机械设计基础 课件 03平面连杆机构

《机械设计基础》主编：胡孟谦张晓娜

机械工业出版社课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿轮机构第七章蜗杆传动第八章轮系第九章带传动与链传动第十章联接第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器离合器制动器第十四章机械创新设计【学习目标】通过本章的学习，掌握平面机构的基本类型；特性及其工作原理，掌握用作图法设计平面四杆机构的原理及方法。【知识点】1.平面四杆机构基本形式2.平面机构的演化形式3.铰链四杆机构存在曲柄的条件4.平面四杆机构的运动特性与传力特性第三章平面连杆机构第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征一、平面连杆机构定义平面连杆机构是由若干构件通过低副联接，且所有构件在相互平行平面内运动的机构。平面连杆机构常以其所含的构件（杆）数来命名。如：由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构，则称为平面四杆机构。3-1平面连杆机构概述二、平面连杆机构的特点1.运动副为移动副或转动副，承载能力较大，便于润滑，耐磨损。2.结构较简单，工作可靠，制造成本低。3.可通过改变杆件的长度改变从动件的运动规律，实现多种运动形式的改变。4.机构的运动副较多，低副的间隙无法消除，并形成运动误差积累，影响运动精度。5.因机构运动时产生的动不平衡难以避免，不适于高速运动场合。3-1平面连杆机构概述三、平面连杆机构的应用平面连杆机构常应用于机床、动力机械、工程机械、包装机械、印刷机械和纺织机械中。如：牛头刨床中的导杆机构，活塞式发动机和空气压缩机中的曲柄滑块机构，包装机中的执行机构等。3-1平面连杆机构概述【中国空间站机械臂】——由中国航天科技集团公司第五研究院（简称航天科技集团五院）研制，是我国目前智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统，空间站机械臂由核心舱机械臂（大臂）和“问天”实验舱机械臂（小臂）组成。3-1平面连杆机构概述平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构。

铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，滑块四杆机构是平面四杆机构的演化形式。第二节

平面四杆机构的基本形式及其演化3-2平面四面机构的基本形式及其演化一、平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构：构件间连接都是转动副的平面四杆机构。4-机架，1、3-连架杆，曲柄-2根据梁连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构共有三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。1234ABCD图3-1铰链四杆机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化1.曲柄摇杆机构若铰链四杆机构的两个连架杆中一杆为曲柄另一个为摇杆，则称之为曲柄摇杆机构。雷达天线俯仰角的调整机构。也可利用连杆的复杂运动实现所需的运动轨迹。搅拌器机构缝纫机踏板机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化砂轮机构曲柄摇杆机构的应用2.双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。惯性筛机构

(a)惯性筛机构平行双曲柄机构（或平行四边形机构）：双曲柄机构中相对的两构件长度分别相等。

(b）双曲柄机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化机构的运动特点：两曲柄的转动方向相同且角速度相等，而连杆做平动。

(b）机车驱动轮联动机构反平行双曲柄机构或反平行四边形机构：两曲柄的转向相反且角速度不等。(c）摄影车座斗机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化运动不确定：在正平行双曲柄机构中，当各构件共线时，可能出现从动曲柄与主动曲柄转向相反的现象，而成为反平行双曲柄机构。解决措施：可采用辅助曲柄或错列机构等措施解决，如：机车联动机构中采用三个区柄的目的就是为了防止其反转。应用：在平行双曲柄机构中，无论以哪个构件为机架都是双曲柄机构。但如果选取较短构件为机架，则两曲柄的转动方向始终相同。反平行双曲柄机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化a）反平行双曲柄机构

b）车门启闭机构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。通常情况下，两摇杆的摆角不等，常用于操纵机构、仪表机构等。具体应用1：轮式车辆的前轮转向机构，该机构两摇AB、CD杆长度相等，又称为等腰梯形机构。3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用2：鹤式起重机，其变幅机构ABCD采用双摇杆机构。3-2平面四面机构的基本形式及其演化第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征二、四杆机构的演化形式铰链四杆机构在实际的工程应用中，常演化为其他型式的四杆机构：曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构等。1.曲柄滑块机构（1）铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副曲柄摇杆机构中的转动副演化为移动副。图3-6曲柄滑块机构的演变3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用：曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、自动送料装置、冲床等机械。图3-7曲柄滑块机构的应用3-2平面四面机构的基本形式及其演化（2）铰链四杆机构中二个转动副转化为移动副

对心曲柄滑块机构→双滑道机构→正弦机构（直线滑道机构）（a）对心曲柄滑块机构（b）双滑块机构（c）正弦机构图3-8曲柄滑块机构演化为正弦机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化

将图3-9a曲柄滑2.导杆机构块机构中的机架AC变更为AB，则该机构演化为导杆机构。（b）导杆机构导杆机构包括转动导杆机构和摆动导杆机构两种形式。导杆：对滑块起导向作用图3-9曲柄滑块机构演化为导杆机构（a）曲柄滑块机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化2.导杆机构图3-11导杆机构的应用3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用：导杆机构的传力性能较好，常用于插床、牛头刨床和送料装置等。3-2平面四面机构的基本形式及其演化3.摇块机构具体应用：该机构常用于摇摆式气、液压驱动装置，如：自动货车翻斗机构。

曲柄滑块机构

摇块机构

（b）自卸货车翻斗机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化4.定块机构

曲柄滑块机构

定块机构具体应用：该机构常用于手动抽油机和手摇抽水泵。（b）手摇式抽水泵运动简图

（c）手摇式抽水泵3-2平面四面机构的基本形式及其演化第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特性3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征整转副：机构中能使被连接的两个构件相对转动360°的转动副称为整转副。整转副的存在是曲柄存在的必要条件。铰链四杆机构的三种基本形式的区别：在于机构中有无曲柄和有几个曲柄。一、铰链四杆机构存在曲柄的条件1.整转副存在的条件——长度条件最长杆长度：Lmax，最短杆长度：Lmin，其余两杆的长度：L'、L″构件能做整转副的条件为：Lmax+L_min≤L'+L″。如果Lmax+Lmin＞L'+L″，则机构不存在整转副。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.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Lmax+Lmin≤L'+L″（2）连架杆好机架中必有一杆为最短杆。在铰链四杆机构中，由以上推理可知：AB为曲柄、BC为连杆、CD为摇杆、AD为机架。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征3.铰链四杆机构基本类型的判别方法（1）当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（Lmax+Lmin≤L'+L″）时：①若最短杆的相邻杆为机架，则机构为曲柄摇杆机构；②若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构；③若最短杆的对边杆为机架，则机构为双摇杆机构。（2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和（Lmax+Lmin>L'+L″）时，则无论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征3.铰链四杆机构基本类型的判别方法解：（1）由于Lmax+Lmin=50+20<L'+L″=30+45，所以最短杆两端的两个转动副A、D能整转，而B、C则不能整转。（2）以AB杆或CD杆（最短杆AD的邻杆）为机架，机构为曲柄摇杆机构；以BC杆（最短杆AD的对边杆）为机架，机构为双摇杆机构；以CD杆杆最短杆为机架，机构为双曲柄机构。例3-1铰链四杆机构ABCD的各杆长度如图3-15所示（设长度单位为mm）（1）试判断四个转动副中，哪些能整转？哪些不能整转？（2）说明机构分别以AB、BC、CD、和AD各杆为机架时，属于哪种机构？3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

二、平面四杆机构的运动特性1.极位、极位夹角、摆角极位：当曲柄为主动件时，从动件在做往复摆动或往复移动时的两个极限位置。极位夹角：摇杆存在两个极限位置时，此两处曲柄之间所夹的锐角θ最大摆角：导杆对应两个极位间的夹角

曲柄摇杆机构的极位3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

急回特性：从动件空回行程速度比工作行程速度快。行程速比系数K：回程平均速度与进程平均速度之比

极位夹角θ的计算公式为

极位夹角θ表示了急回程度的大小，θ越大，K值越大，机构的急回程度越强，极位夹角θ一般取k=1.1~1.3；

对于对心曲柄滑块机构，因θ=0，所以机构无急回特性。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.急回特性1.压力角和传动角压力角α：机构从动件上受力点的速度方向与该作用力方向之间所夹的锐角。作用：判断机构传动性能的优劣。传动角γ：压力角α的余角作用：判断机构传力性能的优劣3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征三、平面四杆机构的传力特性

在机构运转时，压力角和传动角是随机构的位置而变化的。最小传动角γmin的选择：对于一般工作机构，通常取γmin≥40°；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，可取γmin≥50°；对于小功率的控制机构和仪表，γmin可略小于40°。

止点位置（或称死点位置）：平面连杆机构在压力角α=90°、传动角γ＝0°的位置。当机构处于止点位置时，会出现“卡死”或运动不确定（即工作件在该位置可能向反方向转动）的情况。对于具有极位的四杆机构，当主动件做往复运动时，机构具有两个止点位置。

对于传动机构而言，存在止点位置是不利的。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.止点位置

采取措施：一、利用从动件的惯性顺利地通过死点位置，如缝纫机踏板机构中的大带轮就相当于飞轮，利用惯性通过止点。缝纫机踏板机构3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

二、采用错位排列地方式顺利地通过止点位置

V型发动机多个活塞连杆机构止点位置相互错开，可使曲轴顺利通过止点位