第02章 连杆机构

第 2章 连杆 机构Linkages2.1平面 连杆 机构的 基本类型 2.2平面 连杆 机构的 工作 特性 2.3平面 连杆 机构的 运动分析2.4 平面连杆 机构的 运动设计概述 Introduction连杆 机构 由 若干刚性构件 用低副 联接 而成的机构。故又称低副机构。连杆 机构又可 分为 平面连杆 机构 和 空间 连杆机构 。平面连杆 机构 应用极为 广泛：平面连杆 机构和 空间连杆 机构Planar Linkage and Spatial Linkage平面连杆 机构 各运动构件 均在 相互平行 的 平面 内 运动。空间连杆 机构 各运动构件 不都在 相互平行 的 平面 内 运动。本 课程 的 介绍 以 平面连杆 机构 为主 。1 概述 (续）Introduction 连杆 机构的特点：1. 低副机构， 运动 副为面 接触 ， 压强 小， 承载能力 大，耐 冲击。2.其 运动 副 元素 多为 平面 或 圆柱面 ， 制造比较容易 ，而靠其 本身的 几何封闭 来 保证构件运动 ，结构 简单 ,工作可靠 。 3.可以实现不同 的 运动规律 和 特定 轨迹 要求 。4.可 以远距离 的 传动 和操纵自行车 手闸缝纫机脚 踏板2.1 平面 连杆 机构的 基本类型Basic Type and of Planar Linkage 2.1.1 平面 四杆机构的 基本形式2.1.2 平面 四杆机构 具有 整转副的 条件2.1.3 平面 四杆机构的 演化2.1.1 平面 四杆机构的 基本形式Basic Types of Planar Four-bar Linkages 铰链 四杆机构 全 转动副的四杆机构 。在四杆机构中：机架（ Frame) 固定 不动的杆。连架杆（ Side link) 与机架 相连的杆。连杆 (coupler) 两连架杆 之间 的杆。整转副 组成 转动 副的两个 构件可以相对 做整 周转 动。摆转副 组成 转动 副的两个 构件不能相对 做整 周转 动。曲柄 (Crank) 能够 绕 固定铰链 做整 周转 动的连架杆。摇杆 (Rocker) 仅能在 一定范围绕 固定铰链摆动 的连架杆。2.1.1 平面 四杆机构的 基本形式 (续）Basic Types of Planar Four-bar Linkages铰链 四杆机构根据连架杆 是否成为 曲柄 分成 三种 类型 ：1. 曲柄摇杆机构2. 双曲柄机构3. 双摇杆机构1.曲柄 摇杆机构Crank-rocker Mechanism曲柄摇杆机构 一个 连架杆为曲柄， 另一个 连架杆为摇杆的 铰链四杆机构。在曲柄摇杆机构中，如图所示，铰链 是整转副，是摆转副。其他应用实例Other Application Examples2. 双曲柄机构Double-Crank Mechanism双 曲柄机构 两个连架杆 都是 曲柄的 铰链 四杆机构。双 曲柄机构将 主动 杆的 转动变成从动 杆的转动 ， 通过 取 不同 的从动 曲柄的 长度 ， 可以得到不同 的 运动规律 。惯性 筛机构是双曲柄机构的 实际 应用。平行四边形 机构Parallel-crank Mechanism在双曲柄机构中，如果 两对边 构件 的长度 相等且 平行 ，称为平行四边形 机构。平行四边形 机构的 运动不确定 性平行四边形 机构 运动不确定 性Motion Indetermination of Parallel-crank Mechanism平行四边形 机构 (续）Parallel-crank Mechanism平行四边形 机构在实际中的应用很多。绘图仪 机构两曲柄 长度相同，而 连杆 与机架不 平行 的 铰链 四杆机构， 称为 反平行四边形 机构。3. 双摇杆机构Double-rocker Mechanism双 摇杆机构 铰链 四杆机构的连架杆都是摇杆的机构。2.1.2 平面 四杆机构 具有 整转副的 条件Conditions for Having a Completely Revolute Pair如 图所示 对于 有整转副的 铰链 四杆机构，选 不同的 构件 为机架就可以得到不同 的机构。但是 并不是 所有的 铰链 四杆机构都有整转 副。双曲柄机构 曲柄摇杆机构双摇杆机构 曲柄摇杆机构2.1.2 平面 四杆机构 具有 整转副的 条件 （续）Conditions for Having a Completely Revolute Pair 上图所示的双摇杆机构就没有整转副。 铰链 四杆机构要 有整转副 必须满足一定 的 条件。由上图 可见 ， 铰链 四杆机构中 构件能够 绕 固定铰链 整 周转 动的 条件 是，在机构 运动 时 始终 有 BCD存在 , 即 必须满足以下条件 ： + g， + ， + 3.1.2 平面 四杆机构 具有 整转副的 条件 （续）Conditions for Having a Completely Revolute Pair + g, + , + g是 变量 ，要 满足上面 的 条件必须 是 ： + gmax, + min ,gmin+ 。铰链 四杆机构在 构件处于 位置 时 达到最大 max +处于位置时达到最小 min 。所以有： + + + + + + 同理，时候： + + + + + + 3.1.2 平面 四杆机构 具有 整转副的 条件 （续）Conditions for Having a Completely Revolute Pair通过上面 的 分析可以得出如下 重要结论 ：在 铰链 四杆机构中，如果某个转动 副能 成为 整转副，则它所 联接 的两个 构件 中，必有 一个 为最短杆，该最短杆与最长杆 长度之和 小于 或 等于其他两杆 长度 之和 格拉霍夫 定理 (Grashof Criterion)在 有整转副的 铰链 四杆机构中，最短杆 两端 的 转动 副均为整转副。若此时最短杆为机架，则为双曲柄机构；若最短杆为连架杆，则为曲柄摇杆机构；若最短杆为 连杆 ，则为双摇杆机构。若 铰链 四杆机构不 满足 杆秤 条件 则必为双摇杆 机构。铰链 四杆机构 类型判别框图是否满足 杆长 条件考察 最短杆可能 有曲柄不可能 有曲柄 双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构是 否最短杆为连架杆最短杆为机架最短杆为连架杆2.1.3 平面 四杆机构的 演化Variation of Planar Four-bar Mechanisms 1. 转动 副 转化 成 移动 副2. 扩大转动 副的 尺寸3. 选择不同 的 构件 为机架1.转动 副 转化 成 移动 副Replacing A revolute Pair with a Sliding Pair铰链 四杆机构 演化成为 曲柄 滑 块机构对心式的曲柄 滑块 机构偏置式的曲柄 滑块 机构(Slider-crank mechanisms)转动 副 转化 成 移动 副（续）Replacing A revolute Pair with a Sliding Pair单 移动 副的曲柄 滑块 机构 演化 成双 移动 副的 正弦 机构。 S=L1sin 2.扩大转动 副 的尺寸Enlarging a Revolute Pair将曲柄 滑块 机构的整转副 逐渐扩大 ， 甚至大于曲柄的 长度，就 演化成为变心 轮机构。双 移动 副机构 举例Example for Double-slider Pair Mechnisms3. 选择不同 的 构件 为机架Taking Different Links As the Frame 选择不同 的 构件 为机架，曲柄 滑块 机构还 可以演化成为 导杆机构、摇块机构和定块机构。若 1构件长于 2构件 ，在被选为机架时将 演化 为 摆动 导杆机构。曲柄滑块转动导杆摇块机构定块机构摆动导杆实例Examples2.2 平面连杆 机构的 工作 特性Characteristics Analysis of Planar Linkages前面我们介绍 了 铰链 四杆机构 常见 的 一些基本形式以及它们 的 一些应用实例 ， 现在 ， 再来介绍有关铰链 四杆机构的 一些基本工作 特性 。包括：急 回 运动特性 ；运动的连续性 ；压力 角和 传动角 ；死 点 位置 以及 机械 增益 的 概念 。正是 因为具有这些 特性 平面连杆 机构才得以广泛 的 应用 。急回 运动 特性Quick Return Characteristics极位 夹角只要 有极位 夹角存在 ，就 一定 有急回特性。 =180 , =180 急回