第2章平面连杆机构

1、中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 第第2章章 平面连杆机构平面连杆机构 21 铰链四杆机构的基本型式和特性铰链四杆机构的基本型式和特性 22 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的条件 23 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 24 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 应用实例：应用实例： 内燃机内燃机、鹤式吊鹤式吊、火车轮火车轮、手动冲床手动冲床、牛头刨床牛头刨床、椭圆椭圆 仪仪、机械手爪机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、 折叠床、折叠床、 单车制动操作机构等。单车制动操作机构等。 特征：

2、特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。有一作平面运动的构件，称为连杆。 特点：特点： 采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。 改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。 连杆曲线丰富。可满足不同要求。连杆曲线丰富。可满足不同要求。 定义：定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。 21 铰链四杆机构的基本型式和特性铰链四杆机构的基本型式和特性 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 缺

3、点：缺点： 构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。 产生动载荷（惯性力），不适合高速。产生动载荷（惯性力），不适合高速。 设计复杂，难以实现精确的轨迹。设计复杂，难以实现精确的轨迹。 分类分类: 平面连杆机构平面连杆机构 空间连杆机构空间连杆机构 常以构件数命名：常以构件数命名： 四杆机构四杆机构、多杆机构多杆机构。 本章重点内容是介绍本章重点内容是介绍四杆机构。四杆机构。 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 一、一、平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式 : : 基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是由 ，其

4、它四杆机构都是由 它演变得到的。它演变得到的。 名词解释：名词解释： 曲柄曲柄整周定轴回转的构件；整周定轴回转的构件； 三种基本型式：三种基本型式： （1 1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 特征：特征：曲柄摇杆曲柄摇杆 作用：作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线。如雷达天线。 连杆连杆作平面运动的构件；作平面运动的构件； 连架杆连架杆与机架相联的构件；与机架相联的构件； 摇杆摇杆作定轴摆动的构件；作定轴摆动的构件； 周转副周转副能作能作360360相对回转的运动副；相对回转的运动副； 摆转副摆转副只能作有限角度摆动的运动副。只能作有限角度摆

5、动的运动副。 曲柄曲柄 连杆连杆 摇杆摇杆 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 A B C 1 2 4 3 D A B D C 1 2 4 3 （2 2）双曲柄机构双曲柄机构 特征特征：两个曲柄：两个曲柄 作用：作用：将等速回转转变为将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。回转。 雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构 曲柄主动曲柄主动 缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构 应用实例：应用实例：如如叶片泵、惯性筛叶片泵、惯性筛等。等。 2 1 4 3 摇杆主动摇杆主动 3 1 2 4 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 A A D D C C B

6、 B 1 1 2 2 3 3 4 4 旋转式叶片泵旋转式叶片泵 A A D D C C B B 1 1 2 2 3 3 A B D C 1 2 3 4 E 6 惯性筛机构惯性筛机构 3 1 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 A BC D 耕地耕地 料斗料斗 D C A B 耕地耕地 料斗料斗 D C A B 实例：实例：火车轮火车轮 特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构 AB = CD 特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行， 连杆作平动连杆作平动 BC = AD A B D C 摄影平台摄影平台 A D B C BC

7、 天平天平 播种机料斗机构播种机料斗机构 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 A B D C E （3 3）双摇杆机构双摇杆机构 特征：特征：两个摇杆两个摇杆 应用举例：铸造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构 特例：特例：等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构 、风扇摇头机构、风扇摇头机构 B C A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 A B D C E A B D C E 电机电机 A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 A B D C 中国地质大学专

8、用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 A B C DB1 C1 A D 1.1.急回运动急回运动 在在曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个 极限位置，简称极位。极限位置，简称极位。 当曲柄以当曲柄以逆时针转过逆时针转过180180+时，摇杆从时，摇杆从C1D位置位置 摆到摆到C2D。 所花时间为所花时间为t1 , , 平均速度为平均速度为V1, ,那么有：那么有： / )180( 1 t 1211 tCCV 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 3D 此两处曲柄之间的夹角此两处曲柄之间的夹角 称为称为极位夹角极位夹角。 180180 C2

9、 B2 )180/( 21 CC 二、平面二、平面四杆机构的基本特性四杆机构的基本特性 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 B1 C1 A D C2 当曲柄以当曲柄以继续转过继续转过180180-时，摇杆从时，摇杆从C2D,置摆到置摆到 C1D，所花时间为所花时间为t2 , ,平均速度为平均速度为V2 , ,那么有：那么有： 180180- /)180( 2 t 因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一 样，平均速度也不等。 显然：显然：t t1 1 t t2 2 V V2 2 V V1 1 摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。用以下比值表示急回程度 称称K为

10、为行程速比系数行程速比系数。 1 2 V V K 180 180 2 1 t t 且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 只要只要 0 ， 就有就有 KK1 所以可通过分析机构中是否存在 以及的大小来判断机构是否有急 回运动或运动的程度。 1 1 180 K K 设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K值，于是值，于是: 2212 tCCV )180/( 21 CC 121 221 tCC tCC 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 F F F” 当当BCD90BCD90时，时， BCDBCD 2. .压力角和传动角压力角和传动角 压力角压

11、力角 从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。 A B C D 设计时要求设计时要求: : min min40 40 min min出现的位置： 出现的位置： 当当BCD90BCD90时，时， 180180- BCD- BCD 切向分力切向分力: F= Fcos 法向分力法向分力: F”= Fcos F对传动有利对传动有利。 =Fsin=Fsin 称称为为传动角传动角。 此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。 C D B A F 可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能的好坏,

12、 , F” F 当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现min min 为了保证机构良好的传力性能 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 C1 B1 l1 l2 l3 l4 D A 由余弦定律有由余弦定律有 BB1 1C C1 1D Darccosarccosl42 2 + + l32 2-(-(l4 - - l1) )2 2/2/2l2 l3 BB2 2C C2 2D Darccosarccosl42 2 + + l32 2-(-(l4 - - l1) )2 2/2/2l2 l3 若若BB1 1C C1 1D90D90, ,则则 若若BB2 2C C

13、2 2D90D90, , 则则 1 1BB1 1C C1 1D D 2 2180180-B-B2 2C C2 2D D 机构的传动角一般在机构的传动角一般在 运动链最终一个从动运动链最终一个从动 件上度量。件上度量。 1 1 min min BB1 1C C1 1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDmin min 2 2 C2 B2 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 F 3. .机构的死点位置机构的死点位置 摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆且连杆 与曲柄两次共线与曲柄两次共线时时，有：，有： 此时此时机构不能运动机构不能运动. . 避免措施：

14、避免措施： 两组机构错开排列，如两组机构错开排列，如火车轮机构火车轮机构; ; 称此位置为：称此位置为： “死点死点” 0 0 靠靠飞轮的惯性飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。 F AE D G B C A B E F D C G 0 0 F 0 0 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 工件工件 A B C D 1 2 3 4 P A B C D 1 2 3 4 工件工件 P 钻孔夹具钻孔夹具 =0=0 T A B D C 飞机起落架飞机起落架 A B C D =0=0 F 也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具起

15、落架、钻夹具等。等。 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 l1 l2 l4 l3 C B AD 平面平面四杆机构四杆机构具有具有整转副整转副可能存在可能存在曲柄。曲柄。 杆杆1 1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线 l2(l4 l1)+ l3 则由则由BCD可得：可得：三角形任意两边之和大于第三边 则由则由B”C”D可得：可得： l1+ l4 l2 + l3 l3(l4 l1)+ l2 AB为最短杆为最短杆 最长杆与最短杆 的长度之和其 他两杆长度之和 22 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的条件 l1+ l2 l3 +

16、l4 C” l1 l2 l4 l3 AD l4- - l1 将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得： l1 l2, l1 l3, l1 l4 l1+ l3 l2 + l4 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 2.连架杆或机架之一为最短杆。连架杆或机架之一为最短杆。 可知：当满足杆长条件时，其可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动最短杆参与构成的转动 副都是整转副副都是整转副。 曲柄存在的条件：曲柄存在的条件： 1. 最长杆与最短杆的长度之和应最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和其他两杆长度之和 此时，铰链此时，铰链A为整转副。为整转副。 若取若取BC为机架，则

17、结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。也是整转副。 称为称为杆长条件杆长条件。 A B C D l1 l2 l3 l4 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同 的构件作为机架时，可得不同的机构。如的构件作为机架时，可得不同的机构。如 曲柄摇杆曲柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 (1)(1) 改变构件的

18、形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸 23 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构 双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构 s =l sin l 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 (2)(2)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸 (3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架 偏心轮机构偏心轮机构 导杆机构导杆机构 摆动导杆机构摆动导杆机构 转动导杆机构转动导杆机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 中国地质大学专

19、用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 牛头刨床牛头刨床 应用实例应用实例: A B D C 1 2 4 3 C2 C1 小型刨床小型刨床 A B D C E 1 2 3 4 5 6 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 应用实例应用实例 B 2 3 4 C 1 A 自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构 (3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架 A C B 1 2 3 4 应用实例应用实例 B 3 4 C 1 A 2 应用实例应用实例 4A 1 B 2 3 C 应用实例应用实例 1 3 C 4 A B 2 应用实例应用实例 A 1 C 2 3 4 B 导杆机构导杆

20、机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 摇块机构摇块机构 3 1 4 A 2 B C 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 (3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架 3 1 4 A 2 B C 直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒 这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的 方法称为：方法称为：机构的倒置机构的倒置 B C 3 2 1 4 A 导杆机构导杆机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 摇块机构摇块机构 3 1 4 A

21、2 B C A B C 3 2 1 4 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 例：选择双滑块机构中的不同构件例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构作为机架可得不同的机构 椭圆仪机构椭圆仪机构 1 2 3 4 正弦机构正弦机构 3 2 1 4 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 24 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型机构选型根据给定的运动要求选择根据给定的运动要求选择 机构的类型；机构的类型； 尺度综合尺度综合确定各构件的尺度参数确定各构件的尺度参数(长长 度尺寸度尺寸)。 同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条

22、件： a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）运动副结构合理等）; b)动力条件（如动力条件（如min min） ）; c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 A D C B 飞机起落架飞机起落架 B C 三类设计要求：三类设计要求： 1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。飞机起落架、函数机构。 函数机构函数机构 要求两连架杆的转角要求两连架杆的转角 满足函数满足函数 y=logx x y=logx

23、A B C D 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 三类设计要求：三类设计要求： 1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动 2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。 要求连杆在两个位置要求连杆在两个位置 垂直地面且相差垂直地面且相差180 C B A B D C 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 Q A B C D E 设计：潘存云 鹤式起重机鹤式起重机 搅拌机构搅拌机构 要求连杆上要求

24、连杆上E点的轨点的轨 迹为一条卵形曲线迹为一条卵形曲线 要求连杆上要求连杆上E点的轨点的轨 迹为一条水平直线迹为一条水平直线 Q C BA D E 三类设计要求：三类设计要求： 1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。 2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。 3)满足预定的轨迹要求，如满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。鹤式起重机、搅拌机等。 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 给定的设计条件：给定的设计条件： 1)几何条件几何条件（给定连架杆或

25、连杆的位置）（给定连架杆或连杆的位置） 2)运动条件运动条件（给定（给定K） 3)动力条件动力条件（给定（给定min min） ） 设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法图解法、解析法、实验法 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 E 一、按给定的行程速比系数一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构 1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 计算计算180(K-1)/(K+1); 已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K， 设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下： 任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为; 作作C2PC1C2，作，作C1P使使 作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此圆上。 选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: : 以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： l1 =EC1/ 2 l2 = A = A C1EC1/ 2 ,A,A C2= =l2- - l1 l1 =( A A C1A A C2)/ 2 C2C1P=90, ,交于交于P;P; 90- P A A C1= = l1+ +l2 C1C2 DA 中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 设