第7章 平面连杆机构课件

1、第七章第七章 平面连杆机构平面连杆机构7-1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 7-3 平面连杆机构的基本特性平面连杆机构的基本特性 7-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 7-2 平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化CopyRight ZDJ教学目标 掌握平面四杆机构的基本掌握平面四杆机构的基本类型、应用及演化类型、应用及演化 熟练掌握铰链四杆的类型及熟练掌握铰链四杆的类型及判断判断 熟练掌握平面四杆的工作特熟练掌握平面四杆的工作特性性 ，平面四杆机构的设计，平面四杆机构的设计CopyRight ZDJ教学重点和难点教学重点和难点 铰链四杆机构类型的判断铰链四杆机构类型的判断 平面

2、四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计CopyRight ZDJ7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型基本概念：基本概念： 连杆机构连杆机构：机构中各构件只采用低副连接的构件称为：机构中各构件只采用低副连接的构件称为连杆机构。连杆机构。 平面连杆机构平面连杆机构：所有构件均在同一平面或相互平行的平所有构件均在同一平面或相互平行的平面内运动的连杆机构称为平面连杆机构。面内运动的连杆机构称为平面连杆机构。 CopyRight ZDJ7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型四杆机构四杆机构由四个构件组成的平面连杆机构称为四杆机构，四杆

3、机构中由四个构件组成的平面连杆机构称为四杆机构，四杆机构中三个杆是活动杆，平面四杆机构的基本形式是铰链四杆机构。三个杆是活动杆，平面四杆机构的基本形式是铰链四杆机构。 连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，便于润连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，便于润滑，磨损较小，寿命长，适用于传递较大动力；滑，磨损较小，寿命长，适用于传递较大动力； 运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造造: 构件多呈现杆的形状一扩大行程和实现远距离传构件多呈现杆的形状一扩大行程和实现远距离传 动。动。 平面连杆机构优点：平面连杆机构优点：7.1 7

4、.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 7.1.1 7.1.1 铰链四杆机构类型铰链四杆机构类型 基本概念：基本概念： （1 1）铰链四杆机构：四个构件全部用转动副相连的四杆）铰链四杆机构：四个构件全部用转动副相连的四杆机构，称为机构，称为铰链四杆机构。铰链四杆机构。 （2 2）机架：机架：机构中固定不动的构件。机构中固定不动的构件。 （3 3）连架杆连架杆：与机架连接的构架。：与机架连接的构架。 曲柄：曲柄：若能绕机架作整周转动的连架杆则称为曲柄。若能绕机架作整周转动的连架杆则称为曲柄。 摇杆摇杆：只能绕着机架在一定范围内摆动的连架杆只能绕着机架在一定范围内摆动的连架杆。（4 4）连杆连

5、杆：不直接与机架相连的构件。：不直接与机架相连的构件。 铰链四杆机构按是否存在曲柄可分为三类：铰链四杆机构按是否存在曲柄可分为三类： 1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 （1 1）概念概念：铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个是：铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构。 7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 （2 2）应用案例应用案例：雷达天线、：雷达天线、脚踏式脱粒机脚踏式脱粒机、搅拌机、搅拌机、水水稻插秧机的秧爪运动机构。稻插秧机的秧爪运动机构。 雷达

6、天线雷达天线缝纫机脚踏机构缝纫机脚踏机构7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 搅拌机机构搅拌机机构 （3 3）功能功能：将连续转动转换为摆动，或者将摆动转换为：将连续转动转换为摆动，或者将摆动转换为连续转动。连续转动。7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 2 2、双曲柄机构、双曲柄机构 （1 1）概念概念：具有两个曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄：具有两个曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。机构。 7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 （2 2）应用案例应用案例：惯性筛机构惯性筛机构 （3 3）功能功能：将等速转动转换为不等速同向转动。将等速转动转

7、换为不等速同向转动。惯性筛机构惯性筛机构CopyRight ZDJ7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 （4 4）双曲柄机构的其他类型双曲柄机构的其他类型 a a）平行四边形机构平行四边形机构：两相对构件互相平行，呈平行四边形：两相对构件互相平行，呈平行四边形的双曲柄机构。的双曲柄机构。 案例案例：火车车轮联动装置等火车车轮联动装置等 平行四边形机构平行四边形机构7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 b b）反平行四边形机构：反平行四边形机构：两相对构件长度相等，一对构件互两相对构件长度相等，一对构件互相平行的双曲柄机构。相平行的双曲柄机构。 应用案例应用案例：

8、公共汽车的车门开关机构公共汽车的车门开关机构 反平行四边形机构反平行四边形机构公共汽车的车门开关机构公共汽车的车门开关机构 7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 c）功能功能：将等速转动转换为等速同向、等速不同向、将等速转动转换为等速同向、等速不同向、等多种转动等多种转动。 ） 反平行四边形机构反平行四边形机构平行四边形机构平行四边形机构7.1 7.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 3 3、双摇杆机构双摇杆机构 （1 1）概念概念：铰链四杆机构的两个连架杆若都是摇杆，铰链四杆机构的两个连架杆若都是摇杆，则称为双摇杆机构。则称为双摇杆机构。 双摇杆机构双摇杆机构7.1 7

9、.1 平面连杆机构的类型平面连杆机构的类型 （2 2）应用案例应用案例：港口鹤式起重机：港口鹤式起重机 、汽车转向机构、电、汽车转向机构、电风扇摇头机构、飞机起落架等机构。风扇摇头机构、飞机起落架等机构。汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构鹤式起重机鹤式起重机（3 3）功能：功能：将一种摆动转换为另一种摆动将一种摆动转换为另一种摆动。7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 实际工作机械中，铰链四杆机构还远远不能满足需要，实际工作机械中，铰链四杆机构还远远不能满足需要，生产实践中，常常采用多种不同外形、结构和特性的四杆机生产实践中，常常采用多种不同外形、结构和特性的四杆机构，都可以认为

10、是铰链四杆机构的演化形式。构，都可以认为是铰链四杆机构的演化形式。 常用的的演化方法常用的的演化方法： （1 1）变转动副为移动副；）变转动副为移动副；（2 2）取不同的构件作机架；）取不同的构件作机架；（3 3）扩大转动副和移动副的尺寸。）扩大转动副和移动副的尺寸。 7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 7.2.1 7.2.1 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 （ 1 1）由曲柄摇杆机构由曲柄摇杆机构，将，将CDCD无穷大，无穷大，C C点轨迹变成直线；点轨迹变成直线； （ 2 2）演化方法演化方法：将转动副：将转动副移动副；移动副； （ 3 3）类型类型： a.a.偏心曲柄滑块机构

11、偏心曲柄滑块机构 ，e0 e0 偏距：曲柄转偏距：曲柄转动中心距导路的距离。动中心距导路的距离。 b.b.对心曲柄滑块机构，对心曲柄滑块机构，e=0e=07.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化（4 4）应用案例应用案例：内燃机、空气压缩机、冲床和送料机构等。：内燃机、空气压缩机、冲床和送料机构等。（5 5）功能功能：将转动转换为滑块的往复移动：将转动转换为滑块的往复移动7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 7.2.2 7.2.2 导杆机构导杆机构 （1 1）演化过程演化过程：改变对心曲柄滑块中的机架而演化来的；：改变对心曲柄滑块中的机架而演化来的； （2 2）演化

12、方法演化方法：改变曲柄滑块机构的机架：改变曲柄滑块机构的机架, ,以构件以构件1 1为机架为机架。导杆机构的演化导杆机构的演化7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化导杆机构类型：导杆机构类型：l1 l2转动导杆机构转动导杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化（3 3）应用案例应用案例：常用于牛头刨床、插床和回转油泵中。：常用于牛头刨床、插床和回转油泵中。7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 (4)(4)功能功能: : 将曲柄的连续转动转化为导杆的转动或摆动。将曲柄的连续转动转化为导杆的转动或摆动。 插床机构插床机构转动导

13、杆机构转动导杆机构7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 7.2.3 7.2.3 摇块机构和定块机构摇块机构和定块机构 1 1、摇块机构（摆动导杆滑块机构）、摇块机构（摆动导杆滑块机构） （1 1）演化方法：演化方法：以构件以构件2 2为机架，可得摇块机构为机架，可得摇块机构。 （2 2）应用实例：应用实例：卡车车厢自动卸料机构、玩具步行机构卡车车厢自动卸料机构、玩具步行机构 卡车车厢自动卸料机构卡车车厢自动卸料机构摇块机构的演化摇块机构的演化7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 2 2、定块机构（移动导杆机构）：、定块机构（移动导杆机构）： （1 1）演化方法：

14、演化方法：以构件以构件3 3为机架，得到定块机构。为机架，得到定块机构。 （2 2）应用实例：应用实例：手动抽水机手动抽水机 移动导杆机构的演化移动导杆机构的演化手动抽水机手动抽水机7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化7.2.4 7.2.4 偏心轮机构偏心轮机构 （1 1）在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，当）在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，当曲柄长度很短时，由于存在结构设计困难，工程中常将曲曲柄长度很短时，由于存在结构设计困难，工程中常将曲柄设计成偏心轮或偏心轴的形式。柄设计成偏心轮或偏心轴的形式。 （2 2）目的目的：不仅克服了结构设计问题，而且还提高了偏

15、：不仅克服了结构设计问题，而且还提高了偏心轴的强度和刚度。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为心轴的强度和刚度。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为偏偏心轮机构心轮机构。1-1-偏心轮偏心轮2-2-连杆连杆 3-3-滑块滑块4-4-机架机架 7.2 7.2 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化 （3 3）应用范围应用范围：偏心轮广泛应用在传力较大的剪床、冲：偏心轮广泛应用在传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。床、颚式破碎机、内燃机等机械中。剪床机构剪床机构偏心轮机构偏心轮机构7.3 7.3 平面连杆机构的基本特性平面连杆机构的基本特性1 1 铰链四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构存在曲柄的条

16、件机构中相邻构件能否相对转整周，由各构件长度间的关系机构中相邻构件能否相对转整周，由各构件长度间的关系决定。决定。（1 1）长度和条件长度和条件：机构中最短构件与最长构件长度之和小：机构中最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和，即于或等于其余两构件长度之和，即 llll minmax（2 2）最短构件条件最短构件条件：连架杆与机架中必有一杆为最短构件。：连架杆与机架中必有一杆为最短构件。7.3 7.3 平面连杆机构的的基本特性平面连杆机构的的基本特性 2 2、铰链四杆机构基本类型的判别方法、铰链四杆机构基本类型的判别方法1 1）若四杆满足长度和条件：若四杆满足长度和条件： a)

17、 ) 若以最短构件相邻边为机架时，机构为曲柄摇杆机构；若以最短构件相邻边为机架时，机构为曲柄摇杆机构； b b）若以最短构件为机架，则机构为双曲柄机构；若以最短构件为机架，则机构为双曲柄机构； c）若以最短构件对边为机架，则机构为双摇杆机构。若以最短构件对边为机架，则机构为双摇杆机构。 2 2）若四杆不满足长度和条件，若四杆不满足长度和条件，则无论取哪个构件为机架均为双则无论取哪个构件为机架均为双 摇杆机构。摇杆机构。案例分析：案例分析： 如图所示的铰链四杆机构如图所示的铰链四杆机构ABCD中，已知各杆的长度中，已知各杆的长度分别为：分别为：a=30，b=50，c=40，d=45。试确定该机构

18、分别。试确定该机构分别以以AD、AB、CD和和BC为机架时，属于何种机构？为机架时，属于何种机构？7.3 7.3 平面连杆机构的的基本特性平面连杆机构的的基本特性7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 3 3 急回特性和行程数比系数急回特性和行程数比系数 1 1）基本概念基本概念：（以曲柄摇杆机构为例，曲柄为原动件）（以曲柄摇杆机构为例，曲柄为原动件） a）四杆机构的极限位置四杆机构的极限位置：当曲柄与连杆二次共线时，当曲柄与连杆二次共线时，摇杆位于机构的最左或最右的位置。摇杆位于机构的最左或最右的位置。 b b）极位夹角（极位夹角（）：从动件处于二个极限位置时，相：从动

19、件处于二个极限位置时，相对应的原动件曲柄所夹的锐角。对应的原动件曲柄所夹的锐角。 c c）摆角（摆角（）：）：摇杆（从动件）在两个极限位置时的摇杆（从动件）在两个极限位置时的夹角称为摇杆的夹角称为摇杆的摆角摆角。 7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 2 2）急回特性急回特性：原动件曲柄作连续转动时，作往复运：原动件曲柄作连续转动时，作往复运动的摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的特性称为动的摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的特性称为急回特性。急回特性。 3 3）行程速比系数（行程速比系数（K）：）：从动

20、件空回行程与工作行程从动件空回行程与工作行程的平均速度之比。的平均速度之比。 11180180180/212111222112KKtttCCtCCvvK或7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 极位夹角极位夹角为：为： 讨论讨论：a、0K1此时机构具有急回特性，此时机构具有急回特性， K 急急 回特性越显著。回特性越显著。b、=0K=1，此时机构无急回特性，此时机构无急回特性。11180KK7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 4 4 压力角和传动角压力角和传动角 1 1）压力角（压力角（）：从动件上的作用力：从动件上的作用力F与该点速度与该点速度

21、vc所夹所夹锐角锐角称为机构的压力角。称为机构的压力角。 F的两个分力：的两个分力： Fn=Fsin引起摩擦力，有害分力引起摩擦力，有害分力 Ft=Fcos有效分力有效分力 2 2）传动角（传动角（）：）：压力角压力角 的余角即的余角即+=90称为称为传动角传动角。讨论讨论：（） Fn传力性能差。传力性能差。 （ ） Fn 传力性能好。传力性能好。7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 为保证机构的传力性能良好，必须限定机构的最小传为保证机构的传力性能良好，必须限定机构的最小传动角，通常动角，通常min 。 对于一般机械，通常对于一般机械，通常 =4050,对于传递功率大

22、的对于传递功率大的机械机械 50 ，对于一些非传力机构，也可取，对于一些非传力机构，也可取40,但不但不能过小。能过小。7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 3）min 的确定的确定 a）曲柄摇杆机构的）曲柄摇杆机构的min位置位置 摇杆摇杆CD为从动件，曲柄为从动件，曲柄AB为原动时，当原动件为原动时，当原动件AB与机架与机架AD共线时，共线时，传动角最小。比较两者两次共线的传动角最小。比较两者两次共线的min，并取小值为该机构的最小传动角，并取小值为该机构的最小传动角min 。CopyRight ZDJ 曲柄摇杆机构中，曲柄摇杆机构中，若若摇杆为主动件摇杆为主动件，

23、当从动，当从动件与连杆共线时，机构件与连杆共线时，机构的传动角的传动角为零，此时不为零，此时不论驱动力论驱动力F有多大有多大, 其有其有效分力效分力 为为0 ,7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性b）曲柄滑块机构）曲柄滑块机构min位置位置 对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。出现在曲柄与机架垂直的位置。7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 c）摆动导杆机构）摆动导杆机构 1 1）以曲柄为原动件，传动角）以曲柄为原动件，传动角恒恒等于等于9090 。 2 2）以导

24、杆为原动件，传动角）以导杆为原动件，传动角min= =0 0 ，位置出现在导，位置出现在导杆与曲柄垂直处。杆与曲柄垂直处。7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性5 5 死点位置死点位置 1 1）概念概念：平面连杆机构的传动角：平面连杆机构的传动角=0=0 ，压力角，压力角=90=90 的位置称为的位置称为死点位置死点位置。 7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性2 2）死点位置的利弊死点位置的利弊 利利：工程上利用死点位置进行工作。：工程上利用死点位置进行工作。 夹具机构夹具机构7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 弊弊：机构

25、有死点，从动件出现卡死或运动方向不确定：机构有死点，从动件出现卡死或运动方向不确定现象，对传动不利，如缝纫机的脚踏机构。现象，对传动不利，如缝纫机的脚踏机构。缝纫机的脚踏机构缝纫机的脚踏机构7.3 7.3 铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性 3 3）克服死点的方法）克服死点的方法 a a）增大从动件的质量，利用惯性度过死点位置。增大从动件的质量，利用惯性度过死点位置。 b b）在从动曲柄上施加外力或安装飞轮以增加惯性。）在从动曲柄上施加外力或安装飞轮以增加惯性。 c c）采用相同的机构错位排列。）采用相同的机构错位排列。火车车轮联动装置火车车轮联动装置缝纫机的脚踏机构缝纫机的脚踏机构

26、7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 平面四杆机构的设计，主要考虑给定的运动条件，确平面四杆机构的设计，主要考虑给定的运动条件，确定机构运动简图。有时为了使设计可靠、合理，还应考虑定机构运动简图。有时为了使设计可靠、合理，还应考虑几何条件和动力条件。几何条件和动力条件。 生产实践中的四杆机构设计问题可归纳为两类生产实践中的四杆机构设计问题可归纳为两类： （1 1）实现给定的从动件运动规律）实现给定的从动件运动规律, ,或使从动件具有急或使从动件具有急回特性。回特性。 （2 2）实现给定的运动规律。）实现给定的运动规律。 平面四杆机构运动设计的方法有图解法、实验法和解平面四杆机构

27、运动设计的方法有图解法、实验法和解析法。本节主要介绍析法。本节主要介绍图解法图解法7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计7.4.1 7.4.1 按给定的行程速比系数设计四杆机构按给定的行程速比系数设计四杆机构 已知条件：（已知条件：（1 1）行程速比系数）行程速比系数K K （2 2）机构的极限位置）机构的极限位置处的几何关系处的几何关系 （3 3）其他辅助条件）其他辅助条件1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 已知条件已知条件：摇杆的长度：摇杆的长度l lCDCD 、摆角、摆角和行程速比系数和行程速比系数K K 设计设计：1 1）确定铰链）确定铰链A A的位置；的位置；2 2）确

28、定其他三个构件的长度）确定其他三个构件的长度 曲柄摇杆机构的设计步骤：曲柄摇杆机构的设计步骤：（1 1）按给定行程速比系数）按给定行程速比系数K，求出极位夹角，求出极位夹角，11180KK7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计（2 2）任选）任选确定适当的长度比例尺确定适当的长度比例尺l l ，任选固定铰链中心，任选固定铰链中心D D的的位置，按摇杆长度位置，按摇杆长度l lCDCD和摆角和摆角，作出摇杆的两个极限位置作出摇杆的两个极限位置C C1 1D D和和C C2 2D D。7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 （3 3）连接）连接C C1 1和和C C2

29、2，并作，并作C C1 1C C2 2的垂线的垂线C C1 1M M。（4 4）作）作 C C1 1C C2 2N=90N=90- -，则，则C C1 1M M与与C C2 2N N相交于相交于P P点，由点，由图知：图知： C C1 1PCPC2 2= =。 （5 5）作）作C C1 1PCPC2 2的外接圆，在此圆周上（弧的外接圆，在此圆周上（弧C C1 1C C2 2和和弧弧EFEF除外）任意一点都可以作为曲柄的固定铰链除外）任意一点都可以作为曲柄的固定铰链中心中心A A，现任取一点。连接，现任取一点。连接ACAC1 1和和ACAC2 2，因同弧上的，因同弧上的圆周角相等，故圆周角相等，

30、故C C1 1ACAC2 2= C= C1 1PCPC2 2= =。 7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计（6 6）确定）确定ACAC1 1、ACAC2 2的长度，可得的长度，可得 AC AC1 1= BC-AB= BC-AB，ACAC2 2= =（BC + ABBC + AB） 实际构件长度实际构件长度l lAB AB = =l l ABAB， l lBC BC = =l l BCBC， l lCD CD = =l l CDCDCopyRight ZDJ7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 2、导杆机构、导杆机构 已知条件：机架长度已知条件：机架长度l4、行程速比系数、行程速比系数K，设计导杆机构设计导杆机构 解题的关键解题的关键： 分析极位夹角分析极位夹角与摆角与摆角的关系的关系 7.4 7.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 设计步骤：设计步骤： （1 1）由已知的行程速比系数）由已知的行程速比系数K，求得，求得（也即摆角（也即摆角）即）即 （2 2）任选固定铰链中心）任选固定铰链中心C，以夹角，以夹角作出导杆的作出导杆的 两个极限位置。两个极限位置。 （3 3）作