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。10/8/20237§2-1铰链四杆机构铰链四杆机构基本类型1.曲柄摇杆机构10/7/20237铰链四杆机构基本类型的特性

曲柄摇杆机构

两个连架杆中，一个是曲柄，一个是摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，但也有摇杆主动的情况。应用例：牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、钢坯输送机等。

10/8/20238§2-1铰链四杆机构铰链四杆机构基本类型的特性曲柄摇杆机构10/7/202雷达调整机构和缝纫机脚踏机构10/8/20239雷达调整机构和缝纫机脚踏机构10/7/20239复摆式腭式破碎机

返回10/8/202310§2-1铰链四杆机构复摆式腭式破碎机返回10/7/202310§2-1铰链四钢材输送机

四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆上每一点的轨迹都是一条封闭的曲线，我们称之为连杆曲线。图示步进式传送机构就是连杆曲线的典型应用，当两个曲柄同步转动时，与两个连杆相连的推杆５沿着红色的卵形曲线平动，从而实现定时间隙地传送工件。

连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。显然，我们可以利用连杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。10/8/202311§2-1铰链四杆机构钢材输送机四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆曲柄摇杆机构的急回特性

当曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程(正行程)，将平均速度大的行程作为非工作行程(反行程)，那麽，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。急回特性很有用，牛头刨床、往复式运输机等机械就常常利用急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。10/8/202312§2-1铰链四杆机构曲柄摇杆机构的急回特性当曲柄匀速转动行程速比系数Ｋ急回特性常用行程速比系数Ｋ(摇杆反、正行程平均速度之比)来度量。如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动(顺时针为正行程，逆时针为反行程)。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角，用θ表示。根据行程速比系数的定义有：10/8/202313§2-1铰链四杆机构行程速比系数Ｋ急回特性常用行程速比系数Ｋ(摇杆反、正行程平均曲柄摇杆机构的传动角

定义：作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用α表示；压力角的余角称为传动角，常用γ表示。曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值应大于40°。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验γmin值。不难看出，对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。10/8/202314§2-1铰链四杆机构曲柄摇杆机构的传动角定义：作用力和力作用点运动线速度方向曲柄摇杆机构的死点

摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，当曲柄与连杆两次共线时，忽略连杆质量的情况下，连杆是二力杆，因此连杆对曲柄的作用力通过曲柄铰链中心Ａ，给曲柄的驱动力矩为０，机构就会出现卡死或运动不确定的现象。这种机构出现卡死或运动不确定的位置点称为死点。死点通常有害，应设法消除。消除方法有：

①对从动曲柄施加附加力矩。

②利用构件自身或飞轮的惯性。

③多组相同机构错开一定角度布置。缝纫机脚踏板机构就存在死点。10/8/202315§2-1铰链四杆机构曲柄摇杆机构的死点摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，当曲柄与连杆死点也有应用价值右图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱动力P后，由于BCD三点共线，工件对压头(杆1)的反作用力Ｎ不能使杆１转动，因而工件不会松。10/8/202316§2-1铰链四杆机构死点也有应用价值右图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱动力飞机起落架是利用死点工作的又一个典型实例飞机起落架机构是双摇杆机构，通过主动摇杆3可使轮子在飞机降落时放下(刚好是死点位置，巨大的着陆反力不会使主动摇杆转动)以便于飞机着陆，起飞后收起轮子以减小空气阻力。10/8/202317§2-1铰链四杆机构飞机起落架是利用死点工作的又一个典型实例飞机起落架机构是双摇双曲柄机构

两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄匀速转动，从动曲柄变速转动。无死点。左图所示的转动翼板式水泵就是典型应用。转动翼板式水泵由相位依次相差90°的四个双曲柄机构组成，当主动曲柄AB顺时针匀速转动时，从动曲柄CD作周期性变速转动，相邻两个机构的从动曲柄所夹的角时大时小，导致容积作周期性的变化，从而起到吸水、泵水的作用。10/8/202318§2-1铰链四杆机构双曲柄机构两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构两曲柄等长的双曲柄机构称为平行四边形机构，它是应用最广的一种双曲柄机构。因平行四边形机构的两个曲柄等速转动，连杆平动，故又称为等角速度机构。机车车轮连动装置和摄影平台是其典型应用。10/8/202319双曲柄机构两曲柄等长的双曲柄机构称为平行四边形机构，它是应用双摇杆机构

两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。经合理设计，双摇杆机构还可用来实现一些特定的运动。例如右边的鹤式起重机可实现钓钩的近似直线运动，使移动重物时不做或少做功从而减小能耗。又如右边的车辆转向机构：车辆转弯时，如果任何时候都能使两前轮轴线与后轮轴线相交于弯道的圆心，则四个轮子都相对于地面纯滚动，轮胎就不会因滑动而损伤，显然这就要求两轮的转角。两摇杆等长的双摇杆机构（称为梯形机构）就能近似地满足这个要求。

10/8/202320§2-1铰链四杆机构双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。1铰链四杆机构曲柄存在条件

图示曲柄摇杆机构来讨论存在曲柄的条件。图中给出了摇杆处于两极限位置时的情况。根据三角形任意两边边长之和必大于等于第三边边长的定理:

10/8/202321§2-1铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄存在条件图示曲柄铰链四杆机构曲柄存在条件

上述关系说明,铰链四杆机构曲柄存在条件：①最短、最长杆长度之和≤另外两杆的长度之和；②连架杆或机架是最短杆。其中条件①又称为格拉肖夫(Grashof)判别式

10/8/202322§2-1铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄存在条件上述关系说明,铰链四杆机铰链四杆机构的基本类型判别1、如果满足格拉肖夫判别式①以最短杆相邻的杆作机架，得到曲柄摇杆机构；②以最短杆作机架，得到双曲柄机构；③以最短杆相对的杆作机架，得到双摇杆机构。2、如果不满足格拉肖夫判别式，则无论以哪个杆作机架，都只能得到双摇杆机构。

不满足：双摇杆机构格拉肖夫判别式最短杆为连架杆：曲柄摇杆机构满足：最短杆为机架：双曲柄机构最短杆为连杆：双摇杆机构10/8/202323§2-1铰链四杆机构铰链四杆机构的基本类型判别1、如果满足格拉肖夫判别式课堂练习10/8/202324课堂练习10/7/20232410/8/202325§2-1铰链四杆机构10/7/202325§2-1铰链四杆机构作业P382-6题中图a)(用作图法)10/8/202326作业P3810/7/202326§2-2铰链四杆机构的演变一、曲柄滑块机构

图a所示的曲柄摇杆机构中，C点的轨迹位于半径为的圆周上。显然，若将回转副D直径增大，再将杆3作成圆环形，C点的运动规律不变，但机构却演化为曲柄滑块机构了。若进一步将导路的曲率半径增大趋于∞，则得到图c所示的曲柄滑块机构。

滑块作往复直线运动的曲柄滑块机构分为对心的(如内燃机中使用的)和偏置的(见图d)，偏置滑块机构也存在急回特性。

曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。10/8/202327§2-2铰链四杆机构的演变§2-2铰链四杆机构的演变一、曲柄滑块机构10/7/202二、曲柄滑块机构的演变1.导杆机构

对于图a)所示的曲柄滑块机构，若改取杆１为机架，就得到图b)所示的导杆机构。导杆机构中，通常曲柄２整周转动，滑块３在导杆４上滑动并跟随导杆转动或摆动。由图容易知道，若l2≥l1，则得到转动导杆机构；若l2＜l1，则得到摆动导杆机构。可以看出：①导杆机构的传动角始终等于90°，具有很好的传力性能，因此常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。

②摆动导杆机构也存在急回特性。10/8/202328§2-2铰链四杆机构的演变二、曲柄滑块机构的演变1.导杆机构10/7/202328§2.摇块机构和定块机构

图d所示为摇块机构，这种机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中，自卸货车就是很典型的应用。图c所示为定块机构，这种机构常用于抽水唧筒和抽油泵中。10/8/202329§2-2铰链四杆机构的演变2.摇块机构和定块机构图d所示为摇块机构，这种机构3、双滑块机构

将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机构——双滑块机构。按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：(1)两移动副不相邻。例如图a)所示的正切机构(其从动件3的位移与主动件1转角的正切成正比)。

(2)两移动件相邻且其中一个与机架相连。例如图b的正弦机构(从动件3的位移与曲柄1转角的正弦成正比)。

(3)两移动件相邻但都不与机架相连。下面所示的十字滑块机构就是这种机构。十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差。

(4)两移动副相邻且都与机架相连。下面所示的椭圆仪就是这种机构。当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。10/8/202330§2-2铰链四杆机构的演变3、双滑块机构将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷三、偏心轮机构

下图所示为两种偏心轮机构。构件１为圆盘，其几何中心Ｂ。因运动时该圆盘绕轴Ａ转动，故称为偏心轮。Ａ、Ｂ之间的距离e称为偏心距。按照相对运动关系，可画出机构运动简图如图中红线所示。由图可知，偏心轮是将回转副Ｂ扩大到包括回转副Ａ而形成的，偏心距e即为曲柄的长度。当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。这样一方面提高了偏心轴的强度和刚度(因轴颈的直径增大了)；另一方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。10/8/202331§2-2铰链四杆机构的演变三、偏心轮机构下图所示为两种偏心轮机构。构件１为圆§2-3铰链四杆机构的设计

四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动力学条件(如最小传动角要求)等。设计问题分类1、按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计。2、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。设计方法图解法——简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其设计精度低，一般用于求解初始值。解析法——精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。实验法——较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。10/8/202332§2-3铰链四杆机构的设计四杆机构的设计，就一、按给定连杆位置设计四杆机构

下图为铸造车间振实造型机的翻转机构。它利用一个铰链四杆机构来实现翻台的两个工作位置。

10/8/202333一、按给定连杆位置设计四杆机构下图为铸造车间振实造型机的二、按给定行程速比系数设计四杆机构1.曲柄摇杆机构设计已知条件：摇杆长度l3，摆角ψ和行程速比系数K。

设计关键是确定铰链A的位置，从