平面连杆机构的设计

1、1第五章第五章 平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计51 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点52 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用53 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54 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计内容提要内容提要21.1.应用实例应用实例 51 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 内燃机内燃机、鄂式破碎机机构鄂式破碎机机构、鹤式起重鹤式起重机机、牛头刨床牛头刨床、车门车门、机械手爪、折、机械手爪、折叠伞等。叠伞等。2. 定义（连杆机构或称低副机构）定义（连杆机构或称低副机构） 由低副（转动、移动）连接组成的平面由低副（转动、

2、移动）连接组成的平面机构。特点是：运动件的运动都要经过机构。特点是：运动件的运动都要经过一个机架直接相连的中间构件才能传动一个机架直接相连的中间构件才能传动从动件。从动件。33. 分类：分类： 分为分为空间连杆机构空间连杆机构和和平面连杆机构平面连杆机构 平面连杆机构平面连杆机构4 空间连杆机构空间连杆机构54. 连杆机构的特点（优缺点）连杆机构的特点（优缺点） 优点：优点： 1）采用低副：面接触、承载大、便于润滑、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不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度精度。 2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同

3、。）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。 3）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。缺点：缺点：1）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低低。2）产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。3）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。6本章重点内容是介绍本章重点内容是介绍平面四杆机构平面四杆机构5. 命名（常以构件数命名）命名（常以构件数命名）四杆机构、多杆机构（齿凸连组合压力四杆机构、多杆机构（齿凸连组合压力机）。机）。7 基本型式基本型式铰链四杆

4、机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是由，其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(crank)作整周定轴回转的构件；作整周定轴回转的构件；连杆连杆(coupler)作平面运动的构件；作平面运动的构件；连架杆连架杆(side link)与机架相联的构件；与机架相联的构件；摇杆摇杆(rocker)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360 360 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摇杆52 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

5、基本型式平面四杆机构的基本型式机架机架8有三种基本型式：有三种基本型式：（1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism)特征：曲柄摇杆特征：曲柄摇杆作用：将曲柄的整周连续回转转变为摇杆的往复摆动。作用：将曲柄的整周连续回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线等。如雷达天线等。9ABC1243DABDC1243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2143摇杆主动摇杆主动31241011（2 2）双曲柄机构）双曲柄机构特征：两个曲柄特征：两个曲柄作用：将等速回转转变为等速或变速回转。作用：将等速回转转变为等速或变速回转。应用

6、实例：如火车轮、应用实例：如火车轮、 惯性筛等惯性筛等。ABDC1234E6振动筛机构振动筛机构3112ABCD耕地耕地料斗料斗DCAB作者：潘存云教授耕地耕地料斗料斗DCAB实例：火车轮实例：火车轮特例：平行四边形机构特例：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， 连杆作平动且始终与机架平行，连杆作平动且始终与机架平行，两曲柄以相同速度两曲柄以相同速度 同向转动。同向转动。BC = ADABDC摄影平台摄影平台作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授BC天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构13返回返回14反平行四边形机构反平行四边形机构双曲柄机构中两相

7、对杆的长度分别相等，但不平行。-车门开闭机构车门开闭机构反向反向FAEDGBCABEFDCG注：平行四边形机构在共线位置出注：平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。现运动不确定。 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15（3 3）双摇杆机构双摇杆机构(double crock mechanism)特征：两个摇杆特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构风扇、起重机、炉门、飞机起落架风扇、起重机、炉门、飞机起落架、夹紧机构夹紧机构16ABDCE特例：等腰梯形机构特例：等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构CBABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC

8、EABDCE电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆ABDC17(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(slider-crank mechanism)双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构s=l sin l2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式 18偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构19对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构20双滑块机构双滑块机构21(2)(2)改变运动副的尺寸（改变运动副的尺寸（偏心轮

9、机构偏心轮机构）2223(3)(3)选不同的构件为机架（情况选不同的构件为机架（情况1 1）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314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC（导杆（导杆4作摆动）作摆动）（导杆（导杆4作转动）作转动）24摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构25牛头刨床牛头刨床(摆动导杆机构摆动导杆机构)应用实例应用实例:ABDC1243C2C12627应用实例应用实例B234C1A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（情况二）（情况二）应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1

10、B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B导杆机构导杆机构314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC曲柄摇块机构曲柄摇块机构314A2BC28(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架（情况三）（情况三）314A2BC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BC3214AABC321429abdcCBAD平面四杆机构具有平面四杆机构具有周转副周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

11、B”C”D可得：可得：a+d b + cc(d a)+ bAB为最短杆为最短杆 a+b c + d83 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.平面四杆机构有曲柄的条件平面四杆机构有曲柄的条件C”abdcADd- - a设设adad，同理有：，同理有： da, db, dcAD为最短杆为最短杆将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得： a b, ac, ad 30（2）连架杆或机架之一连架杆或机架之一( (组成该周转副的两杆之一）为最组成该周转副的两杆之一）为最 短杆。短杆。可知：可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转

12、动副都是周转副副都是周转副。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为周转副。为周转副。若取若取BC为机架，则结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。也是周转副。 称为杆长条件。称为杆长条件。ABCDabcd31曲柄摇杆机构运动特点的观察曲柄摇杆机构运动特点的观察特点：特点：曲柄与曲柄与连杆出连杆出现一次现一次共线、共线、一次重一次重合合(avi)32特点：特点：1. 摇杆与连杆摇杆与连杆均未出现重合均未出现重合(或共线或共线)现象；现象；2. 固定铰链均固定铰链均为整周

13、回转铰为整周回转铰链；连杆上两链；连杆上两活动铰链均为活动铰链均为非整周回转铰非整周回转铰链。链。双曲柄机构运动特点的观察双曲柄机构运动特点的观察(avi)3334（1 1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。不同的构件作为机架时，可得不同的机构。 a a：以最短杆的相邻杆为机架为曲柄摇杆机构：以最短杆的相邻杆为机架为曲柄摇杆机构 b b：以最短杆为机架为双曲柄机构：以最短杆为机架为双曲柄机构 c c：以最短杆的相对杆为机架为双摇杆机构：以最短杆的相对杆为机架为双摇杆机构分析说明分析说明（判断机构类型的步骤）（

14、判断机构类型的步骤）最短杆为连架杆最短杆为机架最短杆为连杆35机架机架1 1机架机架2 2机架机架3 3机架机架4 4ABCD1234双曲柄双曲柄ABCD1234曲柄摇杆曲柄摇杆ABCD1234双摇杆双摇杆ABCD1234曲柄摇杆曲柄摇杆ABCD1234铰链四杆运动链铰链四杆运动链3637（2 2）当不满足杆长条件时，无周转副，）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论取哪一杆件为机架，均为此时无论取哪一杆件为机架，均为双摇杆双摇杆机构。机构。38 例：判断图示两个铰链四杆机构的类型例：判断图示两个铰链四杆机构的类型解：对图解：对图(a)，有：，有： 30 + 70 40 + 55 该机构为双摇

15、杆机构。该机构为双摇杆机构。 对图对图(b)，有：，有： 20 + 80 tt2 2 V V2 2 V V1 12212tCCV)180/(21CCB243 K为行程速比系数为行程速比系数12VVK 18018021tt 2)2)且且越大，越大，K K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 说明说明:1):1)只要只要 0 ， 就有就有 KK1，存在急回运动。，存在急回运动。K的取值范围：的取值范围：1K3.11180KK 3)3)设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K K值，于是值，于是: : 121221tCCtCC44急回作用的意义：急回作用的意义：1.机构的急回作

16、用，在机械中常被用来节省空机构的急回作用，在机械中常被用来节省空回行程的时间，以提高劳动生产率。例如在牛回行程的时间，以提高劳动生产率。例如在牛头刨床中采用摆动导杆机构就有这种目的。头刨床中采用摆动导杆机构就有这种目的。急回作用有方向性，当原动件的回转方向急回作用有方向性，当原动件的回转方向改变，急回的行程也跟着改变。故在牛头刨床改变，急回的行程也跟着改变。故在牛头刨床等设备上都用明显的标志标出了原动件的正确等设备上都用明显的标志标出了原动件的正确回转方向。回转方向。 2.对某些颚式破碎机，采用快进慢退。对某些颚式破碎机，采用快进慢退。3.有些设备正反行程均在工作，故无急回要求有些设备正反行程

17、均在工作，故无急回要求如：雷达天线俯仰转动时不应有急回现象如：雷达天线俯仰转动时不应有急回现象45 对心式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构结论：对心式曲柄滑块结论：对心式曲柄滑块机构无急回特性。机构无急回特性。 偏置式曲柄滑块机构偏置式曲柄滑块机构结论：偏置式曲柄滑块结论：偏置式曲柄滑块机构有急回特性。机构有急回特性。推广到曲柄滑块机构推广到曲柄滑块机构:0B1C1BACB2C20ABCB1C1C2B246 推广到推广到导杆机构导杆机构:C1C2BAC 结论：结论：有急回特性，且极有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即位夹角等于摆杆摆角，即47FF F”3. .压力角和传动角压力角和传动角(1)

18、(1)压力角压力角(pressure angle)：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: :minmin40- 5040- 50切向分力切向分力: F= Fcos: F= Fcos法向分力法向分力: F”= Fcos: F”= Fcos FF对传动有利对传动有利。= Fsin= Fsin (+ =90(+ =90) )ABCDCDBAFF”F(2)(2)传动角传动角(transmission angle) 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。(Vc)48FF F”当当BCD90BCD

19、90时，时， BCDBCD (3) (3)minmin出现的位置：出现的位置：当当BCD90BCD90时，时， 180180- BCD- BCDABCDCDBAFF”F当当BCDBCD最小或最大时，最小或最大时，都有可能出现都有可能出现minmin(Vc)49C1B1abcdDA证明：由余弦定律有：证明：由余弦定律有： ( (第一次共线第一次共线) ) B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/(2bc) (8-7a)/(2bc) (8-7a) B B2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(

20、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 1BB1 1C C1 1D D2 2180180-B-B2 2C C2 2D (8-7b)D (8-7b)1 1minminBB1 1C C1 1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDminminC2B22 2( (第二次共线第二次共线) )50F4. .机构的死点位置机构的死点位置(1)(1)定义定义 摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线且连杆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. .称

21、此位置为：称此位置为：“死点死点”0 00 0F0 0512). 死点位置的确定死点位置的确定 在四杆机构中当在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合从动件与连杆共线或重合时，机构时，机构处于死点位置。处于死点位置。 曲柄摇杆机构中曲柄摇杆机构中曲柄曲柄为主动件时为主动件时VBFBFCVCCa aDABMC结论：无死点位置结论：无死点位置存在存在52 曲柄摇杆机构中曲柄摇杆机构中摇杆摇杆为主动件时为主动件时DABC结论：结论：当当a a= 90(=0)时，即连杆与曲时，即连杆与曲柄出现共线和重合时，机构出现死点位柄出现共线和重合时，机构出现死点位置。置。MFCVCa aVBFBB2C2B1BC15

22、3 双曲柄机构和双曲柄机构和双摇杆机构双摇杆机构结论：双曲柄机构结论：双曲柄机构无论哪个曲无论哪个曲柄做原动件，都无死点位置存柄做原动件，都无死点位置存在；在；双摇杆机构双摇杆机构无论哪个摇杆无论哪个摇杆做原动件，都有死点位置存在；做原动件，都有死点位置存在；(avi)5455机构是否出现死点的判断：机构是否出现死点的判断： 若原动件作往复运动，则一定会出现死点位若原动件作往复运动，则一定会出现死点位置；其处于连杆与从动件共线和重合之处。置；其处于连杆与从动件共线和重合之处。导杆机构（曲柄为主动件）导杆机构（曲柄为主动件）导杆机构（摇杆为主动件）导杆机构（摇杆为主动件）FB1VB3FB3A B

23、D1234VB2FB2A BD1234VB2FB2VB1563)3)避免措施：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; ;靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBCABEFDCG57工件工件ABCD1234PABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具=0=0TABDC飞机起落架飞机起落架ABCD=0=0F4)4)利用死点进行工作利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。飞机起落架、钻夹具等。58极位与死点的异同：极位与死点的异同： 相同点：相同点：都是机构中曲柄和连杆共线的都是机构中曲柄和连杆共线的位置，位置，不同之处

24、：不同之处：在于极点出现在曲柄为原动件时，而死点在于极点出现在曲柄为原动件时，而死点出现在以摇杆为原动件，曲柄为从出现在以摇杆为原动件，曲柄为从动件时动件时。59ABlBClCDlADlADCDminAB1. 在图示铰链四杆机构中，各杆长度分别为在图示铰链四杆机构中，各杆长度分别为=28mm，=52mm，=50mm，=72m (1) 若取若取为机架，求该机构的极位夹角为机架，求该机构的极位夹角，杆，杆的最大摆角的最大摆角和最小传动角和最小传动角(2) 若取若取为机架，该机构将演化成何种类型的机构为机架，该机构将演化成何种类型的机构?为什么为什么?请说请说明这时明这时 C 、D两个转动副是周转副

25、还是摆转副两个转动副是周转副还是摆转副? 606162636454 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 一、一、 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型根据给定的（运动）要求选机构选型根据给定的（运动）要求选 择机构的类型；择机构的类型；尺度综合确定各构件的尺度参数尺度综合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）;c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。1. 基本问题基本问

26、题65ADCB飞机起落架飞机起落架BC2. 三类设计要求：三类设计要求：1) 满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如满足预定的运动规律，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=logxxy=logxABCD662) 满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。即满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。即要求连杆能占据一系列的预定位置要求连杆能占据一系列的预定位置称为刚体导引称为刚体导引问题问题(body guidance)要求连杆在两个位置垂要求连杆在两个位置垂直地面且相差直地面且相差180 C

27、BABDC3) 3) 满足预定的轨迹要求，即要求连杆上某点能实现预满足预定的轨迹要求，即要求连杆上某点能实现预定的轨迹。如右图所示定的轨迹。如右图所示搅拌机搅拌机。搅拌机搅拌机673. 给定的设计条件：给定的设计条件：1) 几何条件（给定连架杆或连杆的位置）几何条件（给定连架杆或连杆的位置）2) 运动条件（给定运动条件（给定K）3) 动力条件（给定动力条件（给定minmin）4. 设计方法：图解法、解析法、设计方法：图解法、解析法、实验法实验法68(1) 已知连杆位置及活动铰链找固定铰链已知连杆位置及活动铰链找固定铰链a. 分析分析ABCDc12b12几何特点：几何特点：活动铰链轨活动铰链轨迹

28、圆上任意两点连线的迹圆上任意两点连线的垂直平分线必过回转中垂直平分线必过回转中心心(固定铰链点固定铰链点)b. 设计设计C1C2B1B2b12c12A点所在点所在线线D点所在点所在线线ADB1B2C1C269 已知连杆两位置已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置已知连杆三位置B2ADC2C3B3b23c23C1B1b12c23 唯一解唯一解 已知连杆四位置已知连杆四位置 无解无解B2C2C3B3C1B1C4B470E 2 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

29、+1);已知：已知：CD杆长为杆长为c，摆角，摆角及及K，设，设计此机构。步骤如下：计此机构。步骤如下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形腰长，作等腰三角形腰长为为CDCD，夹角为，夹角为;取取l=c/CD作作C2PC1C2，作，作C1P使使作作P PC1C2的外接圆，则的外接圆，则A点必在此圆上。点必在此圆上。(C2AC1=) ) C2C1P=90,交于交于P;P; 90-PDAC1C2选定选定A，设曲柄为，设曲柄为a ，连杆为，连杆为b ，则，则: :（为方便取（为方便取l=1）以以A为圆心，为圆心，AC2为半径作弧交为半径作弧交AC1于于E,E,得：得： a =EC1/ 2 b = =

30、AC1EC1/ 2, ,AC2= =b- -a= = a =(AC1- -AC2)/ 2，b =(AC1+ +AC2)/ 2 AC1= =a+ +b说明：显然任取说明：显然任取A点有无穷解，可由点有无穷解，可由min等来限定；等来限定；FG为劣弧段，为劣弧段，A点应远离点应远离G（F）点。）点。GF71E222ae(2) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K，滑块行程，滑块行程H，偏，偏距距e，设计此机构，设计此机构 。即求曲柄长a、连杆长b。计算计算: 180(K-1)/(K+1);作作C1C2 H H作射线作射线C2O使使C1C2O=90, , 以以O为圆心，为圆心，C1O为半径作圆。为半

31、径作圆。以以A为圆心为圆心，AC2为半径作弧交为半径作弧交AC1于于E，得：（为方便取，得：（为方便取l=1） AC1= =a+ +b AC2= =b- -a 从而得从而得作射线作射线C1O使使C2C1 O=90。 作偏距线作偏距线e/e/C1C2 ，交圆弧于，交圆弧于A，即为所求。，即为所求。(C2AC1=) )C2C19090-o9090-Aa=EC1/ 2b= AC1EC1/ 2有唯一解。有唯一解。72ADmn=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，设计此相等，设计此 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)/(K+1);任选任选D作作mDn，取取A点，使得点，使得AD=d, 则则: : a=dsin( a=dsin(/2)/2)=Ad作角分线作角分线; ;已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。，设计此机构。73例题精选例题精选: : 74解解 由图中的几何关系可知，该机由图中的几何关系可知，该机构的极位夹角构的极位夹角 303060 4 . 1180180 K 由图中几何关系还可得到由图中几何关系还可得到