平面连杆机构

1、第四章 平面连杆机构平面连杆机构是由许多刚性构件用低副（回转副和移动副）连接组成的平面机构，故又称为平面低副机构，最常见的平面连杆机构是平面四杆机构。本章主要介绍平面四杆机构的类型、特性及运动设计。一、教学要求1.了解平面连杆机构的主要特点和应用场合；2.掌握平面四杆机构的三种基本型式，掌握其演化方法；3.熟练掌握平面四杆机构的四种基本特性；4.了解平面连杆机构设计的基本问题，能够根据具体的设计条件及实际需要，选择合适的机构型式和合理的设计方法，解决实际问题。二、教学重点与难点1.平面四杆机构的基本特性；2.平面连杆机构的设计是本章的难点。4.1 概述平面连杆机构是由若干个构件通过低副连接而成

2、的机构，又称为平面低副机构。而在平面连杆机构中最常见的形式则是平面四杆机构，它同时也是多杆机构的基础。如果所有的低副均为转动副，这种四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构最基本的形式，其他形式的四杆机构都可看作是在它的基础上演化而成的。平面连杆机构的特点：优点：1）平面连杆机构的运动副都是低副，组成运动副的两构件之间为面接触，因而承受的压强小、便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷；2）构件形状简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠；3）在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求；4）

3、利用平面连杆机构中的连杆可以满足多种运动轨迹的要求；缺点：1） 根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，而且精度不高；2） 连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速的场合。4.2 四杆机构的基本型式及其演化四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构，如下图。其他型式的四杆机构都可看成是在它的基础上通过演化而成的。 图4.1 铰链四杆机构在此机构中，固定件AD称为机架；与AD相对的BC杆称为连杆；与机架相连的AB和CD杆称为连架杆。其中能做整周回转的连架杆称为曲柄，只能在小于360°的范围内摆动的连架杆称为摇杆。根据铰链四杆机构有无曲柄，可将其分

4、成三种基本型式。1.曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的机构。 图4.2 搅拌机机构 图4.3 缝纫机2.双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。在双曲柄机构中，用的最多的是平行双曲柄机构，或称平行四边形机构，其特点是：两曲柄的旋转方向相同，且角速度时时相等，连杆作平移运动，机械中有许多例子就是利用此特点而采用平行四边形机构，如图4.4的机车车轮联动机构。应当注意，这种机构当四个铰链中心处于同一直线时，将出现运动不确定状态，如图4.5a。为了消除这种运动不确定状态，可以采用两组相同机构彼此错开90°而固联组合，如图4.5b。而在机车车轮联动机构中则是利用第三个平行曲柄俩

5、消除其运动的不确定状态。 图4.4 机车车轮联动机构 图4.5 平行四边形机构双曲柄机构中还有一种特例：反平行四边形机构，连杆与机架不平行，如图4.6所示。 图4.6 反平行四边形机构如图4.7公共汽车车门启闭机构。当主动曲柄AB转动时，通过连杆BC使从动曲柄CD朝相反方向转动，从而保证两扇车门同时开启和关闭。图4.7 公共车门启闭机构3.双摇杆机构：两连架杆均为摇杆的四杆机构，如图4.8的起重机机构。 图4.8 鹤式起重机平面四杆机构的演化一般生产中广泛应用各种四杆机构，这些机构虽然具有不同的外形和构造，但都具有相同的运动特性，或一定的内在联系，并且都可看作是从铰链四杆机构演化而来的。三种基

6、本方法：1.回转副转化成移动副这是一种使构件长度发生特殊变化的演化方式。在图4.9示的曲柄摇杆机构中，铰链中心C的轨迹是以D为圆心，以CD为半径的圆弧。若CD增至无穷大，C点轨迹变为直线，于是摇杆3演化为直线运动的滑块，回转副D演化为移动副，铰链四杆机构便演化为曲柄滑块机构。若C点运动轨迹通过曲柄转动中心A，则称为对心曲柄滑块机构；否则成为偏置曲柄滑块机构。曲柄滑块机构广泛应用在活塞、空压机、冲床等机械中。 图4.9 曲柄滑块机构2.扩大转动副这是一种使运动副尺寸发生特殊变化的演化方式。 图4.10 偏心轮机构在图4.10所示的曲柄摇杆机构中，构件1为曲柄，3为摇杆。如将曲柄销B的半径扩大，使

7、其超过曲柄的长度，曲柄就演变成为一个几何中心与回转中心不重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，这种机构称为偏心轮机构。它只是会转副的尺寸变大，而各构件间的相对运动特性不变。偏心轮机构多用于曲柄销承受重大冲击载荷或曲柄长度较短及曲柄需要装在直轴中部的机器中，以便增大轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，简化结构。因此，偏心轮机构广泛应用于传力较大的冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。3.取不同的构件为机架见表4-1。4.3 平面四杆机构的基本特性 铰链四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构三种基本型式的区别在于连架杆是否为曲柄，那么在什么情况下连架杆会成为曲柄呢？曲柄存在的条件是：1.最长杆与最短杆的长度之和小

8、于或等于其余两杆的长度之和；2.最短杆或其相邻杆应为机架。根据有曲柄的条件可得推论：1.当最长杆与最短杆的长度之和大于其余两杆的长度之和时，只能得到双摇杆机构。2.当最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和时：最短杆为机架时得到双曲柄机构；最短杆的相邻杆为机架时得到曲柄摇杆机构；最短杆的对面杆为机架时得到双摇杆机构。压力角和传动角 图4.11 压力角和传动角1. 压力角a：从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。2. 传动角g：连杆与摇杆之间所夹的锐角，即压力角的余角。在图4.11示的铰链四杆机构中，如果不计惯性力、重力、摩擦力，则连杆2是二力共线的构件，由主动件1

9、经过连杆2作用在从动件3上的驱动力 F的方向将沿着连杆2的中心线BC。力 F 可分解为两个分力：沿着受力点C的速度c方向的分力Ft和垂直于c方向的分力Fn。设力F与着力点的速度c方向之间所夹的锐角为a，则 表4-1取不同的构件为机架时四杆机构的演化其中，只能使铰链C、D产生径向压力，而Ft才是推动从动件CD运动的有效分力。显然，压力角a越小，或者g角越大，使从动件运动的有效分力就越大，对机构传动越有利。a和g是反映机构传动性能的重要指标，由于g角便于测量，工程上通常以g角来衡量。机构运动时传动角是变化的，为了保证机构传动性能良好，设计时一般应使40°。出现的位置：在机构的运动过程中，

10、传动角的大小是变化的。当曲柄AB转到与机架AD重叠共线和展开共线两位置AB1、AB2时，传动角将出现极值和（传动角总为锐角），设计时只要校核其中的较小值即可。急回特性 图4.12 急回特性图4.12所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄AB为原动件并作等速回转时，摇杆CD作往复变速运动，曲柄AB在回转一周的过程中有两次与连杆共线。这是摇杆C分别处在左右两个极限位置C1D、C2D。此两极限位置时曲柄所在直线之间所夹的锐角q称为极位夹角，摇杆的两个极限位置之间的夹角j称为摇杆的摆角。曲柄等速回转时，摇杆来回摆动的速度不同，返回时速度较大，如图所示。机构的这种特性，称为机构的急回特性，通常用行程速度变化系数K

11、来表示这种特性，即 4.13 有急回特性的机构死点下面我们来看一下死点位置的形成：在图4.14示的曲柄摇杆机构中，设摇杆 CD 为主动件，则当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲柄在一条直线上，出现了传动角 = 0的情况。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，所以将不能使构件AB 转动而出现"顶死"现象。机构的此种位置称为死点位置。 图4.14 死点的位置死点的利弊：         利：工程上利用死点进行工作。 如飞机的起落架 弊：机构有死点，从动件将出现卡死或运动方

12、向不确定现象，对传动机构不利。 度过死点的方法： 增大从动件的质量、利用惯性度过死点位置                      采用机构错位排列的方法 4.4 平面四杆机构的设计一个设计过程：已知条件构件尺寸两类基本问题：1.实现给定运动规律；在这类设计问题中，要求所设计机构的主、从动连架杆之间的运动关系能满足某种给定的函数关系。如车门开闭机构，工作要求两连架杆的转角满足大小相等而转向相反的运

13、动关系，以实现车门的开启和关闭；又如汽车前轮转向机构，工作要求两连架杆的转角满足某种函数关系，以保证汽车顺利转弯；再比如，在工程实际的许多应用中，要求在主动连架杆匀速运动的情况下，从动连架杆的运动具有急回特性，以提高生产效率。     2.实现给定运动轨迹：在这类设计问题中，要求所设计的机构连杆上一点的轨迹，能与给定的曲线相一致，或者能依次通过给定曲线上的若干有序列的点。例如鹤式起重机，工作要求连杆上吊钩滑轮中心E点的轨迹为一直线，以避免被吊运的物体作上下起伏。已知条件：运动条件、几何条件、动力条件。三种设计方法： 图解法- 简明易懂，精确性差。  &#

14、160;  解析法- 精确度好，计算繁杂。     实验法- 形象直观，过程复杂。 图解法设计平面四杆机构1、按给定连杆位置设计四杆机构（图4.15）    已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1，B2C2，B3C3）        要求：设计铰链四杆机构    设计步骤： 连接B1B2，B2B3， 作线B1B2，B2B3 的垂直平分线 b 12 、 b 23 ， 交于 A 点；               连接C1C2、C2C3 ， 作线C1C2、C2C3 的垂直平分线