任务3.1 平面连杆机构的分析与设计

《机械分析与设计基础》

情境3常用机械机构的分析与设计任务3.1平面连杆机构的分析与设计

曲柄滑块机构

【下达任务】内燃机曲柄滑块机构

【能力目标】1.学会铰链四杆机构的类型、特性。2.学会铰链四杆机构的演化机构的分析。3.学会用图解法设计平面连杆机构。4

知识导航气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10引导问题：内燃机曲柄滑块机构的组成？曲柄滑块机构认知：平面连杆机构

1.平面连杆机构：构件间用低副连接而构成的平面机构3.1.1平面四杆机构的组成和特点一、平面四杆机构简介2.平面四杆机构：

具有四个构件的平面连杆机构。平面四杆机构是平面连杆机构最简单的类型，常见的形式是铰链四杆机构。其为全转动副的四杆机构。1.机架：固定件（AD）。2.连架杆：与机架相连的杆（AB、CD）。3.连杆：不直接与机架相连的杆（BC），而是通过回转副与连架杆相连。其中：二、平面四杆机构的组成【曲柄】：作整周（360度）转动的连架杆。【摇杆】：仅能在某一角度内摆动的连架杆。

三、平面四杆机构的优点和缺点优点1优点2优点3缺点

低副是面接触，压强低，磨损量小低副的接触表面是圆柱面或平面，故制造方便，容易获得较高的精度

容易实现常见的转动、移动及其转换

低副中存在的间隙不易消除，会引起运动误差，从而降低传动的精度和效率3.1.2铰链四杆机构的基本类型曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构flash

1.曲柄摇杆机构两连架杆中:一个是曲柄，一个是摇杆的铰链四杆机构

摇杆摆动

运动特点:曲柄为原动件曲柄转动摇杆为原动件摇杆摆动曲柄转动flash雷达天线仰俯角的调整机构曲柄摇杆机构应用举例-1和面机曲柄摇杆机构应用举例-2缝纫机的踏板机构

曲柄摇杆机构应用举例-3

2.双曲柄机构

两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构（1）普通双曲柄机构运动特点：主动曲柄等速转动从动曲柄变速转动flash普通双曲柄机构应用举例

惯性筛flash（2）平行双曲柄机构：

连杆与机架相等双曲柄的转向相同，且长度也相等。

运动特点：两曲柄转动的角速度始终相等，连杆作平动，且始终平行于机架。flash天平机构平行双曲柄机构应用举例-1平行双曲柄机构应用举例-2摄影车座斗升降机构平行双曲柄机构应用举例-3路灯检修车(3)反向双曲柄机构

连杆与机架长度相等，两曲柄的转向相反，且长度也相等。

反向双曲柄机构应用举例

车门的启闭机构

3.双摇杆机构

具有两个摇杆的铰链四杆机构。运动特点：摆动摆动（摆幅相等或不相等）双摇杆机构举例-1港口起重机双摇杆机构举例-2

飞机起落架取不同的构件为机架—变换机架曲柄摇杆机构

双曲柄机构曲柄摇杆机构

双摇杆机构3.1.3铰链四杆机构基本类型的判别提出问题：以不同的杆作机架有四种情况，如何判断类别？

设构件1、2、3、4的长度分别为a、b、c、d

当杆长d>a时，由△B′C′D存在的几何条件可知，四杆的长度必然满足：

由△B″C″D存在的几何条件可知，四杆的长度必然满足：

即即各式中的等号表示当B处在B′点和B″点时，A、B、C、D四点共线，这时刚好也能形成整转副。一、铰链四杆机构有曲柄的条件

a≤b，a≤c，a≤d

对于杆长d<a的情况

，同理得出：d≤a，d≤b，d≤c

上式两两相加得：课后求证？

铰链四杆机构中存在曲柄的条件（即能做整周转动）是：

（A）机架或连架杆中必有一杆为最短杆——最短构件条件（B）最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和——构件长度之和条件

结论：格拉肖夫判别式二、铰链四杆机构基本类型的判别方法（A）机架和连架杆中必有一杆为最短构件，称为最短构件条件。（B）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆件长度之和，称为构件长度和条件。【引导案例】（A）机架和连架杆中必有一杆为最短构件，称为最短构件条件。（B）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆件长度之和，称为构件长度和条件。课堂练习-1曲柄摇杆机构课堂练习-2双摇杆机构课堂练习-3双曲柄机构课堂练习-4双摇杆机构3.1.4平面四杆机构的基本特性观察一下急回特性

1.特性分析

图示曲柄摇杆机构中，摇杆所处的C1D、C2D两位置称为摇杆的两极限位置

从动件在两极限位置时，原动件AB在对应两位置间所夹的锐角θ称为极位夹角

当曲柄以等角速度ω转动时，因Ф

1＞

Ф

2、固有t1＞

t2、则ν2＞

ν1，即摇杆的摆回平均速度大于摆出的平均速度，这种性质称为急回特性。一、急回特性——运动特性一般情况：摆出——工作行程AB1顺时针到AB2摆回——非工作行程AB2顺时针AB1K=

为了表明机构急回运动的程度，可用摆杆摆回平均速度与摆出平均速度的比值来衡量，该比值称为行程速比系数。用K表示。即

K＞1机构具有急回特性。若K＞1，θ≠0,θ越大，机构的急回特性越显著。θ=0,机构无急回特性。2.行程速比系数的引入：推导后3.平面四杆机构具有急回特性的条件是：（1）原动件等角速整周转动，即曲柄为原动件；（2）输出件作往复运动；（3）极位夹角满足θ≠0。对于对心式曲柄滑块机构，因其θ＝0，故无急回特性（1）对于偏置曲柄滑块机构，因其θ≠0，就有急回特性。θ=ψθ≠0机构具有急回特性（2）摆动导杆急回特性的条件二、

压力角与传动角——传力性能1.压力角α：从动件上某点所受作用力方向与其速度方向间所夹的锐角压力角α越小，机构的传力性能越好，理想的压力角α=0°FFn=Fsinα有害分力Ft=Fcosα有效分力ABCDαγδFvcFtFn

2.传动角（γ）：压力角的余角。vcABCDαγδFFtFn通常用γ表示.传动角γ越大，机构的传力性能越好，理想的传动角γ=90°3.设计时最小传动角的确定

机构的传动角和压力角作出如下规定：

γmin≥[γ][γ]=30

60°αmax≤[α][γ]、[α]分别为许用传动角和许用压力角。【情况分析】最小传动角出现的位置：

（1）曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）最小传动角出现在曲柄与机架共线的位置【情况分析】最小传动角出现的位置：

（2）曲柄滑块机构（曲柄为主动件）最小传动角出现在曲柄与滑块移动方向线垂直的位置【情况分析】最小传动角出现的位置：

（3）摆动导杆机构（曲柄为主动件）

在任何情况下α=0°

γ=90°机构的死点：当机构处于压力角等于

90°（传动角等于0°）位置时无论驱动力多，均不能使从动件运动的位置。死点位置举例1：曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）死点出现在曲柄与连杆共线的位置三、

死点位置死点位置举例2：曲柄滑块机构死点出现在曲柄与连杆共线的位置

死点位置举例3：摆动导杆机构以曲柄为原动件时无死点出现，以导杆为原动件死点出现在曲柄与导杆垂直的位置。工程实际中利用和克服死点：死点不利的一面克服止点用惯性力有利的一面利用止点克服死点（机构的错位排列）（加大飞轮）（加大飞轮）利用死点（飞机起落架）（夹紧装置）3.1.5平面四杆机构的演化一、演化方法1：改变构件形状和相对尺寸

转化为含有一个移动副的四杆机构1.将转动副转化为移动副a.对心曲柄滑块机构

2.选用不同构件做为机架的演化构件3（滑块）；构件4（导杆）（1）曲柄滑块机构——取构件4作机架flashb.偏置曲柄滑块机构flash（2）曲柄摇块机构--取构件2作机架Flash（3）定块机构——取构件3作机架手摇唧筒.avi

a.转动导杆机构（L1＜L2）

3.2铰链四杆机构的演化（4）导杆机构--取构件1作机架b.摆动导杆机构（L2＜L1）摆动导杆机构.swf牛头刨.avi曲柄滑块机构摇块机构定块机构转动导杆机构

摆动导杆机构

【总结】演化后的运动简图二、

演化的方法之2：扩大转动副尺寸偏心轮机构：当曲柄的尺寸很小时，由于结构和强度的需要，常通过扩大转动副尺寸，将曲柄改作成为一个几何中心与回转中心不重合的圆盘。

3.1.6平面四杆机构的设计一、

平面连杆机构设计的基本问题主要任务：根据机构的工作要求、运动特性和设计条件选定机构形式，并确定出各构件的尺寸参数。连杆机构设计两类问题：（1）实现给定从动件的运动规律（2）实现给定的运动轨迹1图解法2解析法3

实验法平面四杆机构的设计方法一、图解法设计平面四杆机构1.按给定位置设计四杆机构

（1）给定连杆两位置设计

已知：连杆上两活动铰链的中心B、C及其在运动过程中的两个位置B1C1、B2C2

（给定BC的两个位置）B1C1B2C2(2)按连杆的三个给定位置设计

（1）设计曲柄摇杆机构已知曲柄机构摇杆Lcd的长度，及摇杆摆角ψ和行程速比因数K。2.

按给定的行程速比因数设计具体数据：已知Lcd=600mmψ=30。

K=1.5试设计此曲柄摇杆机构

四杆机构分析图曲柄摇杆机构【总结】按给定的行程速比系数设计四杆机构的公式。C1DAB1C2B2设计结果图【任务完成】

内燃机曲柄滑块机构的设计【任务实施】1.任务分析

根据任务已知的条件，在设计内燃机的曲柄滑块机构时，把偏置曲柄滑块机构的行程H，视为曲柄摇杆机构当摇杆无限长时C点摆过的弦长，应用上述的方法可求得满足要求的机构，为解决图解法的精准性，作图时可用AutoCAD软件配合，得到的数据更准确。2.任务完成结论参考教材。

设计一偏置曲柄滑块机构，已知滑块的行程速度变化系数K=1.5，滑块的