连杆机构分析和设计

1、第三章 连杆机构分析和设计通过前面章节的学习，我们已经知道：日常生活中见到的机器，虽然千差万别,让人眼花缭乱，但他们无非是由联接件、传动件、轴系件等零件和一些机构组成。（如作为交通工具：自行车、汽车、火车、飞机、轮船、坦克等机 床：车床、铣床、刨床、钻床、磨床、镗床和铰床等日 常：手表、缝纫机、玩具等联接件：螺纹、键、销、铆、焊、胶、过盈等传动件：带、链、齿轮、蜗杆、螺旋等通用零件 轴系件：轴、轴承、联轴器、离合器、制动器等零件 其他件：弹簧、箱体、变速器等专用零件：曲轴、活塞、连杆、导轨、叶轮等从另一个角度看，这些机械设备无非是由各种机构组成，组成机器的常见的机构有：连杆机构：折叠伞、公共汽

2、车车门开闭机构、机器人、飞机起落架等凸轮机构：内燃机配汽机构等自动、半自动生产线上应用广泛齿轮机构：汽车减速箱、车床变速箱、电脑光驱等机构 棘轮机构：开关、钟表等间歇运动机构槽轮机构：电影放映机的间歇卷片机构等 其他机构 螺旋机构：千斤顶、扳手、螺旋测微器、车床进刀机构等带传动机构：压面机、车床、拖拉机等链传动机构：自行车、有些摩托车等我们在中学学过庖丁解牛这篇文章，庖丁可以做到目无全牛，他看到的只是肌肉，骨骼等。用生物观点说就是运动系统、消化系统、呼吸系统、循环系统、泌尿、内分泌、生殖和神经系统等，虽然每个牛形态各异，但这八大系统都大同小异。我们知道机械设备无非是由联接件、传动间、轴系件以及

3、由齿轮机构、螺旋机构、连杆机构、凸轮机构等组成。对这些基本机构知道以后，我们对各种机械设备的认识也就可以做到游刃有余了。在这些基本机构中，齿轮机构，螺旋机构我们已经学过了。下面我们学习连杆机构和凸轮机构以及间歇运动机构。首先学习平面连杆机构（平面低副机构）3-1平面连杆机构的应用、类型及特点（一）连杆机构应用非常广泛：各种机械和仪表，折叠伞的收放机构，公共汽车车门开闭机构，人体假肢，手摇唧筒，牛头刨床工作部分，风扇摇头机构，机器人等都是连杆机构。（二）连杆机构的分类：（所占空间位置） 绞链四杆机构（含转动副的四杆机构） 四杆机构 平面连杆机构 曲柄滑块机构（含有移动副的四杆机构）多杆机构：如五

4、杆机构。 连杆机构 空间连杆机构：机械手，机器人。 在连杆机构中，其构件多呈杆状（连杆体），故 常 称为“ 杆”。连杆机构又常根据其所含的杆的个数而命名（如四杆机构，五杆机构）。 平面四杆机构结构最简单，应 用又最广泛，且为多杆机构的基础。因此，我们在此重点学习：一. 平面四杆机构的应用和类型：（展示一个四杆机构）手画图。(一)基本概念： 机 架：相对固定不动的杆，或称为静件。连架杆：与机架相连的杆，或称臂。曲柄：能作整周回转的连架杆。摇杆：只能在一定的范围内摆动的连架杆。连杆：不和机架直接相连的杆件。连杆机构：具有连杆的机构统称为连杆机构。(二)铰链四杆机构：（含转动副的四杆机构四杆机构最基

5、本的型式）根据连架杆运动形式的不同分类 各杆长度不同，机架的选取不同，可形成不同的四杆机构。曲柄摇杆机构：应用广双曲柄机构：双摇杆机构：1.曲柄摇杆机构：在四杆机构中，曲柄和摇杆同时存在的机构Page: 29。应用举例：A.破碎机的颚式破碎机构。（图3-5） B.雷达天线的俯仰机构。（图3-6）C.砂轮机的驱动机构，缝纫机驱动机构（踏板机构）。（图3-2） D.搅拌机的搅拌机构。（图3-7） E影片机构(有些电影放映机):抓片爪插入影片孔,拨动影片往下移动一幅。运动转化: 曲柄主动:曲柄整周回转摇杆往复摆动 摇杆主动:摇杆往复摆动曲柄做圆周运动2.双曲柄机构:在四杆机构中,除机架和连杆外,其余

6、两构件均为曲柄。 应用举例:A.摄影平台升降机构(P27 图3-10平行四边形机构). B.惯性筛。(P26. 图3-8平行四边形机构，双曲柄机构). C.机车车轮联动机钩。（图3-10） D.车门开闭机构。(反平行四边机构) E.天平。(天平盘保持水平)运动转变:匀速转动急回特性的运动. 3.双摇杆机构:应用举例: A.翻台式造型机. B.鹤式起重机的变幅机构.(P7.图3-12). C.汽车前轮转向操纵机构。(等腰梯形机构)近似纯滚动，减磨。（P27.图3-13） D.风扇摇头机构.运动转变:一种摆动另一种摆动(角速度不等).(三) 含有移动副的四杆机构: 曲柄滑块机构 导杆机构 正弦机构

7、 正切机构1. 曲柄滑块机构 1演化过程:回转副移动副 对心曲柄滑块机构：图3-14 b) S=2r偏置曲柄滑块机构 :图3-14 a)2组成:机架(导杆)、曲柄、滑块、连杆。3运动转化:曲柄主动:整周连续转动往复直线运动 如：压力机 滑块主动:整周连续转动往复直线运动 如：内燃机4应用: 内燃机,蒸汽机,空气压缩机。 曲柄压力机(冲床)。2.导杆机构:连架杆对滑块运动起导向作用.摆动 导杆机构转动(回转)导杆机构3.正弦机构(双滑块机构): （P28图3-15 或 P30图3-22a ）h=Lsina用于仪表和计算装置中(如印刷机械、机床、纺织机械等) 如缝纫机中针杆机构,机床变速箱操纵机构

8、.4.正切机构: 二. 平面连杆机构的优缺点:1.优点:1 承载能力大,易润滑,摩擦小:低副面接触(柱面或平面) 寿命长2 易制造: 凸轮难制3 自身能实现力的封闭:不象凸轮要弹簧等配件4 能实现多种运动规律和运动轨迹.2 缺点:1 惯性力难平衡(低速),动载荷。2 设计复杂。3 积累误差(空隙),效率低。要扬长避短。 32 铰链四杆机构有曲柄的条件一.转动副A为周转副的条件： 机架 曲柄 连架杆 摇杆 曲柄摇杆机构：有曲柄，1个 铰链四杆机构 双曲柄机构： 有曲柄，2个 双摇杆机构： 无曲柄三种形式区别的关键：有无曲柄的存在和曲柄的数量 如图，假设： AB=a BC=b CD=c AD=dA

9、为周转副（AB杆相对与AD杆能作整周回转）的条件： A为周转副=AB线与AD共线 AB能转至位置：在中,+ = AB能转至位置：在中, a+db+c a+db+c = bd-a+c = a+bd+c cd-a+b a+cd + b ab = ac 即AB为最短杆 ad 综上所述：A为周转副的条件：1.杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆的长度之和。 a+db+c a+bd+c a+cd+b2. 最短杆条件：组成该周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆。引深：（1）四杆机构中，当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。Here A、B是; C、D不是 （2）平行四边

10、形机构，不论取何杆为机架，均为双曲柄机构。二铰链四杆机构有曲柄的条件：1 杆长条件。2 最短杆为连架杆或机架。三推论（判断铰链四杆机构的类型的方法）1 不满足杆长条件，无论取何杆为机架，均为：双摇杆机构。2 满足杆件条件，若取最短杆为连架杆时：曲柄摇杆机构。满足杆件条件，若取最短杆为连杆时：双摇杆机构。满足杆件条件，若取最短杆为机架时：双曲柄机构。举例：若以图示铰链四杆机构的1、2、3、4依次作为机架时，可分别得到什么机构? 1作机架：双曲柄机构2作机架：曲柄摇杆机构3作机架：双摇杆机构4作机架：曲柄摇杆机构实用： 破碎机的鄂式破碎机构 曲柄摇杆机构 搅拌机的搅拌机构 摄影平台的升降机构 双曲

11、柄机构 机车车轮联动机构 翻台式造型机 双摇杆机构 电风扇的摇头机构四.铰链四杆机构的压力角和传动角.理想状态(f,G,a惯性力均不考虑) 力传递:ABBCC传给CD 分解为 Pt速度方向(有效分力) Pt=Pcos=Psin Pn DC方向 压力角：力的方向与速度方向之间所夹的锐角。 越小越好 传动角: 压力角的余角称为传动角 （锐角）。=90o-。 有效分力Pt=psin. Pn=pcos. Pt,Pn传动越有利。 min：通常：min40o ,具体设计铰链四杆机构时，一定要检验。 大力时：min50o 当BCD90o时，=BCD BCD=（90o ） BCD90o时，=180o-BCD

12、=180o-（90o）P33.( 图3-26 ) 在ABD和BDC中， BD2=a2+ d2-2adcos BD2=b2+ c2-2bccos = cos=( b2+ c2 -a2- d2 +2adcos) /(2bc) 可见，与各杆长（a,b,c,d），原动件转角（）有关 cosmin= b2+ c2-(d-a)2 （2bc） = cosmax= b2+ c2-(d+a)2 /（2bc） 得 min=min min=1800-max 最小传动角大小：min , min 中较小者 最小传动角位置： 曲柄和机架共线时。(=0o 或 =180o ) 连杆和摇杆的夹角 原动件的转角 传动角 压力角

13、演化知：曲柄滑块机构：曲柄主动时，min出现在曲柄两次垂直于滑块导路的瞬时位置。对心：两次相等。偏置：不等。 33 平面四杆机构的演化型式实际中多种连杆机构成 四杆机构( 满足实际要求 )一. 扩大转动副：当曲柄AB很短且传力较大时，可将其做成圆盘。几何中心与回转中心距AB 偏心轮机构几何中心与回转中心不一致1 偏心轮（偏心轴）AB偏心距（等于曲柄长） 二.转动副转化为移动副：三.选用不同的构件为机架： 1.绞链四杆机构（各杆长度不变）。 2.含有一个移动副的四杆机构。3.转动副C和D转化为移动副后的机构：P31/图3-23/3五.急回运动和行程速比系:极位. 重叠共线., 如图: 共线 拉成

14、一条直线 如图,了解运动特性(急回运动).1.极位夹角q：:机构在两个极位时，原动件所处的两个位置所夹的锐角. 曲柄角度 摇杆角度 时间 速度 正行程：w1=180+q 逆w t1 顺时针匀速转动: 反行程：w2=180-q 顺w t2 Q w1w2， t1t2 即 即正行程所需的时间反行程所需的时间。(t1t2).正行程的速度0 增大（3） 用力和力矩来计算：A: 以驱动力和驱动力矩计算： 已知：主动轮1在驱动力F作用下，以逆时针转动，带付从动带轮2，使载活G(工作阻力)以速度运动。 图354 带传动（归纳法） （a） 在理想状态下，克服同样的G需驱动力 ( F)此时理想机械效率 (b) 代

15、入（a） 用力矩表示 （不必算W和N）B: 以工作阻力或阻力矩计算： 在理想机械中，同样大小的驱动力（或驱动力矩）所能克服的工作阻力为（或阻力矩） 由(a)式 代入(b) 力矩表示（不必算 W 和N）（4）用其他方法计算 ：实验法 查手册法（一般常用机械都有）五 机械自锁3-6 平面四杆机构设计一.四杆机构的运动特征及设计的基本问题：复杂1.杆机构的运动特征：（1） 连架杆（摇杆）转角曲线：图357 图358能表征明四杆机构运动特征（2） 连杆机构 . 359 （a）难以用其中的一条连杆曲线来表征该四杆机构的运动特征。连杆转角曲线 图359 (a)能表证四杆机构运动特征2.四杆机构设计的三类基

16、本问题： 函数机构设计：主动连架杆和从动连架杆 函数 等 轨迹机构设计：连杆上某一点实现轨迹 图359 a) 导引机构设计：连杆通过固定几个位置 图360二. 函数机构设计：主动连架杆和从动连架杆间实现给定函数1 解析法： 按给定两连架杆的对应三个位置设计四杆机构（1） 例：如图所示，已知连架杆AB和C相对预计架AD的三组对应位置角， 和。 要求设计此四杆机构。解：定质. 求a, b, c, d.1) 取直角桌坐标系xAy .(AD为x轴), ,.逆时针为证。 为去，两边平方并整理得： (1) 令 （337） （2）代入（1）得：铰链四杆机构的位置方程：（3）将已知的， 和代入（3）又由（2）

17、得： 当选定d后，可求出a, b, c.例21 设计一铰链四杆机构，要求两连架杆的对应位置各为： 试用解析法确定各杆长度。解：由 代入 解得：取d=10mm (2) 如图361已知： 求：a , b , c , d . 图361解：根据图示坐标系： （371） 消去并整理得： （372）引入参数 （373）得： （374）铰链四杆机构的位置方程：讨论：（1）参数：要五个方程： i =1 ,2 ,3 ,4 ,5 .最多解五个对应位置。 一般给三个位置（2）当给定三组参数时： 可令 ，为常数。代入（374）求出令d （或a）为某一常值 解得a, b, c, ( 或b ,c ,d)例352.数值比较

18、法：（1）要实现五个以上对应位置（可以为无穷多个对应位置） （2）连续的传动函数 3.图解法： 按从动件急回特性设计四杆机构（按K 设计四杆机构）例36 例：若已知摇杆机构的长度，摇杆的摆角和行程速比系数k，试设计一曲柄摇杆机构。 解：关键A.(1)由K求 画已知条件(2)作摇杆两极限位置和：选， 按，作D点(3)连 作辅助圆O :(无限多个) 这时找到圆心，同弦所对圆心角等于圆周角两倍(4)选点A.求，o 三 轨迹机构设计： 图366 lll 连赶上某一点实现轨迹1.解析法：关键： 求出M(x,y) 图366(1) 在xAy坐标系中 B点 （377）或 C点 （378）（377）消去得： （

19、378）消去得： （379）令 由上式消去， 得M点位置方程（即连杆曲线方程）为： （380）引入等号： 待定参数书：a , b , c ,d , e , g . 六个.可精确实现6个点 ， 六个方程（2） 在图366 坐标系中由9个参数：可精确实现9个点 难 （求解，实现）(3)一般46个精确点，其余自定。四. 导引机构设计：连杆通过固定位置 (一)图解法（两个或三个固定位置）1 给定连杆的两个位置设计四杆机构例：已知连杆上两转动副中心角的距离为LBC, 又已知连杆的两工作位置和设计此四杆机构并确定AD,AB,CD的长度LADLABLCD。解 ：关键找出AD,位于以A为圆心的圆弧上（1）画已

20、知条件：选， 画出,。(2)连并分别作其中垂线。(3)AD分别是上任迭，多解。(4)连 AB1C1D而得。（，） 有无穷多个解2.给定连杆的三个位置设计四杆机构：（三点未已确定一个圆心）。例：如图，,为连杆所要达到三个位置，要求设计此四杆机构。 解：关键AD(1) 画已知条件：选，, 。(2) 连，并作中垂线。(3) 交点为AD。(4) 连。， 有唯一解(二)解析法：(不要求)图3-70位置多于3个时。（j=1,2） 关键：找出A,D点。 3-7 机器人操作机 资料 软件 运动链： CD-ROM:工业机器人： 示例：思 考 题3.1连杆机构为什么称低副机构？它有何特点？常用于何种场合？答：连杆

21、机构是由一些刚性构件用平面低副联接而成的机构，所以称为低副机构。特点是：传力大，易制造，不需其他配件，但设计困难。广泛应用各种机械和仪表中，是一种常用机构。3.2铰链四杆机构有哪几种形式？它们各有何区别？答：3.3四杆机构有哪些基本类型，它们是通过何种途径从铰链四杆机构演化而来的？答： 它们是通过扩大转动副，转动副转化成移动副，取小构件大。3.4何谓“曲柄”？铰链四杆机构有曲柄的条件如何？答：曲柄：能做整周运动的连架杆。 条件：杆长条件，最短杆为连架杆或机架。3.5何为摇杆的“行程速比系数”？它能说明什么问题？何谓“极位夹角”？设计四杆机构时如何利用这个条件？答： K急回特性越明显。 极位夹角

22、：摇杆处于两极限位置时，对应区柄位置线所夹的锐角，利用机构的两极限位置处的几何关系。3.6何谓连杆机构的压力角和传动角？其大小对连杆的工作有何影响？设计时应如何处理就有最大和最小角的位置安排合适？答：压力角：力的方向与速度的方向所夹得锐角，为机构此位置时的压力角。 传动角：压力角的余角为。传动越有利。为提高机械的传动效律 ,对于一些承受暂高峰载荷的机械应设法利用其具有最大传动角的位置来承担高峰载荷，而是使其具有最小传动角的位置。刚好处于工作阻力最小的过程中。3.7是否所有四杆机构都存在死点？什么情况下出现死点？机构处于死点位置时有何特征？答：否，曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，共线时。 通过连杆架与曲柄的力将通过曲柄转动中心，（）不能驱动曲柄转动。3.8试