机械设计基础课件第 2章 平面连杆机构

1、机械设计基础Foundation of Machine Design 武汉理工大学物流工程学院 机械设计与制造系罗齐汉 2021年年12月月21日星期二日星期二第第2章章平面连杆机构平面连杆机构 n铰链四杆机构铰链四杆机构n铰链四杆机构的演变铰链四杆机构的演变n平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计32021年12月21日星期二平面连杆机构平面连杆机构 平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构。42021年12月21日星期二平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点 n优点优点1. 低副是面接触，因此压强小、耐磨损。适用于载荷较大的场合。2. 低副的接触面通常是容易加工的平面或圆柱面，容易获得

2、较高的制造精度。3. 低副的约束为几何约束(靠形状限制运动)，无需附加约束装置。 4. 连杆可做得很长，可较长距离传递运动。适合于操纵机构。5. 平面四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆上每一点的轨迹曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。显然，我们可以利用连杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。52021年12月21日星期二平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点n缺点缺点1. 低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。2. 连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。3. 有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。 最简单的单自由度平面连杆机构

3、是四杆机构。四杆机构工程上应用最多，它也是构成多杆机构的基础，本章着重讨论四杆机构。2-1 铰链四杆机构62021年12月21日星期二2-1 铰链四杆机构铰链四杆机构 全部运动副都是全部运动副都是回转副的平面四杆机回转副的平面四杆机构称为构称为铰链四杆机构铰链四杆机构。 机架机架 曲柄曲柄 连架杆连架杆 连杆连杆 摇杆摇杆2-1 铰链四杆机构72021年12月21日星期二铰链四杆机构基本类型铰链四杆机构基本类型1. 1. 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两个连架杆中，一个是曲两个连架杆中，一个是曲柄，一个是摇杆的四杆机柄，一个是摇杆的四杆机构称为构称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 。2. 2. 双曲柄机

4、构双曲柄机构 两连架杆都作整周转动的两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为铰链四杆机构称为双曲柄双曲柄机构机构3. 双摇杆机构双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的铰链四两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为杆机构称为双摇杆机构双摇杆机构。2-1 铰链四杆机构82021年12月21日星期二铰链四杆机构基本类型的特性铰链四杆机构基本类型的特性 n曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两个连架杆中，一个是曲柄，一个两个连架杆中，一个是曲柄，一个是摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，是摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，但也有摇杆主动的情况。应用例：牛但也有摇杆主动的情况。应用例：牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝头刨床进给机构、雷达

5、调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、钢坯输送机等。钢坯输送机等。 92021年12月21日星期二雷达调整机构和缝纫机脚踏机构雷达调整机构和缝纫机脚踏机构2-1 铰链四杆机构102021年12月21日星期二复摆式腭式破碎机复摆式腭式破碎机 返回2-1 铰链四杆机构112021年12月21日星期二钢材输送机钢材输送机四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆上每一点的轨迹都是一条封闭的曲线，运动，连杆上每一点的轨迹都是一条封闭的曲线，我们称之为连杆曲线。图示步进式传送机构就是我们称之为连杆曲线。图示步进式传送机构就是连

6、杆曲线的典型应用，当两个曲柄同步转动时，连杆曲线的典型应用，当两个曲柄同步转动时，与两个连杆相连的推杆沿着红色的卵形曲线平与两个连杆相连的推杆沿着红色的卵形曲线平动，从而实现定时间隙地传送工件。动，从而实现定时间隙地传送工件。连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。显然，我们可以利用连相对尺寸的不同而变化。显然，我们可以利用连杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。 2-1 铰链四杆机构122021年12月21日星期二曲柄摇杆机构的急回特性曲柄摇杆机构的急回特性 当曲柄匀速转动时，摇杆作当

7、曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程的行程作为工作行程(正行程正行程)，将平均速度大的行程作为非工作将平均速度大的行程作为非工作行程行程(反行程反行程)，那麽，我们把曲，那麽，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为速度不等的特性称为急回特性急回特性。急回特性很有用，牛头刨床、往急回特性很有用，牛头刨床、往复式运输机等机械就常常利用急复式运输机等机械就常常利用急回特性来缩短非生产时间，提高回特性来缩短非生产时间，提高生产率。生产率。 2-

8、1 铰链四杆机构132021年12月21日星期二行程速比系数行程速比系数n急回特性常用急回特性常用行程速比系数行程速比系数(摇杆反、正行程平均速度之摇杆反、正行程平均速度之比比)来度量。来度量。n如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动(顺时针为顺时针为正行程，逆时针为反行程正行程，逆时针为反行程)。我们把摇杆处于两极限位置时。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角极位夹角，用，用表示。根据表示。根据行程速比系数的定义有：行程速比系数的定义有： 1801802112121212tttcctccvvK11

9、180KK2-1 铰链四杆机构142021年12月21日星期二曲柄摇杆机构的传动角曲柄摇杆机构的传动角 n定义：定义： 作用力和力作用点运作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐动线速度方向之间所夹的锐角称为角称为压力角压力角，常用，常用 表示；表示；压力角的余角称为压力角的余角称为传动角传动角，常用常用表示。表示。n曲柄摇杆机构的传动角随曲曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值中一般要求传动角最小值 应应大于大于40。因此设计曲柄摇。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验杆机构时有必要检验mi

10、n 值。值。 n不难看出，不难看出，对于曲柄主动的对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小就是连杆和摇杆所夹的最小锐角锐角。 2-1 铰链四杆机构152021年12月21日星期二曲柄摇杆机构的死点曲柄摇杆机构的死点 n摇杆为主动件摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，的曲柄摇杆机构，当曲柄当曲柄与连杆两次共线时与连杆两次共线时，忽略连杆质量的情，忽略连杆质量的情况下，连杆是二力杆，因此连杆对曲柄况下，连杆是二力杆，因此连杆对曲柄的作用力通过曲柄铰链中心，给曲柄的作用力通过曲柄铰链中心，给曲柄的驱动力矩为，机构就会出现卡死或的驱动力矩为，机构就会出现卡死或运动

11、不确定的现象。这种机构出现卡死运动不确定的现象。这种机构出现卡死或运动不确定的位置点称为或运动不确定的位置点称为死点死点。n死点通常有害，应设法消除。消除方法死点通常有害，应设法消除。消除方法有：有： 对从动曲柄施加附加力矩。对从动曲柄施加附加力矩。 利用构件自身或飞轮的惯性。利用构件自身或飞轮的惯性。 多组相同机构错开一定角度布置。多组相同机构错开一定角度布置。n缝纫机脚踏板机构就存在死点。缝纫机脚踏板机构就存在死点。2-1 铰链四杆机构162021年12月21日星期二死点也有应用价值死点也有应用价值n右图所示为利用死点夹右图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱紧工件，当卸去夹紧驱动力动力P

12、后，由于后，由于BCD三三点共线，工件对压头点共线，工件对压头(杆杆1)的反作用力不能使的反作用力不能使杆转动，因而工件不杆转动，因而工件不会松。会松。2-1 铰链四杆机构172021年12月21日星期二飞机起落架是利用死点工作的又一飞机起落架是利用死点工作的又一个典型实例个典型实例n飞机起落架机构是双摇杆机构，通过主动摇杆飞机起落架机构是双摇杆机构，通过主动摇杆3可使轮子在飞机降落时放下可使轮子在飞机降落时放下(刚好是死刚好是死点位置，巨大的着陆反力不会使主动摇杆转动点位置，巨大的着陆反力不会使主动摇杆转动)以便于飞机着陆，起飞后收起轮子以减以便于飞机着陆，起飞后收起轮子以减小空气阻力。小空

13、气阻力。 2-1 铰链四杆机构182021年12月21日星期二双曲柄机构双曲柄机构 n两连架杆都作整周转动的铰链两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构。通。通常，常，主动曲柄匀速转动，从动主动曲柄匀速转动，从动曲柄变速转动。曲柄变速转动。 无死点无死点。 n左图所示的转动翼板式水泵就左图所示的转动翼板式水泵就是典型应用。转动翼板式水泵是典型应用。转动翼板式水泵由相位依次相差由相位依次相差90的四个双的四个双曲柄机构组成，当主动曲柄曲柄机构组成，当主动曲柄AB顺时针匀速转动时，从动曲柄顺时针匀速转动时，从动曲柄CD作周期性变速转动，相邻两作周期性变速转动，相邻两个

14、机构的从动曲柄所夹的角时个机构的从动曲柄所夹的角时大时小，导致容积作周期性的大时小，导致容积作周期性的变化，从而起到吸水、泵水的变化，从而起到吸水、泵水的作用。作用。 192021年12月21日星期二双曲柄机构双曲柄机构n两曲柄等长的双曲柄机构称两曲柄等长的双曲柄机构称为为平行四边形机构平行四边形机构，它是应，它是应用最广的一种双曲柄机构。用最广的一种双曲柄机构。因平行四边形机构的两个曲因平行四边形机构的两个曲柄等速转动，连杆平动，故柄等速转动，连杆平动，故又称为等角速度机构。机车又称为等角速度机构。机车车轮连动装置和摄影平台是车轮连动装置和摄影平台是其典型应用。其典型应用。2-1 铰链四杆机

15、构202021年12月21日星期二双摇杆机构双摇杆机构 n两连架杆均为摇杆的铰链四杆机两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为构称为双摇杆机构双摇杆机构。n经合理设计，双摇杆机构还可用经合理设计，双摇杆机构还可用来实现一些特定的运动。例如右来实现一些特定的运动。例如右边的鹤式起重机可实现钓钩的近边的鹤式起重机可实现钓钩的近似直线运动，使移动重物时不做似直线运动，使移动重物时不做或少做功从而减小能耗。或少做功从而减小能耗。 n又如右边的车辆转向机构：车辆又如右边的车辆转向机构：车辆转弯时，如果任何时候都能使两转弯时，如果任何时候都能使两前轮轴线与后轮轴线相交于弯道前轮轴线与后轮轴线相交于弯道的圆心，则

16、四个轮子都相对于地的圆心，则四个轮子都相对于地面纯滚动，轮胎就不会因滑动而面纯滚动，轮胎就不会因滑动而损伤，显然这就要求两轮的转角损伤，显然这就要求两轮的转角 。两摇杆等长的双摇杆机构（称为两摇杆等长的双摇杆机构（称为梯形机构）就能近似地满足这个梯形机构）就能近似地满足这个要求。要求。 2-1 铰链四杆机构212021年12月21日星期二铰链四杆机构曲柄存在条件 图示曲柄摇杆机构来讨论存在曲柄的图示曲柄摇杆机构来讨论存在曲柄的条件。图中给出了摇杆处于两极限位置时条件。图中给出了摇杆处于两极限位置时的情况。根据三角形任意两边边长之和必的情况。根据三角形任意两边边长之和必大于等于第三边边长的定理大

17、于等于第三边边长的定理: 21234AC Dllll由有：13421AC D()llll由有：4321()llll234,ll ll ll111求解得： 123413241423llllllllllll2-1 铰链四杆机构222021年12月21日星期二铰链四杆机构曲柄存在条件铰链四杆机构曲柄存在条件 上述关系说明上述关系说明,铰链四铰链四杆机构曲柄存在条件杆机构曲柄存在条件： 最短、最长杆长度之最短、最长杆长度之和和另外两杆的长度之另外两杆的长度之和；和； 连架杆或机架是最短连架杆或机架是最短杆。杆。 其中条件其中条件又称为又称为格格拉肖夫拉肖夫(Grashof)判别判别式式2-1 铰链四杆

18、机构232021年12月21日星期二铰链四杆机构的基本类型判别铰链四杆机构的基本类型判别1、如果满足格拉肖夫判别式、如果满足格拉肖夫判别式 以最短杆相邻的杆作机架，得到以最短杆相邻的杆作机架，得到曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构； 以最短杆作机架，得到以最短杆作机架，得到双曲柄机双曲柄机构构； 以最短杆相对的杆作机架，得到以最短杆相对的杆作机架，得到双摇杆机构双摇杆机构。 2、如果不满足格拉肖夫判别式，、如果不满足格拉肖夫判别式，则无论以哪个杆作机架，都只能则无论以哪个杆作机架，都只能得到得到双摇杆机构双摇杆机构。 不满足：双摇杆不满足：双摇杆机构机构格拉肖夫判别式格拉肖夫判别式 最短杆为连架杆：曲柄

19、摇杆最短杆为连架杆：曲柄摇杆机构机构 满足：满足： 最短杆为机架：最短杆为机架： 双曲柄双曲柄机构机构 最短杆为连杆：最短杆为连杆： 双摇杆双摇杆机构机构242021年12月21日星期二课堂练习2-1 铰链四杆机构252021年12月21日星期二262021年12月21日星期二作业P382-6题中图a) (用作图法)2-2 铰链四杆机构的演变272021年12月21日星期二2-2 铰链四杆机构的演变铰链四杆机构的演变一、曲柄滑块机构一、曲柄滑块机构 图图a 所示的曲柄摇杆机构中，所示的曲柄摇杆机构中，C点的轨点的轨迹位于半径为迹位于半径为 的圆周上。显然，若将回转的圆周上。显然，若将回转副副D

20、直径增大，再将杆直径增大，再将杆3作成圆环形，作成圆环形，C点的点的运动规律不变，但机构却演化为曲柄滑块机运动规律不变，但机构却演化为曲柄滑块机构了。若进一步将导路的曲率半径增大趋于构了。若进一步将导路的曲率半径增大趋于，则得到图，则得到图c 所示的曲柄滑块机构。所示的曲柄滑块机构。滑块作往复直线运动的曲柄滑块机构分滑块作往复直线运动的曲柄滑块机构分为对心的为对心的(如内燃机中使用的如内燃机中使用的)和偏置的和偏置的(见图见图d)，偏置滑块机构也存在急回特性。，偏置滑块机构也存在急回特性。曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。空气压缩

21、机、冲床等机械中。2-2 铰链四杆机构的演变282021年12月21日星期二二、二、曲柄滑块机构曲柄滑块机构的演变的演变1. 1. 导杆机构导杆机构 对于图对于图a)所示的所示的曲柄滑块机构曲柄滑块机构，若改取杆为机架，就得到图，若改取杆为机架，就得到图b)所示的所示的导杆机构导杆机构。导杆机构中，通常曲柄整周转动，滑块在导杆。导杆机构中，通常曲柄整周转动，滑块在导杆上滑动并跟随导杆转动或摆动。由图容易知道，若上滑动并跟随导杆转动或摆动。由图容易知道，若l2 l1，则得到，则得到转转动导杆机构动导杆机构；若；若l2 l1，则得到，则得到摆动导杆机构摆动导杆机构。可以看出：可以看出：导杆机构的传

22、动角始终等于导杆机构的传动角始终等于90，具有很好的传力性能，因此，具有很好的传力性能，因此常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。 摆动导杆机构也存在急回特性摆动导杆机构也存在急回特性。2-2 铰链四杆机构的演变292021年12月21日星期二2. 摇块机构和定块机构摇块机构和定块机构图图d 所示为摇块机所示为摇块机构，这种机构广泛应用构，这种机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压于摆缸式内燃机和液压驱动装置中，自卸货车驱动装置中，自卸货车就是很典型的应用。就是很典型的应用。 图图c 所示为定块机构，这所示为定块机构，这种机构常用于抽水唧筒种机构常用于抽水唧筒和抽油

23、泵中。和抽油泵中。2-2 铰链四杆机构的演变302021年12月21日星期二3、双滑块机构、双滑块机构 将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机构构双滑块机构。按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种双滑块机构。按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：形式： (1) 两移动副不相邻两移动副不相邻。例如图。例如图a)所示的正切机构所示的正切机构(其从动件其从动件3的位移与主动件的位移与主动件1转角的正切成正比转角的正切成正比)。(2) 两移动件相邻且其中一个与机架相连两移动件相邻

24、且其中一个与机架相连。例如图。例如图b的正弦机构的正弦机构(从动件从动件3的位的位移与曲柄移与曲柄1转角的正弦成正比转角的正弦成正比)。(3) 两移动件相邻但都不与机架相连两移动件相邻但都不与机架相连。下面所示的十字滑块机构就是这种机。下面所示的十字滑块机构就是这种机构。十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而构。十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差。产生的位置误差。(4) 两移动副相邻且都与机架相连两移动副相邻且都与机架相连。下面所示的椭圆仪就是这种机构。当两。下面所示的椭圆仪就是这种机构。当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆

25、上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。2-2 铰链四杆机构的演变312021年12月21日星期二三、偏心轮机构三、偏心轮机构 下图所示为两种偏心轮机构。构件为圆盘，其几何中心。因下图所示为两种偏心轮机构。构件为圆盘，其几何中心。因运动时该圆盘绕轴转动，故称为偏心轮。、之间的距离运动时该圆盘绕轴转动，故称为偏心轮。、之间的距离e 称为称为偏心距。按照相对运动关系，可画出机构运动简图如图中红线所示。偏心距。按照相对运动关系，可画出机构运动简图如图中红线所示。由图可知，偏心轮是将回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心由图可知，偏心轮是将

26、回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心距距e 即为曲柄的长度。即为曲柄的长度。 当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。这样一方面这样一方面提高了偏心轴的强度和刚度提高了偏心轴的强度和刚度(因轴颈的直径增大了因轴颈的直径增大了)；另一；另一方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使结构简化结构简化。因此，。因此，偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。等机械中。322021年12月21日

27、星期二2-3 铰链四杆机构的设计铰链四杆机构的设计 四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动力学条件力学条件( (如最小如最小传动角传动角要求要求) )等。等。 设计问题分类设计问题分类1 1、按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为、按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计位置设计。2 2、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计轨迹设计。 设计方法设计

28、方法n图解法图解法简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其设计精度低，一般用于求解初始值。设计精度低，一般用于求解初始值。n解析法解析法精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。n实验法实验法较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。332021年12月21日星期二一、按给定连杆位置设计四杆机构一、按给定连杆位置设计四杆机构 下图为下图为铸造车铸造车间振实间振实造型机造型机的翻转的翻转机构。机构。它利用它利用一个铰一个铰链四杆链四杆机构来机构来实现翻实现翻台的两台的两个工作个工作位置。位置。342021年12月21日星期二二、按给定行程速比系数设计四杆机构二