机械基础第三章：平面连杆机构及其设计

第3章平面连杆机构及其设计内容§1

平面连杆机构及其传动特点§2

平面四杆机构的基本形式及其演化§3

平面四杆机构的主要工作特性§4

平面四杆机构的设计重点平面四杆机构的基本形式及其演化、平面四杆机构的主要工作特性、平面四杆机构的设计（图解法）。一、概念平面连杆机构：是由若干刚性构件（多为杆状构件）用低副联接而成的平面机构，又称为平面低副机构。二、特点

优点：1）运动副一般均为低副——面积接触，压强小，故承载大，润滑好，磨损小；运动副元素的几何形状较简单，加工制造方便成本低。2）构件多呈现杆状的形——可实现扩大行程和远距离传动等目的。3）可实现多种运动变换和运动规律4）连杆曲线形状丰富——满足不同轨迹设计要求

缺点：1）运动链长，累积误差大，效率低。2）惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动。3）一般只能近似满足运动规律要求。4）设计困难§1平面连杆机构及其传动特点搅拌机鹤臂吊夹紧机构飞机起落架三、应用

实现已知运动规律和已知点的运动轨迹。

§2

平面四杆机构的基本型式及其演化一、平面四杆机构的基本型式二杆,最简单.楔块机构三杆,不可能.

++铰链四杆机构二、全转动副-铰链四杆机构1234ABCD连杆连架杆连架杆机架连杆连架杆曲柄摇杆(摆杆)机架曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构铰链四杆机构雷达天线操纵机构惯性筛传动机构鹤臂吊机构平行四边形机构反平行四边形机构1234整转副（周转副）摆动副三、含一个移动副四杆机构对心曲柄滑块机构1、曲柄滑块机构——含一个固定导路的移动副偏置曲柄滑块机构2、导杆机构——含一个运动导路的移动副摆动导杆机构摇块机构回转导杆机构移动导杆机构摆动导杆机构ABC移动导杆机构ABC回转导杆机构ABC摇块机构SqR正弦机构双转块机构正弦机构双移块机构qS正切机构四、含两个移动副四杆机构1.扩大回转副三、平面四杆机构的演化机构演化方法扩大运动副改换机架改变形状和尺寸运动副逆转偏心轮机构2.改变杆件长度RABCDABCR

ABCRRABCABR正弦机构曲柄滑块机构3.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①曲柄滑块机构导杆机构摇块机构定块机构(直动滑杆机构)ABCABC

AB>AC回转导杆机构

AB<AC摆动导杆机构②③SqR正弦机构双转块机构正弦机构双移块机构qS正切机构1.平面四杆机构整转副的条件ABCDabcdf设

AB为曲柄,且

a<d.由△BCD:b+c>f、b+f>c、c+f>b以

fmax=a+d，fmin=d

-

a

代入并整理得：b+c>a+d、b+d>a+c、c+d>a+b并可得:

a<b、a<c、a<d.（以曲柄摇杆机构为例）§3

平面四杆机构的主要工作特性一、铰链四杆机构有曲柄的条件推论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

——双摇杆机构曲柄存在的条件：(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2.曲柄存在的条件例1.如图所示的铰链四杆机构中，已知：AD为机架，lBC

=70mm,

lCD

=65mm,

lAD

=60mm.1）若此机构为曲柄摇杆机构，求lAB的取值范围。2）若此机构为双曲柄机构，求lAB的取值范围。3）若此机构为双摇杆机构，求lAB的取值范围。

压力角

FVa从动件(运动输出件)受力点的力作用线与该点速度方位线所夹锐角.(不考虑摩擦)传动角

gagddg=dg=

1800-d压力角的余角.(连杆轴线与从动杆轴线所夹锐角)1.压力角和传动角二、传力特性传动不利，设计时规定4050通常，机构在运动过程中传动角是变化的，最小值在哪？最小传动角

minDdBACabc

=0cos=1cos

min=180°

cos=–1cos

max分析

min或

max

可能最小曲柄摇杆机构,当曲柄主动时,在曲柄与机架共线的两个位置之一,传动角最小.gg问题讨论：标出下列机构压力角和传动角问题？：哪个机构传力性能好？曲柄受力：垂直导路导杆受力：垂直导路aaFFgg问题讨论：标出下列机构压力角和传动角滑块受力曲柄受力问题：如果机构传动角为0度，机构能不能动？产生原因：输出件所受到驱动力（或力矩）为零2.死点位置讨论：曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时有死点吗？从动件的传动角等于0时（

=0）机构的位置为死点位置。死点后果：机构顶死或运动不确定。问题：若是转动从动件死点在什么位置？连杆与转动从动件共线位置偏置曲柄滑块机构导杆机构连杆2与从动件曲柄1共线，机构处于死点位置滑块2导路垂直方向与从动件曲柄1共线，机构处于死点位置问题：若是移动动从动件，死点在什么位置？g连杆与移动从动件导路垂直的位置对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构克服死点的措施1)采用安装飞轮加大惯性的方法，借助惯性使机构闯过大带轮。如缝纫机踏板机构中大带轮。2)采用将两组以上同样机构组合使用，而使各组机构死点相互错位排列的方法。如机车车轮联动机构缝纫机踏板机构机车车轮联动机构连杆式快速夹具飞机起落架死点的利用2011年11月1日，一架波兰航空公司的波音767飞机，在准备降落时发现飞机后起落架出现故障。飞机用机身在铺满塑料泡沫的跑道上迫降，机身摩擦出少量火星，完美降落。图示偏置曲柄滑块机构中，已知曲柄，偏心距，连杆，主动件曲柄逆时针匀速转动，角速度。试求：请标出该时刻机构的传动角并求出其大小；1、急回特性（以曲柄摇杆机构为例）从动杆往复运动的平均速度不等的现象称为机构的急回特性.ABCD

极位夹角0对应从动杆的两个极限位置,主动件两相应位置所夹锐角.ABCDabcd

C2B2

1

2

B1C1

三、运动特性=V回V工K=V快V慢C1C2/

t工C2C1/

t回=t工t回=（K

1）q=———

180º

K

-1K+1=

180º

+qw1180º

-

qw1=

180º

+q180º

-

qK

=

180º

+q180º

-

qABCDabcd

C2B2

1

2

B1C1

2、行程速比系数问题？铰链四杆机构的行程速比系数的最小值？问题讨论：判断下列机构是否有急回特性？若有，标出极位夹角。摆动导杆机构

θ=ψ2、偏置曲柄滑块机构中，曲柄AB为原动件，其长为20cm，且逆时针匀速转动。又知连杆长BC为60cm，滑块行程速比系数K=2。试求：滑块行程1、已知某曲柄摇杆机构的曲柄匀速转动，极位夹角θ=30°，摇杆工作行程需时7s.试问（1）摇杆空回行程需时几秒？（2）曲柄每分钟转数是多少？小结铰链四杆机构有曲柄存在的条件(1)当Lmax+Lmin

L(其余两杆长度之和)(2)最短杆是连架杆或机架急回特性和行程速比系数连杆机构压力角和传动角及死点曲柄与机架共线的两个位置之一,传动角最小.K

=

180º

+q180º

-

qq=———

180º

K

-1K+1§4平面四杆机构的设计一、平面四杆机构设计任务按给定运动等方面要求，在选定机构型式后进行机构运动简图的设计，也及确定构件的几何尺寸。二、基本问题1.实现预定运动规律（如公交车门、牛头刨床）2.实现连杆给定位置（如炉门翻转机构）3.实现预定运动轨迹（如鹤臂吊）三、设计方法

解析法、图解法、实验法二、用图解法设计四杆机构预备知识1、运动具有相对性—参照系不同，相对运动不变，相对运动关系不变。固定铰链（定点）活动铰链（动点）2、转动副之间的关系定点是动点圆心动点绕定点转ABCD动点定点(待求点)设计——确定杆长根据四杆机构各铰链之间相对运动关系，通过作图确定未知铰链位置。1.按给定已知连杆位置设计B1C1B2C2B3C3AD四杆机构AB1C1D

为所求.（1）已知活动铰链点B、C中心位置，求固定铰链A、D中心位置。分析——已知动点求定点●DB1C1B2C2四杆机构AB1C1D为所求.A●问题？已知给定连杆两个位置设计，能有几个设计结果？D´A´DAB1C1●DB1C1A●B2C2四边形AB2C2D

四边形A´B1C1D´(2)已知固定铰链A、D中心位置，求活动铰点B、C中心位置。分析已知定点求动点原来的动点如何变定点？变换机架法活动铰链转化为固定铰链相对运动不变已知动点求定点E1F1E2F2E3F3●CB●A´D´A´´D´´AD例题:已知连杆运动过程中的一系列位置E1F1、E2F2、E3F3,又知lAD，设计此四杆机构以E1F1为基准，所以E1F1

BCAD为所求。转换机架法的具体作图方法：为了不改变转换前后机构的相对运动关系，作图时：（1）将原来机构每一位置各构件刚化；（2）用作全等四边形方法，求出转换后各构件的相对位置。2.按给定连两连架杆对应位置设计ABCD1234EB1f10B2f12E1y12E2ADC变为B的定点试设计铰链四杆机构,实现连架杆两对对应位置.已知:两连架杆

分析：已知定点和一个动点B，求另一个动点C将C变为定点原来的动点C怎样变为定点？采用转换机架法以连架杆CD为机架B变为C的动点设计方法——转换机架法B2C2

fyAB1C1DyyB2'A'C2'如何找B点？刚化连四边形连三边形绕D点转怎么转？反转B1B2f10f12y12ADy10E1E2B2'●试设计铰链四杆机构,实现连架杆两对对应位置.y12

C1例.已知:

ABCD1234铰链四杆机构AB1C1D为所求.以mL

=…作图.LBC=mLB1C1=、LCD=mLC1D=.……★已知点(B)绕未知点(C)的转动中心(D)反转.B1B2f10f12y12ADy10E1E2E3y13f13B3y12B2'●y12B3'C1设计铰链四杆机构,实现连架杆三对对应位置.铰链四杆机构AB1C1D

为所求.B2C23.按给定的K

值,综合曲柄摇杆机构1）给定K、Ψ、LCDABCDqO2qyq=——

180°K-1K+1①分析.900-

qB1ADC1AC1=BC-ABAC2=BC+ABAB=—————AC2-AC12BC=—————AC2+AC12曲柄摇杆机构ABCD为所求.②设计.以mL

=…作图.LAB=

mLAB

=、

LBC=

mLBC=.……q

=——

1800=K-1K+1…C2DC1y900-

q2qOAEBC（1）线条清楚，步骤不用写；（设计线条保留）（2）给出作图比例尺；（3）最后连出设计机构ABCD；图解法注意事项：2）给定

K、Ψ、LCD、[γ].C2DC1yABCC3B3gming2

>gminA0①分析.②设计.gmin须不小于

[

g

].C2DC1y2q

[g]A0AC3B3gmin三、用解析法设计四杆机构例：给定连架杆对应位置，设计铰链四杆机构。设计要求：要求从动件和主动件1满足一系列对应位置关系：：

ψi＝f(φi

)

i

=1,2,3…n——实现点的轨迹分析：平面四杆机构,图解法、解析法最多能精确实现九个给定的轨迹点.孟宪源:"现代机构手册"李学荣:"连杆曲线图谱"四、用实验法设计四杆机构本章小结连杆机构的类型及应用铰链四杆机构；含有一个移动副机构；含有两个移动副机构平面连杆机构的演化方法机构中曲柄存在的条件杆长条件；机架条件机构的急回特性和行程速比系数连杆机构中压力角和传动及死点平面连杆机构的设计第3章连杆机构一、填空选择1.摆动导杆机构，导杆摆角30°，其行程速比变化系数K（）2.铰链四杆机构中能实现急回运动的机构有（）。3.平行四边形机构的行程速比系数（）。4.在铰链四杆机构中，取（）杆作为机架，则可得到双摇杆机构A．最短杆；B．最短杆的对边；C．最长杆；D．连杆二、判断1.曲柄滑块机构中只要原动件是滑块就必然有死点存在。（）2.在转动导杆机构中，不论取曲柄或导杆为原动件，机构均无死点位置。（）3.机构出现不能运动的死点位置是因为驱动力太小。（）4.摆动导杆机构中的导杆一定具有急回特性（曲柄为原动件）。练习第3章连杆机构1.4曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、偏置曲柄滑块机构K=1√√×√1.曲柄滑块机构如图所示，b=60mm，e=10mm,AB为曲柄且逆时针匀速转动。求（1）a的取值范围

（2）若a=30mm,且为原动件，则滑块的K=？2.图示铰链四杆机构中，所标数字代表杆长，单位为cm。试求：（2011）1)通过计算判断该机构属于铰链四杆机构中的何种类型；2)欲使该机构为曲柄摇杆机构，现调整AB杆长，试确定出AB杆长的取值范围。解：1）因为，属于双摇杆机构，AB居中时，，AB最长时，

所以

,