《机械设计基础》课件-第9章

第9章平面连杆机构9.1平面四杆机构的类型9.2四杆机构的基本性质9.3平面四杆机构的设计

9.1平面四杆机构的类型

9.1.1铰链四杆机构

在平面四杆机构中，若各运动副都是转动副，则称其为铰链四杆机构，如图9-1所示。在此机构中，构件4为机架；构件1、3与机架直接相连，称为连架杆；构件2与机架间接相连，称为连杆。机构工作时，连架杆作定轴转动，连杆作平面复杂运动。能作整周转动的连架杆称为曲柄，只能在一定角度范围内摆动的连架杆称为摇杆。按两连架杆中曲柄与摇杆的存在情况，铰链四杆机构可分为三种基本形式。图9-1铰链四杆机构

1.曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆之一为曲柄，另一为摇杆，则称为曲柄摇杆机构，如图9-2所示。在此机构中，连架杆1为曲柄，其可绕固定铰链中心A作整周转动，故活动铰链中心B的轨迹为圆；连架杆3为摇杆，其只能绕固定铰链中心D来回摆动，故活动铰链中心C的轨迹为一段圆弧。图9-2曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构的传动特点是：可实现曲柄转动与摇杆摆动的相互转换。图9-3所示为雷达天线俯仰角调整机构，构件1为曲柄，它转动后通过连杆2使摇杆3(即天线)绕D点摆动，从而调整天线的俯仰角以对准通信卫星。图9-4所示为缝纫机踏板机构，构件3为摇杆(即踏板)，它上下摆动后通过连杆2使曲柄1(大皮带轮)连续转动，从而驱动缝纫机工作。图9-3雷达天线俯仰角调整机构图9-4缝纫机踏板机构

2.双曲柄机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构，如图9-5所示。

双曲柄机构的传动特点是：当主动曲柄匀速转动时，

从动曲柄一般作变速转动。图9-6所示为惯性筛机构，它利用双曲柄机构ABCD从动曲柄3的变速转动，通过杆5带动筛子6作变速往复移动，从而达到利用惯性筛分物料的目的。图9-5双曲柄机构图9-6惯性筛机构在双曲柄机构中，若相对的两杆平行且长度相等，则称为平行四边形机构，如图9-7所示。该机构的传动特点是两曲柄以相同的角速度同向转动，连杆作平动。图9-8所示为平行四边形机构在机车车轮联动机构中的应用。图9-7平行四边形机构图9-8机车车轮联动机构在双曲柄机构中，若两相对杆的长度分别相等，但不平行，则称为反平行四边形机构，如图9-9所示。在反平行四边形机构中，当以其长边为机架时，两曲柄的转动方向相反，如图9-10所示的车门启闭机构就利用了这个特性，它可使两扇车门(AE和DF)同时开启或关闭；当以其短边为机架时，两曲柄的转向相同，其性能与一般的双曲柄机构相似。图9-9反平行四边形机构图9-10车门启闭机构

3.双摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆，称为双摇杆机构，如图9-11所示。

双摇杆机构的传动特点是：可将一种摆动转换成另一种摆动。在双摇杆机构中，如果两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。图9-12为等腰梯形机构在汽车前轮转向机构中的应用，车身4为机架，连架杆1、3是摇杆且分别与左、右前轮固连，2为连杆，转动方向盘可通过杆5驱动摇杆1、3(车

轮)摆动，从而实现汽车的转向。图9-11双摇杆机构图9-12汽车前轮转向机构9.1.2含有一个移动副的四杆机构

1.曲柄滑块机构

图9-13所示的四杆机构中，4为机架，1、3为连架杆，2为连杆，3与4之间构成移动副，其余三个运动副为转动副。机构工作时，连架杆1作整周转动，称为曲柄；连架杆3作往复移动，称为滑块；该机构称为曲柄滑块机构。当滑块移动的导路m—m通过曲柄的转动中心A时，称为对心曲柄滑块机

构(图9-13(a))；当滑块移动的导路m—m不通过曲柄的转动中心A时，称为偏置曲柄滑块机构(图9-13(b))，偏置的距离e称为偏距。图9-13曲柄滑块机构

2.转动导杆机构

在图9-13(a)所示的对心曲柄滑块机构中，若改选构件1为机架，则得到图9-14所示的曲柄转动导杆机构，简称转动导杆机构。在此机构中，两连架杆2、4均作整周转动，其中，构件2称为曲柄，构件4为滑块3提供导轨作用，称为导杆。图9-14转动导杆机构转动导杆机构的传动特点是：当曲柄匀速转动时，导杆作变速转动。图9-15为插床插刀运动机构，利用转动导杆机构ABC中导杆4的变速运动，使插刀6在切削行程时运动慢，在空回行程时运动快，以缩短非工作时间，提高生产率。图9-15插床插刀运动机构

3.摆动导杆机构

在图9-14所示的转动导杆机构中，若使机架长度大于曲柄长度，即a>b，则得到图9-16所示的摆动导杆机构。在此机构中，构件2可整周转动，而导杆4只能往复摆动。

摆动导杆机构的传动特点是：当曲柄匀速转动时，导杆作变速摆动。图9-17为摆动导杆机构ABC在牛头刨床刨刀运动机构中的应用，其作用与转动导杆机构在插床插刀运动机构中的作用相同。图9-16摆动导杆机构图9-17牛头刨床刨刀运动机构

4.摇块机构

在图9-13(a)所示的对心曲柄滑块机构中，若改选构件2为机架，则得到图9-18所示的摇块机构。在此机构中，构件1作整周转动，滑块3作往复摆动。

摇块机构的传动特点是：它可将导杆的相对移动转化为曲柄的转动。图9-19所示为摇块机构在自卸卡车车厢举升机构中的应用。其中摇块3为油缸，利用压力油推动活塞使车厢翻转卸料。图9-18摇块机构图9-19自卸卡车车厢举升机构

5.定块机构

在图9-13(a)所示的对心曲柄滑块机构中，若改选滑块

3为机架，则得到图9-20所示的定块机构。在此机构中，导杆4作往复移动，构件2作往复摆动。图9-21所示的手压抽水机为该机构的应用实例。图9-20定块机构图9-21手压抽水机

9.2四杆机构的基本性质

9.2.1铰链四杆机构存在曲柄的条件

在图9-22所示的曲柄摇杆机构中，设各杆长度依次为l1、l2、l3、l4，且l1<l4。假定AB为曲柄，则曲柄AB回转一周过程中，必有两次与连杆BC共线。图9-22铰链四杆机构据三角形两边之和大于第三边的定理，由△AC2D有

l3+l4>l1+l2

由△AC1D有

l2-l1+l4>l3

l2-l1+l3>l4将上列三式整理，并考虑到四个杆件同时共线的情况，可得

l1+l2≤l3+l4

l1+l3≤l2+l4

l1+l4≤l2+l3

将以上三式两两相加，化简得

l1≤l2

l1≤l3

l1≤l49.2.2急回运动特性

在图9-23所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB为原动件，它以等角速度ω1顺时针转动。图9-23曲柄摇杆机构的急回特性机构急回运动的程度可用行程速比系数K来衡量，即

(9-1)

上式表明，当θ=0时，K=1，机构无急回特性；当θ≠0时，机构具有急回特性，θ角愈大，K值愈大，急回特性愈显著。θ角的大小与各构件的长度有关，设计时，通常要预选K值，求出θ，因此，由式(9-1)可求得

(9-2)9.2.3压力角和传动角

在图9-24所示的曲柄摇杆机构中，如果不计质量和摩擦力，则连杆2是二力构件，由原动件1经过连杆2作用在从动件3上点C的驱动力F，将沿着BC方向。图9-24曲柄摇杆机构的压力角和传动角9.2.4死点位置

在图9-25所示的曲柄摇杆机构中，设摇杆CD为主动件，则当连杆与从动曲柄两次共线时，机构的传动角γ=0，这时摇杆CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力恰好通过其回转中心A，此力对A点不产生力矩，所以出现了不能使曲柄转动的“顶死”现象，或转向不确定现象。机构的这种位置称为死点位置。可见，四杆机构中是否存在死点位置，取决于从动件是否与连杆共线，或机构的传动角γ是否为零。图9-25曲柄摇杆机构的死点位置在工程实践中，也常利用机构的死点来满足一些特定的工作要求。如图9-26所示的钻床夹具，用力F压下手柄2，工件5即被夹紧，此时连杆2与从动件3共线(BCD)；外力F撤除后，在夹紧反力Fn的作用下，因机构处于死点位置，夹具并不会自动松开而仍保持夹紧状态；当需要取出工件时，抬起手柄松开夹具即可。图9-26钻床夹具

9.3平面四杆机构的设计

9.3.1按给定连杆位置设计四杆机构

1.按给定连杆的两个位置设计四杆机构

图9-27(a)所示为一加热炉的炉门启闭机构ABCD，炉门(即连杆BC)关闭时在铅垂位置E1，炉门开启时在水平位置E2。炉门上两铰链中心B和C的位置已知，要求设计该铰链四杆机构。

该设计的实质是已知连杆长度及连杆两个位置B1C1、B2C2，确定其余三构件的长度，如图9-27(b)所示。图9-27按给定连杆的两个位置设计四杆机构