平面连杆机构学习资料

1、学习资料仅供学习与参考图2-3搅拌机柄摇杆机构，是雷达天线调整机构的原理图，机构由构件AB、BC、固连有天线的 CD及机架DA组成,第二章平面连杆机构案例导入：通过雷达天线、汽车雨刮器、搅拌机等实际应用的机构分析引入四杆机构的概念，介绍四杆机构的组成、 基本形式和工作特性。第一节铰链四杆机构一、铰链四杆机构的组成和基本形式1. 铰链四杆机构的组成如图1-14所示，铰链四杆机构是由转动副将各构件的头尾联接起的封闭四杆系统，并使其中一个构件固定而组成。被固定件 4称为机架，与机架直接铰接的两个构件1和3称为连架杆，不直接与机架铰接的构件2称为连杆。连架杆如果能作整圈运动就称为曲柄，否则就称为摇杆。

2、2. 铰链四杆机构的类型铰链四杆机构根据其两个连架杆的运动形式的不同，可以分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机 构三种基本形式。(1) 曲柄 摇杆机构。在 铰链四杆机构 中，如果有一 个连架杆做循 环的整周运动 而另一连架杆 作摇动，则该 机构称为曲柄 摇杆机构。如构件AB可作整圈的转动，成曲柄；天线3作为机构的另一连架杆可作一定范围的摆动，成摇杆；随着曲柄的缓缓转动，天线仰角得到改变。如图2-2所示汽车刮雨器，随着电动机带着曲柄AB转动，刮雨胶与摇杆CD 一起摆动，完成刮雨功能。如图2-3所示搅拌器，随电动机带曲柄AB转动，搅拌爪与连杆一起作往复的摆动，爪端点 E作轨迹为椭圆的运动，实现搅

3、拌功能。(2)双曲柄机构。在铰链四杆机构中， 能做整周的运动，则该机构称为双曲柄机 所示惯性筛的工作机构原理，是双曲柄机 例。由于从动曲柄 3与主动曲柄1的长度 动曲柄1匀速回转一周时，从动曲柄3作周，机构利用这一特点使筛子6作加速往了工作性能。当两曲柄的长度相等且平行两个连架杆均 构。如图 2-4 构的应用实 不同，故当主 变速回转一 复运动，提高 布置时，成了图2-1所示曲平行双曲柄机构，如图 2-5a)所示为正平行双曲柄机构，其特点是两曲柄转向相同和转速相等及连杆作平图2-8电风扇摇头机构动，因而应用广 泛。火车驱动轮 联动机构利用了 同向等速的特 点；路灯检修车 的载人升斗利用了平动的

4、特点，如图 2-6a、b) 所示。如图2-5b)为逆平行双曲 柄机构，具有两曲柄反向不等 速的特点，车门的启闭机构利用了两曲柄反向转动的特 点，如图2-6c)所示。(3)双摇杆机构。两根 连架杆均只能在不足一周 的范围内运动的铰链四杆 机构称为双摇杆机构。如 图2-7所示为港口用起重 机吊臂结构原理。其中， ABCD构成双摇杆机构， AD为机架，在主动摇杆 AB的驱动下，随着机构的运动连杆BC的外伸端点图2-9汽车转向机构b)图2-5平行双曲柄机构b)图2-6 平行双曲柄机构的应用M获得近似直线的水平运动,使吊重Q能作水平移动而大大节省了移动吊重所需要的功率。图2-8所示为电风扇摇头机构原理，

5、电动机外壳作为其中的一根摇杆AB，蜗轮作为连杆BC，构成双摇杆机构 ABCD。蜗杆随扇叶同轴转动，带动 绕C点摆动，使摇杆 AB带电动机及扇叶一起摆动， 同时驱动扇叶和摇头机构。图2-9所示的汽车偏转车了等腰梯形双摇杆机构。该机构的两根摇杆AB、CD选择两摇杆的长度，可以使汽车在转弯时两转向轮轴 它两轮轴线延长线某点 P,汽车整车绕瞬时中心 P点 子相对于地面作近似的纯滚动，以减少转弯时轮胎的二、铰链四杆机构中曲柄存在的条件BC作为主动件 实现一台电动机 轮转向机构采用 是等长的，适当 线近似相交于其 转动，获得各轮 磨损。1. 铰链四杆机构中曲柄存在的条件铰链四杆机构的三种基本类型的区别在于

6、机构中是否存在曲柄，存在几个曲柄。机构中是否存在曲柄 与各构件相对尺寸的大小以及哪个构件作机架有关。可以证明，铰链四杆机构中存在曲柄的条件为：条件一：最短杆与最长杆长度之和不大于其余两杆长度之和。条件二：连架杆或机架中最少有一根是最短杆。2. 铰链四杆机构基本类型的判别准则(1) 满足条件一但不满足条件二的是双摇杆机构；(2) 满足条件一而且以最短杆作机架的是双曲柄机构；(3) 满足条件一而且最短杆为连架杆的是曲柄摇杆机构；(4) 不满足条件一是双摇杆机构。【实训例2-1】铰链四杆机构 ABCD如图2-10所示。请根据基本类型判别准则， 说明机构分别以 AB、BC、CD、AD各杆为机架时属于何

7、种机构。解：经测量得各杆长度标于图 2-10，分析题目给出铰链四杆机构知，最短杆为AD = 20，最长杆为CD为曲柄摇杆机机构；机构。=55，其余两杆 AB = 30、BC = 50。因为 AD + CD = 20 + 55 = 75AB + BC = 30 + 50 = 80 > Lmin + Lmax故满足曲柄存在的第一个条件。1) 以AB或CD为机架时，即最短杆 AD成连架杆，故 构；2) 以BC为机架时，即最短杆成连杆，故机构为双摇杆3) 以AD为机架时，即以最短杆为机架，机构为双曲柄第二节 平面四杆机构的其它形式一、曲柄滑块机构在图2-11a)所示的铰链四杆机构 ABCD中，如

8、果要求 C点运动轨迹的曲率半径较大甚至是C点作直线运动，则摇杆 CD的长度就特别长，甚至是无穷大，这显然给布置和制造带来困难或不可能。为此，在 实际应用中只是根据需要制作一个导路，C点做成一个与连杆铰接的滑块并使之沿导路运动即可，不再专门做出CD杆。这种含有移动副的四杆机构称为滑块四杆机构，当滑块运动的轨迹为曲线时称为曲线滑块 机构，当滑块运动的轨迹为直线时称为直线滑块机构。直线滑块机构可分为两种情况：如图2-11b)所示为偏置曲柄滑块机构，导路与曲柄转动中心有一个偏距e;当e = 0即导路通过曲柄转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，如图 2-11c)所示。由于对心曲柄滑块机构结构简单，受力情况

9、好，故在实际生产中得到广 泛应用。因此，今后如果没有特别说明，所提的曲柄滑块机构即意指对心曲柄滑块机构。学习资料应该指出，滑块的运动轨迹不仅局限于圆弧和直线，还可以是任意曲线，甚至可以是多种曲线的组合,这就远远超出了铰链四杆机构简单演化的范畴，也使曲柄滑块机构的应用更加灵活、广泛。图2-12所示为曲柄滑块机构的应用。图2-12a）所示为应用于内燃机、空压机、蒸汽机的活塞一连杆曲柄机构，其中活塞相当于滑块。图图2-12曲柄滑块机构的应用2-12b）所示为用于自动送料装置的曲柄滑块机构，曲柄每转一圈 活塞送出一个 工件。当需要>动力，增大了转动副的尺寸, 荷的机械中。将曲柄做得较短 时结构上

10、就难以 实现，通常采用图2-12C）所示的 偏心轮机构，其 偏心圆盘的偏心 距e就是曲柄的 长度。这种结构 减少了曲柄的驱 提高了曲柄的强度和刚度，广泛应用于冲压机床、破碎机等承受较大冲击载、导杆机构在对心曲柄滑块机构中，导路是固定不动的，如果将导路做成导杆 4铰接于A点，使之能够绕A点转动，并使AB杆固定，就变成了导杆机构，如图2-13所示。当AB v BC时，导杆能够作整周的回转，称旋转导杆机构，如图2-13a =所示。当AB >BC时导杆4只能作不足一周的回转， 称摆动导杆机构，如图2-13b） 所示。导杆机构具有很好的传力性，在插床、刨床等要求传递重载的场合得到应用。如图2-14

11、a）所示为插床的工作机构，如图2-14b）所示为牛头刨床的工作机构。三、摇块机构和定块机构在对心曲柄滑块机构中，将与滑块铰接的构件固定成机架，使滑块只能摇摆不能移动，就成为摇块机构，如图2-15a）所示。摇块机构在液压与气压传动系统中得到广泛应用，如图2-15b）所示为摇块机构在自卸货车上的应用，以车架为机架 AC,液压缸筒3与车架铰接于 C点成摇块，主动件活塞及活塞杆2可沿图2-15摇块机构及其应用图2-16定块机构及其应用缸筒中心线往复移 动成导路，带动车 箱1绕A点摆动实 现卸料或复位。将 对心曲柄滑块机构 中的滑块固定为机 架，就成了定块机 构，如图2-16a）所 示。图2-16b）为

12、定 块机构在手动唧筒 上的应用，用手上 下扳动主动件 1， 使作为导路的活塞 及活塞杆4沿唧筒 中心线往复移仅供学习与参固定构件双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆曲柄摇杆机构机构表2-1铰链四杆机构及其演化主要形式对比铰链四杆机构转动导杆机构定块机构摇块机构摆动导杆机构曲柄滑块机构含一个移动副的四杆机构（e=0）n动，实现唧水 或唧油。表2-1 给出了铰链四 杆机构及其演 化的主要型式 对比。第三节平面四杆机构的工作特性图2-I7曲柄摇杆机构的运动特性柄AB为主动 叠，如图2-I7中CiD和C2D称为 称为最大摆角。为极位夹角。设 至U AB2和从AB2B）,所需的时间CiC2 弧和 C2CiVi

13、V V2。这种返一、运动特性在图2-17所示的曲柄摇杆机构中， 设曲 件。曲柄在旋转过程中每周有两次与连杆重 的BiAC 1和AB 2C2两位置。这时的摇杆位置 极限位置，简称极位。CiD与C2D的夹角 曲柄处于两极位 AB i和AB2的夹角锐角B称 曲柄以等角速度 3 i顺时针转动，从 AB i转 到AB i所经过的角度为（n+0 ）和（n 为ti和t2 ,相应的摇杆上 C点经过的路线为 弧，C点的线速度为Vi和V2，显然有ti> t2 ,回速度大于推进速度的现象称为急回特性,通常用Vi与V2的比值K来描述急回特性，K称为行程速比系数,v2K=上ViCi C2 /12C2CI / ti

14、tit2I8O0或有I80°K(2-I)(2-2)可见，B越大K值就越大，急回特性就越明显。 在机械设计时可根据需要先设定k值，然后算出e值,再由此计算得各构件的长度尺寸。急回特性在实际应用中广泛用于单向工作的场合，使空回程所花的非生产时间缩短以提高生产率。例 如牛头刨床滑枕的运动。二、传力特性i.压力角和传动角在工程应用中连杆机构除了要满 外，还应具有良好的传力性能，以减 和提高机械效率。下面在不计重力、 擦作用的前提下，分析曲柄摇杆机构 性。如图2-I8所示，主动曲柄的动力 用于摇杆上的C点，驱动力F必然沿 将F分解为切线方向和径向方向两个 Fr，切向分力 Ft与C点的运动方向

15、图知图2-I8曲柄摇杆机构的压力角和传动角足运动要求 小结构尺寸 惯性力和摩 的传力特 通过连杆作 BC方向， 分力Ft和Vc同向。由Ft = F cos 或 Ft = Fsin Fr = F sin 或 Fr = F cosa角是Ft与F的夹角，称为机构的压力角，即驱动力a随机构的不同位置有不同的值。它表明了在驱动力 F不变摆动的有效分力Ft的变化规律，a越小Ft压力角a的余角丫是连杆与摇杆所夹F与C点的运动方向的夹角。图2-19曲柄滑块机构的传动角时，推动摇杆 就越大。锐角，称为传学习资料动角。由于 丫更便于观察，所以通常用来检验机构的传力性能。传动角丫随机构的不断运动而相应变化，为保证机

16、构有较好的传力性能，应控制机构的最小传动角Yin o 般可取Y°in40 °,重载高速场合取 pin> 50°。曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两个位置之一，如图2-18所示的Bi点或B2点位置。偏置曲柄滑块机构，以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角丫为连杆与导路垂线所夹锐角，如图2-19所示。最小传动角Ymin出现在曲柄垂直于导路时的位置，并且位于与偏距方向相反一侧。对于对心曲柄滑块机构，即偏距e = 0的情况，显然其最小传动角pin出现在曲柄垂直于导路时的位置。对以曲柄为主动件的摆动导杆机构，因为滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆，其传动角丫

17、恒为90°, 即y=pax =90° ,表明导杆机构具有最好的传力性能。2. 止点从Ft= F COS a知，当压力角 a= 90 °时，对从动件的作用力或力矩为零，此时连杆不能驱动从动件工作。机构处在这种位置称为止点，又称死点。如图2-20a）所示的曲柄摇杆机构，当从动曲柄AB与连杆BC共线时，出现压力角a= 90°，传动角 y= 0。如图2-20b）所示的曲柄滑块机构，如果以滑块作主动，则当从动曲柄AB与连杆BC共线时，外力F无法推动从动曲柄转动。机构处于止点位置，一方面驱动力作用 降为零，从动件要依靠惯性越过止点；另一方面是方向不定，可能因偶然外力

18、的影响造成反转。四杆机构是否存在止点，取决于从动件是否与连杆共线。例如上述图2-20a）所示的曲柄摇杆机构，如图2-20平面四杆机构的止点位置果改摇杆主动 为曲柄主动， 则摇杆为从动 件，因连杆BC 与摇杆CD不 存在共线的位 置，故不存在 止点。又例如前述图2-20b）所示的曲柄滑 块机构，如果 改曲柄为主 动，就不存在止点。止点的存在对机构运动是不利的，应尽量避免出现止点。当无法避免出现止点时，一般可以采用加大图2-21机构止点位置的应用从动件惯性的方 法，靠惯性帮助 通过止点。例如 内燃机曲轴上的 飞轮。也可以采 用机构错位排列 的方法，靠两组图2-22按连杆的三个预定位置设计四杆机构面

19、四杆机构次占据的三个 求确定满足上 度和位置。B2、B3三点所C3三点所确 和D，也就完 AD已定，连位置。实际机 图设计，应根（1-1）。B1B2 和 B2B3学习资料机构止点位置差的作用通过各自的止点。在实际工程应用中，有许多场合是利用止点位置来实现一定工作要求的。如图2-21a）所示为一种快速夹具，要求夹紧工件后夹紧反力不能自动松开夹具，所以将夹头构件1看成主动件，当连杆 2和从动件3共线时，机构处于止点，夹紧反力N对摇杆3的作用力矩为零。这样，无论N有多大，也无法推动摇杆3而松开夹具。当我们用手搬动连杆 2的延长部分时，因主动件的转换破坏了止点位置而轻易地松开工件。 如图2-21b）所

20、示为飞机起落架处于放下机轮的位置，地面反力作用于机轮上使 AB件为主动件，从动件CD与连杆BC成一直线，机构处于止点，只要用很小的锁紧力作用于CD杆即可有效地保持着支撑状态。当飞机升空离地要收起机轮时，只要用较小力量推动CD，因主动件改为 CD破坏了止点位置而轻易地收起机轮。此外，还有汽车发动机盖、折叠椅等。第四节 平面四杆机构运动设计简介四杆机构的设计方法有图解法、试验法、解析法三种。本节仅介绍图解法。一、按给定的连杆长度和位置设计平1. 按连杆的预定位置设计四杆机构【例2-2】 已知连杆BC的长度和依 位置 BiCi、B2C2、B3C3，如图 2-22 所示。 述条件的铰链四杆机构的其它各

21、杆件的长解：显然B点的运动轨迹是由 Bi、 确定的圆弧，C点的运动轨迹是由 Ci、C2、 定的圆弧，分别找出这两段圆弧的圆心A成了本四杆机构的设计。因为此时机架 架杆CD和AB也已定。具体作法如下：（1）确定比例尺，画出给定连杆的三个 构往往要通过缩小或放大比例后才便于作据实际情况选择适当的比例尺，见式（2）连结 B1B2、B2B3，分别作直线段的垂直平分线b12和b23 （图中细实线），此两垂直平分线的交点 A即为所求B1、B2、B3三点所确定圆弧的圆心。连结C1C2、C2C3，分别作直线段 C1C2和C2C3的垂直平分线C12、C23 （图中细实线）交于点 D,即 为所求G、C2、C3三点

22、所确定圆弧的圆心。（4）以A点和D点作为连架铰链中心，分别连结AB3、B3C3、C3D （图中粗实线）即得所求四杆机构。从图中量得各杆的长度再乘以比例尺，就得到实际结构长度尺寸。在实际工程中，有时只对连杆的两个极限位置提出要求。这样一来，要设计满足条件的四杆机构就会 有很多种结果，这时应该根据实际情况提出附加条件。【实训例2-3】如图2-23所示的加热炉门启闭机构，图中I为炉门关闭位置，使用要求在完全开启后门背朝上水平放置并略低于炉口下沿，见图中n位置。图2-23加热炉门四杆机构设计B2C2 , B 和 C b12 和 C12，另 位置，根据实 即图中yy位求选定行程速 条件进行设IcD,最大

23、摆角180摇杆长度I CD 点D为圆心、解：把炉门当作连杆 BC,已知的两个位置 BiCi和 已成为两个铰点，分别作直线段B1B2、C1C2的平分线得 外两铰点A和D就在这两根平分线上。 为确定A、D的 际安装需要，希望 A、D两铰链均安装在炉的正壁面上 置，yy直线分别与bi2、ci2相交点A和D即为所求。二、按给定的行程速比系数设计四杆机构设计具有急回特性的四杆机构，一般是根据运动要 比系数，然后根据机构极位的几何特点，结合其他辅助 计。【实训例2-4】已知行程速比系数 K，摇杆长度，请用图解法设计此曲柄摇杆机构。解：设计过程如图2-24所示，具体步骤：(1)由速比系数K计算极位角B。由式(2-2 )知(2)选择合适的比例尺，作图求摇杆的极限位置。取 除以比例尺 丨得图中摇杆长 CD，以CD为半径、任定任定点C1为起点做弧C,使弧C所对应的圆心角等于或大于最大摆角，连接D点和C1点的线段C1D为摇杆的一个极限位置，过D点作与C1D夹角等于最大摆角 的射线交圆弧于C2点得摇杆的另一个极限位置 C2D。OP为半径，画圆 K ,在C1C2弧段以外在(4) 求曲柄和连杆的铰链中心。连接 线段AC 2为曲柄与连杆长度之和，以 A AC1为半径作弧交 AC2于点E,可以证 AB = C 2E/2,于是以A点为圆心、C2E/2 A