机械原理连杆机构设计PPT学习教案

1、会计学1 机械原理连杆机构设计机械原理连杆机构设计 缺点：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: 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。 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。 第1页/共41页 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它，其它四杆机构都是由它 演变得到

2、的。演变得到的。 名词解释：名词解释： 曲柄曲柄作整周定轴回转的构件；作整周定轴回转的构件； 共有三种基本型式： （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动的运动副 。 曲柄曲柄 连杆连杆 摇杆

3、摇杆 82 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 1.平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式 第2页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 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 第3页/共41页 作者：潘存云教授

4、A A D D C C B B 1 1 2 2 3 3 4 4 旋转式叶片泵旋转式叶片泵 作者：潘存云教授 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 第4页/共41页 作者：潘存云教授 A BC D 耕耕 地地 料料 斗斗 D C A B 作者：潘存云教授 耕耕 地地 料料 斗斗 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 作者：潘

5、存云教授 A D B C 作者：潘存云教授 B C 天平天平 播种机料斗机构播种机料斗机构 第5页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 反平行四边形机构反平行四边形机构 -车门开闭机构车门开闭机构 反向反向 F A E D G B C A B E F D C G 平行四边形机构在共线位置出现运平行四边形机构在共线位置出现运 动不确定。动不确定。采用两组机构错开排列。采用两组机构错开排列。 火车轮火车轮 第6页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 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

6、造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构 特例：特例：等腰梯形机构汽车转向机构等腰梯形机构汽车转向机构 、风扇摇头机构、风扇摇头机构 C B 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 第7页/共41页 作者：潘存云教授 (1)(1) 改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸 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

7、滑块机构 正弦机构正弦机构 s =l sin l 2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式 第8页/共41页 作者：潘存云教授 (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 第9页/共41页 牛头刨床牛头刨床 应用实例应用实例: 作者：潘存云教授 A B D C 1 2 4 3 C2 C1 小型刨床小型刨床 作者：潘存云教授 A B D C E 1 2 3 4

8、5 6 牛头刨床牛头刨床2 第10页/共41页 作者：潘存云教授 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 第11页/共41页 作者：潘存云教授 (3)(3

9、)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 2 B C A B C 3 2 1 4 第12页/共41页 椭圆仪机构椭圆仪机构 实例实例( (补充补充) )：选择双滑块机构中的不同构件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

10、可得不同的机构 作者：潘存云教授1 2 3 4 正弦机构正弦机构 3 2 1 4 (4)(4)运动副元素的逆换运动副元素的逆换 将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响 两构件之间的相对运动。两构件之间的相对运动。 导杆机构导杆机构 43 2 1 摇块机构摇块机构 3 2 1 4 第13页/共41页 作者：潘存云教授 a b d c C B AD 平面四杆机构具有平面四杆机构具有整转副整转副可能存在可能存在曲柄。曲柄。 b(d a)+ c 则由则由BCD可得：可得： 则由则由B”C”D可得：可得： a+d b + c c(d a)+ b AB为最

11、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 a+b c + d 83 有关平面四杆机构的一些基本知识有关平面四杆机构的一些基本知识 1.1.平面平面四杆机构四杆机构有曲柄的条件有曲柄的条件 C” a b d c AD d- - a 设设at 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

12、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 第19页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 曲柄滑块机构的急回特性曲柄滑块机构的急回特性 应用：应用：节省返程时间，如节省返程时间，如牛头刨牛头刨、往复式输送机等。、往复式输送机等。 180180 180180- 导杆机构导杆机构的急回特性的急回特性 180180 180180- 思考题：思考题： 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构的急回特性如何？的急回特性如何？

13、对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K, 先求出 ，然后在设计各构件的尺寸。 第20页/共41页 作者：潘存云教授 F F F” 当当BCD90BCD90时，时， BCDBCD 3. .四杆机构的传动角和死点四杆机构的传动角和死点 3.1 3.1 压力角和传动角压力角和传动角： 压力角压力角: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 设计时要求设计时要求: : min min50 50 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 F= F

14、cos= Fcos 法向分力法向分力: : F F”= Fcos= Fcos F F对传动有利对传动有利。 =Fsin=Fsin 称称为为传动角传动角( (压力角的余角压力角的余角) )。 此位置一定是：此位置一定是： 为了保证机构良好的传力性能 A B C D C D B A F F” F 可用可用的大小来表示机构传力性能的好坏的大小来表示机构传力性能的好坏, , 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 主动件与机架共线两处之一主动件与机架共线两处之一 第21页/共41页 作者：潘存云教授 C1 B1 a b c dD A 由余弦定律有：由余弦定律

15、有： B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc/2bc BB2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc 若若B B1 1C C1 1D90D90, ,则则 若若B B2 2C C2 2D90D90, , 则则 1 1B B1 1C C1 1D D 2 2180180-B-B2 2C C2 2D D 注：注：机构的传动角一般在运机构的传动角一般在运 动链最终一个从动件上度量动链最终一个从动件上度量 。 1 1 min min BB1 1C C1

16、1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDmin min C2 B2 2 2 第22页/共41页 作者：潘存云教授 F 3.2 3.2 死点死点 摇杆为主动件，且连杆摇杆为主动件，且连杆 与曲柄两次共线时，有与曲柄两次共线时，有 ： 此时机构不能运动此时机构不能运动. . 避免措施：避免措施： 1)1)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 ： “死死 点点” 0 0 2)2)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 A E D G B C A B E F D C G 0 0 F 0 0 第23

17、页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 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、钻夹具起落架、钻夹具等等 。 作业：作业：8-5, 8-6, 8-8 第24页/共41页 84 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 1. 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机根据给定的运动要求选择机 构的类型；构的类型； 尺度综合尺度综合确定各构件

18、的尺度参数确定各构件的尺度参数(长度长度 尺寸尺寸)。 同时要满足其他辅助条件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、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。 第25页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 A D C B 飞机起落架飞机起落架 B C v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

19、构 要求两连架杆的转角满足函数要求两连架杆的转角满足函数 y=logx x y=logx A B C D 第26页/共41页 作者：潘存云教授 v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 第27页/共41页 给定的设计条件给定的设计条件 ： 1)几何条件

20、几何条件（给定连架杆或连杆的位置）（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 3. 用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构 思路：思路：首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量 在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解在内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解 所需的机构尺度参数。所需的机构尺度参数。 第28页/共41页 (1)按预定连杆位置设计四杆机构按预定连杆位置设计四杆机构 a)给定连杆两组位置给定连杆两

21、组位置 有 唯 一 解有 唯 一 解 。 B2 C2 A D 将铰链将铰链A、D分别选在分别选在B1B2， C1C2连线的垂直平分线上任意连线的垂直平分线上任意 位置都能满足设计要求。位置都能满足设计要求。 b)给定连杆上铰链给定连杆上铰链BC的三组位置的三组位置 有无穷多组解有无穷多组解 。 A D B2 C2 B3 C3 D B1 C1 2. 用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构 A B1 C1 1)已知活动铰链中心位置已知活动铰链中心位置 第29页/共41页 作者：潘存云教授 AD B 1 C 1 已知已知: 固定铰链固定铰链A、D和连架杆位置，确定活动铰链和连架杆位置，确定活动铰链

22、 B、C的位置。的位置。 （2）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构 机构的转化原理机构的转化原理 第30页/共41页 作者：潘存云教授 B 2 2 B2 2 E2 1 B1 1 E1 1）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构 任意选定构件任意选定构件AB的长度的长度 连接连接B2 E2、DB2的得的得B2 E2D 绕绕D 将将B2 E2D旋转旋转1 1 -2 2得得B2点点 已知已知:机架长度机架长度d和两连架杆三组对应位置。和两连架杆三组对应位置。 AdD B3 3 3 E3 设计步骤：设计步骤： 第31页/共41页

23、作者：潘存云教授 连接连接B3 E3、DB3得得 B3 E3D 将将B3E3D绕绕D旋旋 转转1 1 - 3 3得得B3 点点 1）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构 已知已知:机架长度机架长度d和两连架杆三组对应位置。和两连架杆三组对应位置。 2 B2 2 E2 1 B1 1 E1 AdD B3 3 3 E3 B 2 B 3 任意选定构件任意选定构件AB的长度的长度 连接连接B2 E2、DB2的得的得B2 E2D 绕绕D 将将B2 E2D旋转旋转1 1 -2 2得得B2点点 设计步骤：设计步骤： 第32页/共41页 作者：潘存云教授 2 B2 2 E2 1

24、 B1 1 E1 AdD B3 3 3 E3 B 2 B 3 由由B1 B2 B3 三三点点 求圆心求圆心C3 。 1）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构 已知已知:机架长度机架长度d和两连架杆三组对应位置。和两连架杆三组对应位置。 C1 B2 C2 B 3 C3 连接连接B3 E3、DB3得得 B3 E3D 将将B3E3D绕绕D旋旋 转转1 1 - 3 3得得B3 点点 任意选定构件任意选定构件AB的长度的长度 连接连接B2 E2、DB2的得的得B2 E2D 绕绕D 将将B2 E2D旋转旋转1 1 -2 2得得B2点点 设计步骤：设计步骤： 第33页/共4

25、1页 作者：潘存云教授 E （4 ）按给定的行程速比系数）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。 C2C1P=90, ,交于交于P;P; 90- P D A C1C2 选定选定A A，设曲柄长度为，设曲柄长度为a ，连

26、杆长度为，连杆长度为b ，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： a =EC1/ 2 b = A = A C1EC1/ 2 ,A,A C2= =b- - a = = a =( A A C1A A C2)/ 2 A A C1= = a+ +b 第34页/共41页 作者：潘存云教授 E 2 2 2a e (2) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 H 已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H ，偏距，偏距e e，设计此机，设计此机 构构 。 计算计算: 180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1); 作作C1 C2 H H 作射线作射线

27、C1O O 使使C2C1O=90, , 以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。 以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： 作射线作射线C2O O使使C1C2 O=90。 作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。 C1 C2 9090- o 9090- A l1 =EC2/ 2l2 = A = A C2EC2/ 2 第35页/共41页 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 A D mn = D (3) 导杆机构导杆机构 分析：分析： 由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计相等，设计 此此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。 计算计算180180(K-1)/