曲柄摇杆机构课件

第2章

连杆机构§2-1平面连杆机构的类型§2-2平面连杆机构的工作特性§2-3平面连杆机构的特点及功能§2-4平面连杆机构的运动分析§2-5平面连杆机构的运动设计

2021/3/71CHENLI§2-1平面连杆机构的类型1.1平面四杆机构的基本形式1.2平面四杆机构的演化

2021/3/72CHENLI1.1平面四杆机构的基本形式能绕其轴线转360º的连架杆。曲柄仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。摇杆连架杆铰链四杆机构连架杆机架连架杆连杆整转副摆转副2021/3/73CHENLI按照两连架杆的能否作整周回转，可将铰链四杆机构分为：（1）曲柄摇杆机构应用：缝纫机搅拌机2021/3/74CHENLI（2）双曲柄机构车门开闭机构应用：机车车轮联动机构2021/3/75CHENLI（3）双摇杆机构应用：鹤式起重机汽车前轮转向机构2021/3/76CHENLI2021/3/77CHENLI1.2平面四杆机构的演化1.2.1转动副转化成移动副CABD1234ABD1234CAB1234eCC3AB124e2021/3/78CHENLIAB1234C对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构AB1234eC双滑块机构(正弦机构）1234ABs2021/3/79CHENLI1.2.2取不同构件为机架可以证明，低副运动链中取不同构件为机架,各构件间的相对运动关系不变整周转动副双摇杆机构4A(0~360°)(0~360°)(<360°)123BCD(<360°)双曲柄机构(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABDC(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABCD曲柄摇杆机构摆转副摆转副2021/3/710CHENLI曲柄滑块机构BA1234C曲柄转动导杆机构BA1234C2021/3/711CHENLI曲柄摇块机构BA1234C自卸汽车卸料机构定块机构A234CB1手压抽水机2021/3/712CHENLI1.2.4扩大转动副的尺寸偏心轮机构曲柄摇块机构A1234CB曲柄摆动导杆机构3A124CB1.2.3变换构件形态牛头刨床2021/3/713CHENLI2.1平面连杆机构的运动特性2.2平面连杆机构的传力特性§2-2平面连杆机构的工作特性2021/3/714CHENLI2.1平面连杆机构的运动特性2.1.1转动副为整转副的条件设：2021/3/715CHENLI当有：在铰链四杆机构中，如果某个转动副能成为整转副，则它所连接的两个构件中，必有一个为最短杆，且四个构件的长度满足“杆长之和条件”——最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。转动副为整转副的条件:2021/3/716CHENLI铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系lmin+lmax小于或等于其余两杆长度之和条件条件机构型式lmin为机架lmin为连架杆lmin为连杆双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构lmin+lmax大于其余两杆长度之和曲柄存在条件:1、lmin+lmax小于或等于其余两杆长度之和；2、lmin为机架或连架杆。2021/3/717CHENLI导杆机构具有曲柄的条件：4Ad12aCB3e

为曲柄转动导杆机构时且为曲柄摆动导杆机构时且滑块机构具有曲柄的条件：AB1234eCab曲柄滑块机构2021/3/718CHENLI(1)曲柄摇杆机构B2C2B1C1曲柄转角对应的时间当曲柄AB与连杆BC两次共线时，输出件CD处于两极限位置，对应的曲柄位置线所夹的锐角成为极位夹角——。A21C34BDabcdv1v2摇杆点C的平均速度))极位夹角摆角作整周等速转动,原动件AB以从动件CD做往复摆动。2.1.2平面四杆机构输出件的急回特性2021/3/719CHENLI空回行程平均速度v2与工作行程平均速度v1之比：平面四杆机构具有急回特性的条件：（1）原动件作等速整周转动；（2）输出件作往复运动；（3）极位夹角K

称为行程速度变化系数2021/3/720CHENLI(2)曲柄滑块机构中C1B1B2HC22AB134eCab偏置曲柄滑块机构有急回特性。(3)曲柄摆动导杆机构B2B1AB对心曲柄滑块机构无急回特性。有急回特性2021/3/721CHENLI运动不连续问题有：（1）错序不连续1C234ABDC1C21C3234AB2DC1C2B1B3（2）错位不连续2.1.3平面连杆机构运动的连续性2021/3/722CHENLI2.2平面连杆机构的传力特性2.2.1压力角与传动角压力角：在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受力点的速度方向线所夹的锐角。传动角：压力角的余角。vcFF1F21ABCD234越小，受力越好越大，受力越好2021/3/723CHENLI4vcABCDF123出现在曲柄和机架处于两共线位置时fF1vcDFCABF21234abcd当时，当时，B2

DAC2C1B12021/3/724CHENLIFvcBaA134Cb2BACDvBF2021/3/725CHENLIvcABC12F

FvB3??F

vB123AC1B32CA2aAB134Cbvc2021/3/726CHENLI死点：机构处于传动角的位置vB踏板缝纫机主运动机构脚AB1C1DFB

2.2.2机构的死点位置vBFACBDB2C2克服死点：2021/3/727CHENLI2aAB134Cbvc请思考：

下列机构的死点位置在哪里；怎样使机构通过死点位置?B123AC死点的利用：ADB2C2飞机起落架收放机构B1C1地面F工件夹紧机构2021/3/728CHENLI飞机起落架收放机构工件快速夹紧机构2021/3/729CHENLI3.1平面四杆机构的功能及应用(1)刚体导引功能是机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置。§2-3平面连杆机构的特点及功能翻沙箱典型的例子是如图所示的铸造造型机的砂箱翻转机构，砂箱固结在连杆上，要求机构中的连杆能顺序实现造型和起模两个位置，以便实现砂箱在震实台上造型震实和翻转倒置起模两个动作。2021/3/730CHENLIC1DAB1E1HB2C2E2(2)函数生成功能

是指能精确地或近似地实现所要求的输出构件相对输入构件的函数关系。....ABC典型的例子是如图所示压力表指示机构，压力的大小决定了滑块的位移，可相应地由曲柄的转角大小来指示。采用一对齿轮传动是为了将曲柄转角放大，便于标示和观察指示刻度值。2021/3/731CHENLI(3)轨迹生成功能

是指连杆上某点能通过某一预先给定的轨迹。连杆应用：鹤式起重机要求机构在工作时，连杆BC上悬挂重物的吊钩滑轮中心点E的轨迹近似为一水平直线。以避免被吊运的重物作不必要的上下起伏，引起附加动载荷。2021/3/732CHENLI（4）综合功能O2O3O4O1D1下连杆上连杆上剪刀D2下剪刀2021/3/733CHENLI步进式工件传送机构杠杆式剪切机3.2平面四杆机构的特点（自学）2021/3/734CHENLI§2-4平面连杆机构的运动分析4.1机构运动分析的目的和方法4.2速度瞬心法及其应用4.3平面连杆机构的运动分析的解析法(矩阵法）2021/3/735CHENLI4.1机构运动分析的目的和方法运动分析——在几何参数为已知的机构中，不考虑力的作用，根据原动件的已知运动规律来确定其它构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度（或某些构件的位置、角位移、角速度、角加速度）等基本参数。运动分析的目的：（2）机构的运动性能分析（如，工作行程是否达到匀速等）（1）确定机构的运动空间和构件上某点的轨迹（3）求机构的惯性力时必须先进行运动分析2021/3/736CHENLI运动分析的方法几何法解析法

实验法矢量多边形法求位移、速度和加速度速度瞬心法求机构的速度封闭矢量多边形法复数法矩阵法2021/3/737CHENLI4.2速度瞬心法及其应用4.2.1速度瞬心的概念

两构件作相对运动时，其相对速度为零的重合点，称为速度瞬心，简称瞬心。vBiBjABvAiAj

ij

因此,两构件在任一瞬时的相对运动都可看成绕瞬心的相对运动。绝对瞬心：两构件之一是静止构件相对瞬心：两构件都运动的

也就是两构件在该瞬时绝对速度相等的重合点.ijPij2021/3/738CHENLI4.2.2机构中瞬心的数目

每两个相对运动的构件都有一个瞬心，故若机构由有n个构件组成，其瞬心总数：2021/3/739CHENLI(1)通过运动副直接相联的两构件速度瞬心AB12A12（P12）P1284.2.3瞬心位置的确定nnM12tt12p12MP122021/3/740CHENLI(2)不直接相联的两构件的速度瞬心可用三心定理来确定CVc2Vc3P12P13

2AB123

3三心定理:作平面运动的三个构件共有三个瞬心，这三个瞬心必在一条直线上2021/3/741CHENLIP12[例]

平底移动从动件盘形凸轮机构，构件2的角速度2，求从动件3在图示位置时的移动速度v3。321

2KnnP13P232021/3/742CHENLI

[例]

如图所示铰链四杆机构，若已知各杆长以及图示瞬时位置，求点C的速度VC、和构件2的角速度2及构件1、3的角速比1/3。P12P13P24P23P34

1A1234BCDP14v132021/3/743CHENLI4.3平面连杆机构的运动分析的解析法(矩阵法）4.3.1平面连杆机构运动分析矩阵法的一般形式设机构输入与输出关系由一组独立运动方程组描述（1）机构广义结构参数向量，其元素可以是尺寸参数，也可以是角度参数。机构广义输入运动，可以是直线运动，也可以是旋转运动。机构广义输出运动，可以是直线运动，也可以是旋转运动。由式（1）总可以解出输入、输出运动关系（2）为个独立运动方程，正好解出个输出运动。2021/3/744CHENLI将式（1）对时间连续微分即可得到输出速度和加速度（3）（4）2021/3/745CHENLIL1L2L3L432Bxy1

1

1ACD

34

2为方便起见，取以为A原点，x轴与机架AD共线的直角坐标系。各杆规定一个矢量指向，且以轴正向为基准，按逆时针方向为正取各杆的角位移。在规定各杆矢量指向时，建议与固定铰链相联结的连架杆矢量由固定铰链向外，其余杆件矢量指向任取。则四杆机构构成一个封闭的矢量多边形，其封闭矢量方程为铰链四杆机构已知：L1，L2，L3，L4，，求：，，，，，分别向x和y轴投影，得代数方程：(5)4.3.2平面连杆机构运动分析的整体分析法2021/3/746CHENLI位置分析:为求,将式（3）改写为:两边平方后相加并整理，得：再做进一步变换并求解，得：（6）2021/3/747CHENLIL1L2L3L432Bxy1

1

1ACD

34

2其中：为了将上述公式统一起见，将式(6),(7)改写成:当B、C、D为顺时针（实线）排列时，取M=-1；当B、C、D为逆时针（虚线）排列时，取M=+1。同理求得：（7）2021/3/748CHENLI速度分析：令：，则有：2021/3/749CHENLI代入式（3）得：加速度分析：由式（4）得：2021/3/750CHENLI铰链四杆机构运动分析的VB界面算例及其计算机辅助分析：

已知曲柄摇杆机构,求：，，，，，，，，，。2021/3/751CHENLI，，从动件3角位移角速度角加速度2021/3/752CHENLI，，从动件3角位移角速度角加速度曲线2021/3/753CHENLI机构运动仿真2021/3/754CHENLI由机构组成原理可知，任何平面机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成。如果对常见的基本杆组进行运动分析并建立相应的子程序库，那么在进行机构运动分析时，就可以根据机构组成情况，编制一个依次调用组成该机构的各基本杆组子程序的主程序，即可实现对整个机构的运动分析。2134BCDEF56A4EF523BCDA＝＋＋考虑到工程实际中大多数机构是Ⅱ级机构，本节主要介绍同一构件上两点间运动分析和最常见的RRR型、RRP型及RPR型Ⅱ级杆组的运动分析。

4.3.3应用机构组成原理进行平面连杆机构运动分析2021/3/755CHENLI(1)单杆构件的运动分析已知：，，，，，，，求：LiMABio位置分析：速度分析：加速度分析：2021/3/756CHENLI(2)RRR型杆组的运动分析BoCDLiLj已知：，，，，，，，，求：，，，，，建立数学模型：向坐标轴投影(1)2021/3/757CHENLI令，，，，则有：2021/3/758CHENLI位置分析：式中：为求，将式(1)消元、移项、平方相加，并整理得三角函数方程式（2）LBD为B、D两点距离为保证机构的装配，必须同时满足

在进行计算时，必须检查机构是否满足该装配条件，若不满足，则认为该杆组在机构中不能装配，问题无解，即令停机。

将式（2）应用和上节同样的处理办法，可以解出当B、C、D为顺时针（实线）排列时，取M=-1；当B、C、D为逆时针（虚线）排列时，取M=+1。2021/3/759CHENLI求出后，便可由（1）前两式求出点坐标，再由后两式求出速度分析：由4.3.1中式（3），可求得：2021/3/760CHENLI加速度分析：由4.3.1中式（4），可求得：式中：(3)RRP型杆组的运动分析（自学）(4)RPR型杆组的运动分析（自学）参阅机械原理课程设计（师忠秀）参阅机械原理课程设计（师忠秀）2021/3/761CHENLI[例]

如图所示双摇杆机构，已知各构件尺寸为，，，，原动件1等角速度回转=10rad/s，连杆2上一点E的定位尺寸和定位角度。求原动件转角每隔1°，从动件3的角位移、角速度和角加速度，并求=60°时连杆2上E点的位移、速度和加速度。①分析机构组成，确定解题步骤该机构由原动件AB（可以看作Ⅰ级杆组）、机架和一个RRR型Ⅱ级基本杆组BCD组成。为了求得构件2上E点的运动，可以先调用CRANK子程序，求出原动件（Ⅰ级杆组）上B点的位置、速度和加速度；再调用RRR子程序，求出构件2的角位移、角速度和角加速度；最后再调用CRANK子程序，由构件2的运动参数求得其上E点的运动参数，从而得到2021/3/762CHENLI说明：

由题目要求为双摇杆机构，所以需求出的极限角度，由几何关系得：

因为，，所以，计算机辅助分析2021/3/763CHENLI杆组法进行机构运动分析的VB界面2021/3/764CHENLI原动件参数界面B点的位置、速度和加速度2021/3/765CHENLIRRR型Ⅱ级杆组界面2021/3/766CHENLI机构运动分析数据显示2021/3/767CHENLI机构运动分析运动曲线显示2021/3/768CHENLI机构运动仿真2021/3/769CHENLI5.1平面四杆机构的功能及应用（回顾）§2-5平面连杆机构的运动设计5.2平面连杆机构运动设计的基本问题和方法5.3平面连杆机构运动设计的的图解法5.4平面连杆机构运动设计的解析法2021/3/770CHENLI5.1平面连杆机构的功能及应用（回顾）(1)刚体导引功能是机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置。翻沙箱

典型的例子是如图所示的铸造造型机的砂箱翻转机构，砂箱固结在连杆上，要求机构中的连杆能顺序实现造型和起模两个位置，以便实现砂箱在震实台上造型震实和翻转倒置起模两个动作。2021/3/771CHENLIC1DAB1E1HB2C2E2(2)函数生成功能

是指能精确地或近似地实现所要求的输出构件相对输入构件的函数关系。....ABC典型的例子是如图所示压力表指示机构，压力的大小决定了滑块的位移，可相应地由曲柄的转角大小来指示。采用一对齿轮传动是为了将曲柄转角放大，便于标示和观察指示刻度值。2021/3/772CHENLI(3)轨迹生成功能

是指连杆上某点能通过某一预先给定的轨迹。连杆应用：鹤式起重机要求机构在工作时，连杆BC上悬挂重物的吊钩滑轮中心点E的轨迹近似为一水平直线。以避免被吊运的重物作不必要的上下起伏，引起附加动载荷。连杆曲线1，2，3，42021/3/773CHENLI5.2平面连杆机构运动设计的基本问题和方法（1）平面四杆机构设计的主要任务

在型综合的基础上，根据机构所要完成的功能运动而提出的设计条件（运动条件、几何条件和传力条件等），确定机构的运动尺寸（又称为尺度综合），画出机构运动简图。①要求某连架杆为曲柄；②要求机构的运动具有连续性；③要求最小传动角在许用传动角范围内，即④特殊的运动要求，如要求机构输出件有急回特性；⑤足够的运动空间等。（4）设计方法（2）平面四杆机构运动设计的基本问题（3）平面四杆机构运动设计中应满足的附加条件③实现预定轨迹的设计。②实现预定运动规律的设计；①实现刚体给定位置的设计；①图解法；②解析法；③实验法2021/3/774CHENLI5.3平面连杆机构运动设计的的图解法问题的本质：已知活动铰链，求固定铰链AD5.3.1刚体导引机构的设计（实现连杆给定位置的设计）B3C3ⅢB1C1ⅠC2B2Ⅱ2021/3/775CHENLIDAB1B2B3E1E2E3B3AB1B2E3DE1E2B21B31C2C3C15.3.2函数生成机构的设计（给定两连架杆对应位置设计四杆机构）问题的本质：已知固定铰链中心A、D及活动铰链中心一个，求另一活动铰链中心。直接连接BE或随便取定两个活动铰链中心行吗？？？2021/3/776CHENLI（按给定给定行程速度变化系数设计四杆机构）已知：输出件的极限位置，行程速度变化系数K，求运动学尺寸。(1)铰链四杆机构5.3.3急回机构的设计DC1C2AB1B2PE2021/3/777CHENLI(2)曲柄滑块机构已知：H，K，e求:

机构运动学尺寸HOeAC2C1B2B12021/3/778CHENLI5.4平面连杆机构运动设计的解析法5.4.1刚体位移矩阵yxOP1S1Q1刚体的位移是指刚体位置的改变，可用刚体位移矩阵来描述。刚体在平面上的位置可用固联于其上的任一向量PQ的方位来确定，如图所示。其中向量尾部P为参考点，向量的头部Q为待求点。SjPjQj刚体的一般平面运动，可以看作是向量PQ先旋转后平移两个运动的合成。即刚体先绕参考点P（即z轴）转动（规定逆时针方向为正）,再随参考点P由平移到，从而由位置1运动到位置j。于是有即（5－1）2021/3/779CHENLI为旋转变换矩阵

为平移变换矩阵

其中：将式（5－1）展开化简，可得待求点在运动前后的关系:

(5-2)其中：为运动前的坐标为运动后的坐标称为刚体从位置1运动到位置j的位移矩阵。当参考点的位移和刚体转角已知时即可确定位移矩阵中各元素的值

2021/3/780CHENLI5.4.2刚体导引机构的综合如图所示四杆机构能引导固结在构件3上的刚体依次通过给定位置，，该机构称为刚体导引机构。与被导刚体固结在一起的构件3称为被导构件（通常是连杆），支持被导构件的构件2、4称为导引构件（通常是连架杆）。此类综合问题的目标在于设计相应的导引构件，使被导构件通过一系列给定的位置。由于平面连杆机构的运动副只有转动副R和移动副P，因而作为导引构件的连架杆也只有R—R杆和P—R杆两种形式。下面分别讨论其位移约束方程。2021/3/781CHENLI（1）R-R导引构件的位移约束方程——定长方程（2）P—R导引构件的位移约束方程——定斜率方程