第八平面连杆机构及其设计

1、第八章平面连杆机构及其设计第八章平面连杆机构及其设计8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点8-2 连杆机构的类型和应用连杆机构的类型和应用8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计8-5 多杆机构多杆机构8-1 8-1 平面连杆机构的特点及其平面连杆机构的特点及其设计的基本问题设计的基本问题 平面连杆机构平面连杆机构( (Linkages) )是由若干刚性构件用低副是由若干刚性构件用低副( (转动副、移动副、球面副、球销副或螺旋副等转动副、移动副、球面副、球销副或螺旋副等) )联接组联接组成的平面机构，也称之为成的平面机构，也称之

2、为平面低副机构平面低副机构。 平面连杆机构应用十分广泛。平面连杆机构应用十分广泛。一、平面连杆机构的定义一、平面连杆机构的定义二、平面连杆机构的特点二、平面连杆机构的特点（1 1）构件运动形式多样构件运动形式多样；（2 2）低副面接触的结构使其磨损减少，制造方便，几何低副面接触的结构使其磨损减少，制造方便，几何 封闭等优点；封闭等优点；（3 3）只能实现给定的运动规律或运动轨迹只能实现给定的运动规律或运动轨迹( (连杆曲线连杆曲线) ) ，设计较为复杂；设计较为复杂；（4 4）运动惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。运动惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。三、平面连杆机构设计的基本问题三、

3、平面连杆机构设计的基本问题（1 1）实现给定位置问题；）实现给定位置问题；（2 2）实现已知运动规律问题；）实现已知运动规律问题；（3 3）实现已知运动轨迹问题。）实现已知运动轨迹问题。平面连杆机构的运动设计方法：平面连杆机构的运动设计方法： 图解法图解法和和解析法解析法8-2 8-2 平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式及其演化及其演化 由由N个构件组成的平面连杆机构称为平面个构件组成的平面连杆机构称为平面N杆机构，杆机构，如平面四杆机构、平面六杆机构等等。如平面四杆机构、平面六杆机构等等。有关机构构件和运动副的其它名称和概念有关机构构件和运动副的其它名称和概念曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇

4、杆铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄曲柄( (Crank) )能相对于能相对于机架作整周转动的连架杆机架作整周转动的连架杆。 连架杆连架杆( (Side link) )用低用低 副与机架相联接的构件。副与机架相联接的构件。 摇杆摇杆( (Rocker) )不能相对于机架作整周转动的连架杆。不能相对于机架作整周转动的连架杆。连架杆连架杆连架杆连架杆连杆连杆( (Coupler ) )不与不与机架联接的构件机架联接的构件。一、平面连杆机构的基本结构一、平面连杆机构的基本结构整转副整转副( (Fully rotating pair) )联接联接的两构件能相对作整周转动的运动副。的两构件能相对作整周转动的运

5、动副。整转副整转副摆转副摆转副整转副整转副摆转副摆转副摆转副摆转副( (Partially rotating pair) )联接的两构件不能相对作联接的两构件不能相对作整周转动的运动副整周转动的运动副。 曲柄滑块机构曲柄滑块机构滑块滑块( (连架杆连架杆) )固定导杆固定导杆( (导轨导轨) )摆动导杆机构摆动导杆机构滑块滑块( (连杆连杆) )摆动导杆摆动导杆( (连架杆连架杆) )平面连杆机构中的连架杆常作为运动和动力的平面连杆机构中的连架杆常作为运动和动力的输入构件输入构件( (主动件主动件) )与与输出构件输出构件( (从动件从动件) )。机构主动件与从动件的运动机构主动件与从动件的运

6、动学性质在很大程度上决定了机构的性质与用途。学性质在很大程度上决定了机构的性质与用途。平面连杆机构常以连架杆尤其是从动件的运动特征来定平面连杆机构常以连架杆尤其是从动件的运动特征来定义机构的名称。义机构的名称。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构( (Crank-rocker mechanism) )双摇杆机构双摇杆机构( (Double-rocker mechanism) )机架机架曲柄曲柄机架机架摇杆摇杆摇杆摇杆摇杆摇杆双曲柄机构双曲柄机构( (Double-crank mechanism) )曲柄曲柄曲柄曲柄曲柄滑块机构曲柄滑块机构( (Slider-crank mechanism) )滑块滑块曲柄

7、曲柄曲柄摆动导杆机构曲柄摆动导杆机构( (Crank-and-oscillating guide-bar mechanism) )双滑块机构双滑块机构( (Double-slider mechanism) )曲柄曲柄摆动导杆摆动导杆滑块滑块滑块滑块平面四杆机构是能实现各种运动形式转换的最简单平面四杆机构是能实现各种运动形式转换的最简单的连杆机构。的连杆机构。平面四杆机构最基本的结构型式平面四杆机构最基本的结构型式铰链四杆机构铰链四杆机构( (Revolute four-bar mechanism) )四四个运动副都是转动副的四杆机构。个运动副都是转动副的四杆机构。 铰链四杆机构铰链四杆机构双摇

8、杆机构双摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构二、平面四杆机构的演化二、平面四杆机构的演化在工程实际中，还常常采用多种不同外形、构在工程实际中，还常常采用多种不同外形、构造和特性的四杆机构。这些四杆机构都可以看作是造和特性的四杆机构。这些四杆机构都可以看作是由铰链四杆机构通过各种方法演化而来，各种演化由铰链四杆机构通过各种方法演化而来，各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同的或类似的，这就为连杆和设计方法却常常是相同的或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便，掌握这些演化方法，有利机构的研究提供了方便

9、，掌握这些演化方法，有利于对连杆机构进行创新设计。于对连杆机构进行创新设计。 改变构件形状和运动尺寸的演化方法改变构件形状和运动尺寸的演化方法 (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 由此可知，移动副可认为是转动中心在无穷远处的由此可知，移动副可认为是转动中心在无穷远处的转动副演化而来。转动副演化而来。 (2) 改变运动副尺寸的演化方法改变运动副尺寸的演化方法 (3) 选用不同构件为机架的演化方法选用不同构件为机架的演化方法 运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称机构的倒置方法称机构的倒置 例例1 铰链四杆机构的倒置铰链

10、四杆机构的倒置 例例2 曲柄滑块机构的倒置曲柄滑块机构的倒置 例例3 双滑块机构的倒置双滑块机构的倒置 (4) 运动副元素逆换的演化方法运动副元素逆换的演化方法 对于移动副两元素的包容关系进行逆换，也可演化对于移动副两元素的包容关系进行逆换，也可演化成为不同的机构成为不同的机构 例例 摆动导杆机构的移动副两元素的逆换摆动导杆机构的移动副两元素的逆换 三、平面四杆机构的应用三、平面四杆机构的应用 v基本型式的四杆机构的应用雷达天线仰俯机构雷达天线仰俯机构 、搅拌机构搅拌机构、惯性筛机构惯性筛机构、车门开闭机构车门开闭机构、飞机起落架机构飞机起落架机构、鹤式起重机鹤式起重机机构机构 、电风扇摇头机

11、构电风扇摇头机构、汽车转向机构汽车转向机构 v演化型式的四杆机构的应用 车门启闭机构车门启闭机构、牛头刨床机构牛头刨床机构、唧筒机构唧筒机构、 翻斗车翻转机构翻斗车翻转机构 、滑块内置偏心机构滑块内置偏心机构8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识1.铰链四杆机构有曲柄的条件 最短杆长度最长杆长度其余两杆长度之和； 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。（2）四杆机构有曲柄的条件 最短杆为连架杆或机架。例1 铰链四杆机构（1）周转副的条件1）各杆长度满足杆长条件其中第一个条件称为杆长条件。 各杆长度应满足杆长条件；2）各杆长度不满足杆长条件 此时不论以任何杆为机架，机构均为双摇杆机

12、构。 则机构为双曲柄机构； 当最短杆为连架杆时，如果各杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，例2 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件： 最短杆长度偏距连杆的长度； 连架杆为最短杆。对心曲柄滑块机构有曲柄的条件： 最短杆长度连杆的长度； 连架杆为最短杆。则机构为曲柄摇杆机构；当最短杆的相对杆为机架时， 当最短杆为机架时，机构为双摇杆机构。结论：如果铰链四杆机构各杆长度满足杆长条件，2.急回运动和行程速比系数（1）急回运动 当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回运动。（2）行程速比系数Kv2v1K =180 180 =结论且角越大，

13、K值越大，机构的急回性质也越显著。例1 牛头刨床机构当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性。例2 对心曲柄滑块机构例3 偏置曲柄滑块机构 连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角 称为四杆机构在此位置的传动角。且 90 90 最小传动角的确定： 对于曲柄摇杆机构， min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。为了保证机构传力性能良好，应使min40 50。3四杆机构的传动角 以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角0， 这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为“死点”4.死点例2 曲柄滑块

14、机构的死点位置例3 摆动导杆机构的死点位置例1 曲柄摇杆机构的死点位置如何使机构顺利通过死点位置？如何使机构顺利通过死点位置？利用飞轮惯性利用飞轮惯性机构错位排列机构错位排列ABDC利用死点位置利用死点位置飞机起落架飞机起落架工件工件PABCD1234工件工件ABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具 T 0ABCDFF 0机构的死点与极位的关系机构的死点与极位的关系 机构的极位和死点实际上是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同。 当原动件与连杆共线时为极位。在极位附近，由于从动件的速度接近于零，故可获得很大的增力效果(机械利益)。 当从动件与连杆共线时为死点。机构在死点时本不能运动，

15、但如因冲击、振动等原因使机构离开死点而继续运动时，这时从动件的运动方向是不确定的，既可能正转也可能反转，故机构的死点位置也是机构运动的转折点 。铰链四杆机构的运动连续性铰链四杆机构的运动连续性 铰链四杆机构的连杆曲线铰链四杆机构的连杆曲线 8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计2. 用作图法设计四杆机构ABCD固定铰链 A、D ：活动铰链 B、C ： 圆心 圆或圆弧BiCii =1、2、NEiFi图解设计问题作图求解各铰链中心的位置问题。各铰链间的运动关系：2.1 图解设计的基本原理 接下来将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使作为新机架杆的各个位置重合，便可得新

16、连杆相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置。 这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。这种方法又称为反转法。 为了求活动铰链的位置，可将待求的活动铰链所在的杆视作新机架，而将其相对的杆视作新连杆。机构的倒置原理2.2作图法的具体方法（1）按连杆预定的位置设计1）已知活动铰链中心的位置2）已知固定铰链中心的位置求解条件讨论：当N3时，当N2时，当N4时，当N5时，（2）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构1）已知两连架杆三个对应位置2）已知两连架杆四个对应位置有唯一解；有无穷多解；可能有无穷多解；可能有解或无解；（3）按给定的行程速比系数设计四杆机构例1 曲柄摇杆机构例2

17、 曲柄滑块机构例3 摆动导杆机构4. 用实验法设计四杆机构（1）按两连架杆的多对对应位置设计（2）按预定的轨迹设计2. 用解析法设计四杆机构（1）按预定的运动规律设计1）按预定的两连架杆对应的位置设计2）按期望函数设计四杆机构（2）按预定的连杆位置设计（3）按预定的运动轨迹设计8-5 多杆机构多杆机构1.多杆机构的功用（1）取得有利的传动角（2）获得较大的机械利益（3）改变从动件的运动特性（4）实现从动件带停歇的运动（5）扩大机构从动件的行程（6）使机构从动件的行程可调（7）实现特定要求下平面导引 结论 由于导杆机构的尺度参数较多，因此它可以满足更为复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求。但其设计也较困难。（1）多杆机构的