第八章 平面连杆机构及其设计-2.ppt

1、第八章平面连杆机构及其设计,第八章平面连杆机构及其设计,8-1 连杆机构及其传动特点 8-2 平面四杆机构的类型和应用 8-3 平面四杆机构的基本知识 8-4 平面四杆机构的设计 8-5 多杆机构,连杆机构常用其所含的杆数而命名，,故此类机构统称为连杆机构。,8-1 连杆机构及其传动特点,1.应用举例,契贝谢夫四足步行机构（图片、动画）,2.连杆机构,曲柄滑块机构,摆动导杆机构,此类机构的共同特点：,机构的原动件1和从动件3的运动都需要经过连杆2来传动。,机构中的运动副一般均为低副。,故此类机构也称低副机构。,连杆机构中的构件多呈现杆的形状，,故有四杆机构、六杆机构等。,例2-1 铰链四杆机构

2、,故常称构件为杆。,构件多呈现杆的形状；,可实现多种运动变换和运动规律；,连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。,缺点：,运动链长，累积误差大，效率低；,惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动；,一般只能近似满足运动规律要求。,3.传动特点,运动副一般为低副；,优点：,2-1 连杆机构及其传动特点,平面连杆机构: 所有构件均在相互平行的 平面内运动的连杆机构。,4.分类,所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构。,空间连杆机构,1） 用于受力较大的挖掘机，破碎机。,挖掘机,破碎机,5.举例,2）用于实现各种不同的运动规律要求。,惯性筛,5.举例,3）可以实现给定轨迹要求的,搅拌机机构,

3、5.举例,平面连杆机构中结构最简单、应用最广的是四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的 本章重点讨论四杆机构及其设计。,曲柄,连杆,摇杆,1.铰链四杆机构,曲柄能相对于机架作整周转动的连架杆。,连架杆用低副与机架相联接的构件。,摇杆不能相对于机架作整周转动的连架杆。,连杆不与机架联接的构件。,8-2 平面四杆机构的类型和应用,一、四杆机构的基本型式,全部运动副为转动副的四杆机构,周转副联接的两构件能相对作整周转动的运动副。,摆转副联接的两构件不能相对作整周转动的运动副。,(1) 曲柄摇杆机构,铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整周转动，另一个只能作往复摆动的机构。,8-2 平面四杆机构

4、的类型和应用,一、四杆机构的基本型式,2. 铰链四杆机构的分类,(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。 主动曲柄等速转动，从动曲柄一般为变速转动 在双曲柄机构中有一种特殊机构，连杆与机架的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同的双曲柄机构，称为平行四边形机构。如图所示。,8-2 平面四杆机构的类型和应用,一、四杆机构的基本型式,2. 铰链四杆机构的分类,平行四边形机构有以下两个运动特点:,（1）两曲柄转速相等 如图所示的机车车轮联动机构。 （2）连杆始终与机架平行 如图所示的摄影车升降机构。,对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相等而不平行,两个曲柄长度相

5、等所组成的双曲柄机构称为反平行四边形机构。 反平行四边形机构不具备平行四边形机构前述两个运动特征。 车门启闭机构就是反平行四边形机构的应用实例，如图所示。,反平行四边形机构,车门启闭机构,反平行四边形机构有以下两个运动特点:,(3)双摇杆机构,铰链四杆机构中的两连架杆均不能作整周转动的机构。,8-2 平面四杆机构的类型和应用,一、四杆机构的基本型式,2. 铰链四杆机构的分类,如左图所示鹤式起重机的双摇杆机构ABCD，它可使悬挂重物作近似水平直线移动，避免不必要的升降而消耗能量。 在双摇杆机构中，若两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如右图中的汽车前轮转向机构。,(3)双摇杆机构,1、改变构件的形状

6、和运动尺寸 2、改变运动副尺寸 3、选用不同构件为机架 4、运动副元素的逆换,8-2 平面四杆机构的类型和应用,二、平面四杆机构的演化型式,1、改变构件的形状和运动尺寸,曲柄摇杆机构到曲柄滑块机构的演化,2、改变运动副的尺寸,曲柄滑块机构中，设想将转动副B的半径加大。当其半径大于曲柄长时，曲柄变成偏心轮 演化方法是将转动副半径（也即转动副中轴销半径）加大，故也称为轴销扩大法 当曲柄的实际尺寸很短并传递较大的动力时，可将曲柄做成几何中心与回转中心距离等于曲柄长度的圆盘，常称此机构为偏心轮机构。,偏心轮机构,3、选用不同的构件为机架,曲柄滑块机构,转动导杆机构,摇块机构,定块机构 （移动导杆机构）

7、,转动导杆机构,曲柄滑块机构,转动导杆机构,取曲柄构件1为机架，虽然各构件的形状和相对运动关系都未改变，但滑块3将在可转动（或摆动）的构件4（称其为导杆）上作相对移动，此时曲柄滑块机构就演化成转动（或摆动）导杆机构,小型刨床是转动导杆机构的应用实例,若构件2为机架，滑块3仅能绕机架上铰链C作摆动，此时演化成曲柄摇块机构,曲柄滑块机构,摇块机构,曲柄摇块机构,它广泛应用于机床、液压驱动及气动装置中,若选用曲柄滑块机构中滑块3作机架，即演化成移动导杆机构（或称定块机构）,曲柄滑块机构,定块机构 （移动导杆机构）,定块机构,定块机构应用于手摇卿筒和双作用式水泵等机械中,4、运动副元素的逆换,摇块机构

8、,摆动导杆机构,8-3 平面四杆机构的基本知识,1、铰链四杆机构有曲柄的条件 2、铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数 3、铰链四杆机构的传动角和死点 4、铰链四杆机构的运动连续性,1、铰链四杆机构有曲柄的条件,分析： 构件AB要为曲柄，则转动副A应为周转副； 为此AB杆应能占据整周中的任何位置； 因此AB杆应能占据与AD共线的位置AB及AB。,由DB C,结论： 转动副A成为周转副的条件： 1)最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和 杆长条件 2)组成该周转副的两杆中必有一杆是最短杆。 推论 当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均为周转副；,1、铰链四杆机构有曲柄的条件,以最短杆

9、为连杆，则得双摇杆机构,以最短杆为机架，则得双曲柄机构,以最短杆为连架杆，则得曲柄摇杆机构,在满足杆长条件的铰链四杆机构中,铰链四杆机构中有曲柄的条件：, 最短杆和最长杆之和小于等于其它两杆长度之和杆长条件, 最短杆是连架杆或机架,铰链四杆机构有曲柄的条件,1、铰链四杆机构有曲柄的条件,若铰链四杆机构不满足杆长条件，机构有曲柄吗？,此时不论以何杆为机架，机构均为双摇杆机构。,则机构为双曲柄机构；,当最短杆为连架杆时，,如果各杆长度不满足杆长条件，,则机构无周转副，,则机构为曲柄摇杆机构；,当最短杆的相对杆为机架时，,当最短杆为机架时，,机构为双摇杆机构。,结论：,如果铰链四杆机构各杆长度满足杆

10、长条件，,1、铰链四杆机构有曲柄的条件,例1：判断四杆机构的类型,以及机构中整转副和摆动副的数目,双摇杆机构， A,B,C,D均为摆转副,双曲柄机构，A,B,C,D均为周转副,例2：若以图示铰链四杆机构的1、2、3、4依次作为机架时，可分别得到什么机构?,1作机架：双曲柄机构 2作机架：曲柄摇杆机构 3作机架：双摇杆机构 4作机架：曲柄摇杆机构, AD杆为最短杆(0AD 20),已知铰链四杆机构ABCD，其中AB20mm，BC50mm，CD40mm,AD为机架。改变AD杆长，分析机构的类型变化。,机构有整转副的条件：AD50 2040,AD10mm,最长杆,整转副,整转副,最短杆,双曲柄机构,

11、 AD杆长介于最短杆与最长杆之间(20AD50),机构有整转副的条件：2050 AD40,AD30mm,最短杆,最长杆,整转副,整转副,曲柄摇杆机构, AD杆为最长杆(50 AD110),机构有整转副的条件：AD204050,最长杆,最短杆,AD70mm,整转副,整转副,曲柄摇杆机构,当10AD30和70AD110时，由于不满足杆长条件，机构无整转副，为双摇杆机构。,2、铰链四杆机构的急回运动和行程速比系数,（1） 机构极位：曲柄回转一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别处于两极限位置，称为机构极位。 （2） 极位夹角：机构在两个极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角称为极位夹角。 （3） 急回

12、运动：,动画演示,曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为急回运动。,摇杆C点平均速度,（4） 行程速比系数K 为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量：,q角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著。,2、铰链四杆机构的急回运动和行程速比系数,对心曲柄滑块机构=0，没有急回运动,偏置曲柄滑块机构0，有急回运动,摆动导杆机构的急回运动,机构急回的作用： 节省空回时间，提高工作效率。 注意：急回具有方向性,2、铰链四杆机构的急回运动和行程速比系数,有效分力 F Fcos Fsin 径向压力 F Fsin=Fcos 角越大， F 越大， F 越小，对机构的传动越有

13、利。 连杆机构中，常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能的优劣。,F ,F ,压力角作用在输出从动件上的力的方向与着力点速度方向所夹锐角。 传动角 压力角的余角。,3、铰链四杆机构的传动角和死点,V,（1）压力角和传动角,当连杆BC和摇杆CD的夹角BCD为锐角时， BCD ； 若BCD为钝角时，1800 BCD ,传动角 出现极值的位置及计算,min为1和2中的较小值者。 为了保证机构具有良好的传力性能，设计时通常要求min 40；对于高速和大功率传动机械，min 50。,传动角总取锐角,所示为两个尺寸相同的曲柄滑块机构。标有箭头的构件为原动件。试分别标出机构在图示位置的压力角和传动角。

14、,连杆与曲柄在两个共线位置时，主动件摇杆通过连杆作用于从动件曲柄上的力F通过其回转中心， 0，曲柄不能转动。,例2 曲柄滑块机构,例3 摆动导杆机构,例1 曲柄摇杆机构,3、铰链四杆机构的传动角和死点,（2） 死点, = 0, = 0,不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在输出从动件上产生有效分力(有效分力为零)的机构位置，称为机构的死点位置。,死点位置在机构中的作用,对于传动机构在死点位置时，驱动从动件的有效回转力矩为零，可见机构出现死点对于传动是很不利的。 在实际设计中，应该采取措施使其能顺利地通过死点位置。,对于连续运转的机器，可采用惯性大的飞轮，缝纫机借助于带轮的惯性通过死点。,采用

15、机构死点位置错位排列的办法蒸汽机车车轮联动机构 以滑块为原动件的曲柄滑块机构。若停车时机构处于死点位置（如图），则车是无法再启动的。 使左右车轮两组曲柄滑块机构中，曲柄AB与AB位置错开900 ，使各个机构的死点位置不在同一个位置出现,机构中死点位置并非总是起消极作用。在工程实际中，也常利用死点位置来实现一定工作要求。 例如飞机的起落架机构，飞机着陆时机构处于死点位置，从而便于承受着陆冲击。, 0,又如钻床夹具就是利用死点位置夹紧工件的，此时无论工件反力多大，都能保证钻削时工件不松脱。,4、铰链四杆机构的运动连续性,设计曲柄摇杆机构时，不能要求从动摇杆在两个不连通的可行域内运动。 摇杆在哪个可

16、行域内运动，取决于机构的初始位置。,摇杆运动 可行域,摇杆运动 可行域,摇杆运动 非可行域,摇杆运动 非可行域,铰链四杆机构的几何性质,8-4 平面四杆机构的设计,基本设计问题 一、实现连杆给定位置（刚体导引机构的设计） 1.已知活动铰链中心的位置设计四杆机构 2.已知固定铰链中心的位置设计四杆机构 二、实现预定运动规律（函数生成机构的设计） 例如：连架杆的对应位置 从动件的急回运动特性 三、实现预定运动轨迹（轨迹生成机构的设计） 方法：解析法、作图法、实验法, D,1.设计一四杆机构,实现连杆给定位置,已知连杆活动铰点B、C中心位置，求固定铰链A、D中心位置。,B1,C1,B2,C2,四杆机

17、构 AB1C1D 为所求.,A ,实现连杆活动铰链给定的三个位置,B1,C1,B2,C2,B3,C3,A,D,四杆机构 AB1C1D 为所求.,D,A, D,A ,四边形 AB2C2D 四边形 AB1C1D,已知连杆标线及固定铰链A、D中心位置，求活动铰点B、C中心位置。,1.设计一四杆机构,实现连杆给定位置,E1,F1,E2,F2,E3,F3, C,B ,A,D,A,D,2.设计一四杆机构,实现连架杆预定对应位置,1） 用反转法求相对位置、相对运动轨迹 。,试设计铰链四杆机构, 实现连架杆两对对应位置.,C1,例. 已知: LAB、LAD、f10、f12、y10、y12 .,铰链四杆机构 AB1C1D 为所求.,已知点(B)绕未知点(C)的转动中心(D)反转.,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.,3.按给定的 K 值,综合曲柄摇杆机构,给定 K、y、LCD,q,2q, 分析.,900 - q,900 - q,2q,A,E,