机械设计基础课件 第3章平面连杆机构及其设计

1、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 平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化 24 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 第第2 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 飞剪 二、应用实例：二、应用实例： 平面连杆机构 一、连杆机构一、连杆机构 由若干构件用低副（转动副、移动副）联接而成的机构， 也称为低副机构。 契贝谢夫四足步行机 利用连杆曲线特性，当一对 角足处在曲线的直线段时则着地 并静止不动，而另一对角足则处 在曲线段作迈足运动。 平面连杆机构 三、平面连杆机构的特点：三、平面连杆机构的特点： 运动副为

2、面接触、承载大、不易磨损，寿命长； 接触面为圆柱面或平面，易加工，容易获得较高的制造 精 度，加工成本低； 能实现较复杂的运动及较大的行程； 构件间的接触靠几何封闭，不需弹簧等附件。 较难准确实现预定的连续的运动规律，设计方法复杂； 惯性力难以平衡； 运动副有间隙，磨损后间隙难以补偿。 平面连杆机构 机架-作为参考坐标系的构件； 机架 连架杆-与机架相连的杆； 连架杆 曲柄：能作360转动 摇杆：在 360范围内摆动。 21铰链四杆机构的基本型式和特性 一、铰链四杆机构的基本型式一、铰链四杆机构的基本型式 机架-作为参考坐标系的构件； 机架 连架杆-与机架相连的杆； 连架杆 连杆 曲柄：能作3

3、60转动 摇杆：在 360范围内摆动。 连杆-作平面运动的构件。 （连接两个连架杆） 铰链四杆机构的三种型式： 曲柄摇杆机构 曲柄 摇杆 一、铰链四杆机构的基本型式一、铰链四杆机构的基本型式 21铰链四杆机构的基本型式和特性 机架-作为参考坐标系的构件； 机架 连架杆-与机架相连的杆； 连架杆 连杆 曲柄：能作360转动 摇杆：在 360范围内摆动。 连杆-作平面运动的构件。 （连接两个连架杆） 双曲柄机构 双摇杆机构 曲柄 摇杆 一、铰链四杆机构的基本型式一、铰链四杆机构的基本型式 铰链四杆机构的三种型式： 曲柄摇杆机构 21铰链四杆机构的基本型式和特性 A B C 1 2 4 3 D 曲柄

4、摇杆机构的应用 雷达天线俯仰机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 二、铰链四杆机构的应用二、铰链四杆机构的应用 缝纫机踏板机构 2 1 4 3 摇杆主动 3 1 2 4 曲柄摇杆机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 2 1 4 3 摇杆主动 缝纫机踏板机构 3 1 2 4 曲柄摇杆机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 抓片机构曲柄摇杆机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 旋转式叶片泵双曲柄机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 A B D C 1 2 3 4 E 6 惯性筛机构 3 1 惯性筛 双曲柄机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 A BC D 火

5、车轮 双曲柄机构特例1：平行四边形机构 AB = CD 特征：两曲柄同向同速转动 BC = AD A B D C 升降平台 A D B C BC 天平 两连架杆等长且平行， 连杆作平动 21铰链四杆机构的基本型式和演化 耕地 料斗 D C A B 耕地 料斗 D C A B 播种机料斗机构 双曲柄机构特例1：平行四边形机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 绘图仪 双曲柄机构特例1：平行四边形机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 F AE D G B C 平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。 A B E F D C G 动画演示 21铰链四杆机构的基本型式和演化 双曲柄机构特例2：反向平

6、行四边形机构 车门开闭机构 反向反向 21铰链四杆机构的基本型式和演化 鹤式起重机 Q A B C D E 21铰链四杆机构的基本型式和演化 双摇杆机构的应用 B C A D 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 电机电机 B C A D 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 B C A D 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电扇摇头机构 双摇杆机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 A B D C E 汽车转向机构 A B D C E A B D C E 双摇杆机构特例：等腰梯形机构-两摇杆长度相等。 21铰链四杆机构的基本型式和演化 1、改变构件的形状和相对尺寸-转动副变为移动副 偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机

7、构 曲柄摇杆机构曲柄弧形滑块机构 双滑块机构 s =l sin l 三、平面四杆机构的演化型式三、平面四杆机构的演化型式 A B A B C A B C A B C C A B C DA B C D D 动画演示 21铰链四杆机构的基本型式和演化 2、机架置换（选取不同的构件为机架） A B C D AB为曲柄，CD为摇杆 1 2 3 4 曲柄摇杆机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 2、机架置换（选取不同的构件为机架） A B C D AB为曲柄，CD为摇杆 A、B-周转副（整转副） C、D-摆转副 1 2 3 4 曲柄摇杆机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 2、机架置换（选取不同的构

8、件为机架） A B C D AB为曲柄，CD为摇杆 A、B-周转副（整转副） C、D-摆转副 1 2 3 4 双曲柄机构 曲柄摇杆机构 双摇杆机构 曲柄摇杆机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 导杆机构 转动导杆机构 摆动导杆机构 定块机构 3 1 4 A 2 B C 摇块机构 3 1 4 A 2 B C 21铰链四杆机构的基本型式和演化 摆动导杆机构 转动导杆机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 牛头刨床 A B D C 1 2 4 3 C2 C1 A B D C E 1 2 3 4 5 6 小型刨床 导

9、杆机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 B 2 3 4 C 1 A 自卸卡车举升机构 A C B 1 2 3 4 3 1 4 A 2 B C 摇块机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 3 1 4 A 2 B C 定块机构手摇唧筒 B C 3 2 1 4 A A B C 3 2 1 4 定块机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 双移动副四杆机构 1 2 3 4 双转块机构 1 2 3 4 1 2 3 4 双滑块机构 1 2 3 4 正弦机构 21铰链四杆机构的基本型式和演化 1 2 3 4 双转块机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 1 2 3 4 双转块机构的应

10、用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 1 2 3 4 双滑块机构的应用 21铰链四杆机构的基本型式和演化 偏心轮机构 三、三、转动副扩大转动副扩大 21铰链四杆机构的基本型式和演化 偏心轮机构 三、三、转动副扩大转动副扩大 21铰链四杆机构的基本型式和演化 22 铰链四杆机构有整转副的条件 运动副A成为周转副的条件： A B C D A B D C 若若A为周转副，则为周转副，则B绕绕A可到达任意位置，不应出现可到达任意位置，不应出现B、C、D三三 点共线的情况，此时，机构不能转动。点共线的情况，此时，机构不能转动。 一、铰链四杆机构 由B C D可得： 3241 llll 由B C D可得：

11、 3142 )(llll 2143 )(llll 2431 llll + 3241 llll 3421 llll 31 ll 同理，可得： 21 ll 41 ll C l1 l2 l4 l3 A B D C l1 l2 l4 l3 B DAA B C D l1 l2 l4 l3 3421 llll 运动副A成为周转副的条件： 22 铰链四杆机构有整转副的条件 一、铰链四杆机构 运动副A A成为周转副的条件为： 3241 llll 3421 llll 2431 llll 31 ll 21 ll 41 ll u最短杆与最长杆的长度和小于等于其余两杆长度和杆长条件； u组成该周转副的两杆中必有一杆为

12、最短杆。 同理，运动副B所铰接的两个构件有一个为最短构件，且满 足杆长条件，B也为周转副。 推论：四杆机构满足杆长条件时，其最短杆两端均为周转副。 C l1 l2 l4 l3 A B D 22 铰链四杆机构有整转副的条件 链铰四杆机构曲柄存在条件为： lmin+lmax l余1+l余2； 最短杆为机架或连架杆。 C l1 l2 l4 l3 A B D 若lmin+lmax其余两杆长度和 最短杆为机架 双曲柄机构 最短杆的邻 杆为机架 曲柄摇杆机构 最短杆的对 边为机架 双摇杆机构 N，无整转副 Y，存在整转副 22 铰链四杆机构有整转副的条件 若为平行四边形机构，则不论取哪个构件为机架， 均为

13、双曲柄机构。 22 铰链四杆机构有整转副的条件 14 lel 二、导杆机构 若A、 D整周转动，应满足： BClDCl 14 为最短杆 4 l 14 lBCDCl 22 铰链四杆机构有整转副的条件 C B A 4 l D e 1 l 一、急回特性和行程速比系数一、急回特性和行程速比系数 当主动曲柄等速转动时，作往复运动的从动件，在工作 行程有较慢的平均速度，而在回程有较快的平均速度。 23 平面四杆机构的特性 C1且 21 tt 21 12 vv A B C D A 2 B 2 C D 1 2 3 4 2 1 B 1 C 1 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 1=C，当曲柄转动一周，曲柄与连杆共线两

14、次，摇杆处于两极限位置。 曲柄摇杆 工作行程 回程 1 B 1 2 B 2 B 1 B 2 1 t 2 t 21C C 21C C 1 1 一、急回特性和行程速比系数一、急回特性和行程速比系数 23 平面四杆机构的特性 1 21 1 t CC v 2 21 2 t CC v 摇杆处于极限位置时曲柄之间所夹锐角。 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 1=C，当曲柄转动一周，曲柄与连杆共 线两次，摇杆处于两极限位置。 C1且 21 tt A B C D A 2 B 2 C D 2 1 B 1 C 1 定义： （角）速度输出构件工作行程平均 ）速度输出构件回程平均（角 K 1 2 v v 2 1 t t 2

15、1 180 180 K 行程速比系数行程速比系数 K 1 1 180 K K 180 180 1 1 1 2 3 4 23 平面四杆机构的特性 21 12 vv 121 221 / / tCC tCC 极位夹角极位夹角 31K一般为锐角， 原动件等速整周转动； 输出构件往复运动； 0。 K 2 v 100K，10K， 急回 =0 180 180 K A 2 B 2 C D 1 2 3 4 2 1 B 1 C 1 1 1 机构输出构件具有急回特性的条件： A 2 B 2 C D 1 2 3 4 1 1 B 1 C 2 1 1 23 平面四杆机构的特性 e 1 l 2 l A B C 1 l 2

16、l A B C 偏置曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 10K， a b A B C 1 l 2 l A 1 B 1 C 2 B 2 C e a b A B C e A 1 B 1 C 1 l 2 l 2 B 2 C H 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 1 1 工作行程 23 平面四杆机构的特性 摆动导杆机构摆动导杆机构 A B 1 l 4 l D 0 K1 0 K1 23 平面四杆机构的特性 F n F t F 1)压力角压力角：不计摩擦时，从动件受力方向与受力点绝对速度方向之 间所夹锐角。 F sinFFn cosFFt -径向分力，Fn，运动副摩擦 -切向分力，有效分力，推动CD杆转动。 t F

17、在机构运动过程中是变化的。 2)传动角传动角：受力与受力点绝对 速度垂直之间所夹锐角。 90 设计时应满足： min 5040 在什么位置？ min A B C D v 三、四杆机构的压力角和传动角三、四杆机构的压力角和传动角 23 平面四杆机构的特性 A B C D F v F v min 的位置的位置： 令连杆与摇杆的夹角为，如图： 时， 90 时， 90 180 ) 2 )( (cos 32 2 14 2 3 2 2 1 min ll llll ) 2 )( (cos 32 2 14 2 3 2 2 1 max ll llll 若 90 max minmin 若 90 max )180m

18、in( maxminmin ， a b c d a bc d A B C D A B C D min A B C D max 共线位置之一。出现在曲柄与机架两次结论： min 1 l 2 l 3 l 4 l 1 l 2 l 3 l 4 l 23 平面四杆机构的特性 摇杆为主动件，且连杆与曲 柄两次共线时，有： 此时机构不能运动，称此位置为： 定义： 090， 0 t F F F “死 点” 克服的方法： 安装飞轮，利用惯性克服死点 （例如：内燃机、缝纫机） 多个机构错位排列（例如：火车 车轮） 12 四、死点位置四、死点位置 23 平面四杆机构的特性 F AE D G B C A B E F

19、D C G 动画演示火车 23 平面四杆机构的特性 A B D C 飞机起落架 A B C D =0 F (3)死点的利用：例如：飞机起落架、夹具等。 23 平面四杆机构的特性 工工件 A B C D 1 2 3 4 P 夹具 A B C D 1 2 3 4 工件 P Q =0=0 23 平面四杆机构的特性 一、连杆机构设计的基本问题一、连杆机构设计的基本问题 机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型； 尺度综合确定各构件的尺度参数(长度尺寸)。 同时要满足其他辅助条件： a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）; b)动力条件（如min）; c)运动连续性条件等。 24 平

20、面四杆机构的设计 1 1、设计的设计的内容：内容： 24 平面四杆机构的设计 2 2、设计问题的类型：、设计问题的类型： 实现预定的运动规律 要求两连架杆的转角满足 函数 y=logx A B C D x y=logx 24 平面四杆机构的设计 要求满足连杆的预定位置 如：造型机翻转机构 24 平面四杆机构的设计 搅拌机 C BA D E 要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线 实现预定的运动轨迹 24 平面四杆机构的设计 钢材输送机 A B C D E 1 4 3 2 5 6 E 二、按给定的行程速比系数二、按给定的行程速比系数K设计设计 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 计算 已知：摇杆CD长，

21、摆角 及K 任取一点D，作摇杆CD的两极 限位置，夹角为 ； 作C2PC1C2， 作P C1C2的外接圆， A C1C2 D 步骤： 1 1 180 K K 90 P 24 平面四杆机构的设计 C2 C1 D A 分析：K ， 关键是求满足 角的A点 90 21 PCC作C1P使 则A点必在此圆上。 13 有无穷多解 FG 注意注意: : A点不能选在FG劣弧段上,否则机 构将不满足运动连续性条件。 E 选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则: 或作图： 以A为圆心，AC2为半径作弧交AC1于E，得： C1C2 D 90 P 122 llAC 121 llAC 2 21 1 ACAC l 24

22、平面四杆机构的设计 B1 C2 C1 D A B2 2l1 13 l1=EC1/ 2 l2 = AC1EC1/ 2 2 21 2 ACAC l A 一、按给定的行程速比系数一、按给定的行程速比系数K设计设计 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 已知：摇杆CD长，摆角 及K 步骤： 分析：K ， 关键是求满足 角的A点 C1C2 D 90 P 24 平面四杆机构的设计 13 作求A的辅助圆，有无穷多解。 B1 B2 A 已知机架的长度l4 要求 min min min A点选在C1G、 C2F两弧段上，则当A向G(F)靠近时，机构的最 小传动角将随之减小而趋向零，故A应适当远离G(F)点较为有利。

23、利用其他辅助条件确定A， 得到其中一解，例： 2l1 FG 检验条件（校核条件） 分隔17 一、按给定的行程速比系数一、按给定的行程速比系数K设计设计 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 已知：摇杆CD长，摆角 及K 步骤： 分析：K ， 关键是求满足 角的A点 2、曲柄滑块机构、曲柄滑块机构 已知：K，滑块行程H，偏距e。 计算: 作C2 C1 H 作 射 线 C 2 O 使 C1C2O=90 , 以O为圆心，C1O为半径作圆。 以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得： 作射线C1O使C2C1 O=90。 作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。 1 1 180 K K 步骤： 24 平面四杆机构的设

24、计 H 90 o 90 2 e A E 2 1 1 EC l 2 1 12 EC ACl 1 B 2 B 分析：K，关键是求满足 角的A点 C2 C1 H 2 C 1 C A mn = = D 3、导杆机构、导杆机构 分析：由于 与导杆摆角 相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄a。 计算 任选D作mDn ， 取A点，使得AD=l4，则 : l1=l4sin( /2)。 A l4 作角平分线； 已知：机架长度d，K，设计此机构。 步骤： 1 1 180 K K 24 平面四杆机构的设计 D A 若已知曲柄l1，则作mD的垂线AB=l1 ， 则 : l4= l1/sin( /2)。 B l1 B3 C3 24 平面四杆机构的设计 二二、按给定连杆位置设计按给定连杆位置设计四杆机构四杆机构 已知活动铰链中心的位置 (由B、C（动点）求A、D（定点） B1 C1 B2 C2 分析：A点是Bi点的轨迹中心 D点是Ci点的轨迹中心 步骤：连接B1B2，作中垂线 连接B2B3，作中垂线 相交得A A点 A D 同理作Ci点的中垂线求得D点。 方法：作垂直平分线（中垂线） ？ ？ A C B D 24 平面四杆机构的设计 C2 A D 若给定连杆三个位置，有唯一解； 若C1、C2、C3位