机械设计基础 第二章平面连杆机构

1、2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 1第第2 2章章 平面连杆机构平面连杆机构（Planar link） 2-1 2-1 平面四杆机构及其传动特点平面四杆机构及其传动特点2-3 2-3 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性2-4 2-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计2-2 2-2 平面四杆机构的基本类型和应用平面四杆机构的基本类型和应用2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 2 平面连杆机构：平面连杆机构：构件用低副（转动构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。副和移动副）连接组成的平面机构。 2-1 2-1 平面四杆机构及其传动特点平面四杆机构及其

2、传动特点2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 3 面接触，耐磨损面接触，耐磨损连杆机构的优点连杆机构的优点 制造方便，易获得较高制造方便，易获得较高的制造精度的制造精度2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 4 实现多种运动规律和轨迹要求实现多种运动规律和轨迹要求2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 5连杆机构的缺点连杆机构的缺点低副中存在间隙，如构件与运动副数目较多时，运动低副中存在间隙，如构件与运动副数目较多时，运动 传递的累积误差大；传递的累积误差大；连杆的惯性力不好平衡，动载荷大，不适合用于高速；连杆的惯性力不好平衡，动载荷大，不适合用于高速；设计较复杂，不

3、易精确实现复杂运动规律等。设计较复杂，不易精确实现复杂运动规律等。 最简单的平面连杆机构最简单的平面连杆机构是由四个构件组成，是由四个构件组成，即即平面四杆机构平面四杆机构。 注：注： 由由N N个构件组成的平面连杆机构称为个构件组成的平面连杆机构称为平面平面N 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。2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 7 铰链四杆机构铰链四杆机构 含一个移动副的四杆机构含一个移动副的四杆机构 含两个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构 其他演化型式其他演化型式2-1 2-1 平面四杆机构的基本类型和应用平面四杆机

4、构的基本类型和应用平面四杆机构的类型平面四杆机构的类型2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 8一、铰链四杆机构一、铰链四杆机构铰链四杆机构：铰链四杆机构：全部由转动副相连的平面四杆机构。全部由转动副相连的平面四杆机构。机架连架杆连杆连架杆曲柄摇杆铰链四杆机构基本型式：铰链四杆机构基本型式：曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构、双曲柄机双曲柄机构、构、双摇杆机构双摇杆机构。2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 9整转副整转副(Fully rotating pair)(Fully rotating pair)联接的联接的两构件能相对作整周转动的运动副。两构件能相对作整周转动的运动副。整转

5、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 (Partially rotating pair)rotating pair)联接的两构件不能联接的两构件不能相对作整周转动的相对作整周转动的运动副。运动副。 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 10曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构( (Crank-rocker) )双摇杆机构双摇杆机构( (Double-rocker) )机架机架曲柄曲柄机架机架摇杆摇杆摇杆摇杆摇杆摇杆铰链四杆机构的基本型式：铰链四杆机构的基本型式：2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 11铰链四杆机构铰链四杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆

6、机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构平行四边形机构平行四边形机构逆平行四边形机构逆平行四边形机构等腰梯形机构等腰梯形机构双曲柄机构双曲柄机构( (Double-crank) )曲柄曲柄曲柄曲柄2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 121、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构应用实例一应用实例一雷达天线俯仰角调整机构雷达天线俯仰角调整机构 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 13实例二实例二搅拌机构搅拌机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 14缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构脚踏砂轮脚踏砂轮机构机构实例三、四实例三、四2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构

7、15应用实例一：应用实例一：2、双曲柄机构、双曲柄机构惯性筛机构惯性筛机构 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 16平行四边形机构平行四边形机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 17逆逆( (反反) )平行四边形机构平行四边形机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 18应用实例二应用实例二火车车轮的联动机构火车车轮的联动机构 销控机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 20摄影升降机构摄影升降机构应用实例双曲柄插床双曲柄插床 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 22应用实例一应用实例一3、双摇杆机构、双摇杆机构鹤式起重机鹤式起重机2

8、022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 231 1、曲柄滑块机构、曲柄滑块机构ABCDABCDABCABC二、含一个移动副的四杆机构二、含一个移动副的四杆机构e e偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 242 2、导杆机构、导杆机构ABC取曲柄取曲柄ABAB作机架作机架若lBClAB，转动导杆机构若lBClAB，摆动导杆机构应用：应用：牛头刨床、插床、牛头刨床、插床、回转式水泵回转式水泵2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 253 3、摇块机构和定块、摇块机构和定块机构机构ABC取连杆取连杆BCBC作机架

9、，摇块机构作机架，摇块机构取滑块作机架，定块机构取滑块作机架，定块机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 26改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副改变构件相改变构件相对尺寸对尺寸双滑块机构（双滑块机构（正弦正弦）三、含两个移动副的四杆机构（双滑块机构）三、含两个移动副的四杆机构（双滑块机构）2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 271 1、正弦机构、正弦机构32022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 282 2、正切机构、正切机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 293 3、滑块联轴器、滑块联轴器2022年4月30日星期六第2章

10、 平面连杆机构 304 4、椭圆仪、椭圆仪2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 311 1、偏心轮机构、偏心轮机构四、四、其他演化型式其他演化型式2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 322 2、天平机构、天平机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 333 3、牛头刨床机构、牛头刨床机构2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 342022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 352-2 2-2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性 急回特性急回特性 压力角和传动角压力角和传动角 死点位置死点位置 铰链四杆机构有整转副的条件铰链四杆机构有整转副的

11、条件2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 36一、急回特性一、急回特性C2C1B2B121摇杆摆角摇杆摆角 ：摇杆在两极限位置时的夹角摇杆在两极限位置时的夹角极位夹角极位夹角 ：摇杆在两极限位置时主动曲柄摇杆在两极限位置时主动曲柄之间所夹的锐角之间所夹的锐角ABCD1234曲柄运动夹角曲柄运动夹角1和和22 00，则，则K1K1， 角越大，角越大，K K值也越大，值也越大，机构的急回运动性质越明显。机构的急回运动性质越明显。( (3) 3)急回作用具有方向性急回作用具有方向性, ,当原动件的回转当原动件的回转方向改变时方向改变时, ,急回的行程也跟着变。急回的行程也跟着变。(4)(4

12、)偏置曲柄滑块机构也有急回运动特性，偏置曲柄滑块机构也有急回运动特性，其极位夹角其极位夹角 如图。如图。 (5)(5)摆动导杆机构也有急回运动特性，摆动导杆机构也有急回运动特性， 其极位夹角其极位夹角 如图所示。如图所示。 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 39ABCD1234二、压力角二、压力角和传动角和传动角作用在从动件上的驱动力作用在从动件上的驱动力F F与该力作用点绝与该力作用点绝对速度对速度v vC C之间所夹的锐角称为压力角，压力之间所夹的锐角称为压力角，压力角的余角称为传动角角的余角称为传动角。vCFFF结论：结论：1.1.压力角压力角越小，传越小，传动角动角越大，

13、机构传越大，机构传力性能越好；力性能越好；2.2.压力角越大，传动压力角越大，传动角越小，机构传力性角越小，机构传力性能越差，效率低。能越差，效率低。2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 40 连杆连杆BCBC与从动件与从动件CDCD之间所之间所夹的锐角夹的锐角 称为四杆机构在称为四杆机构在此位置的此位置的传动角传动角。且且 90 90最小传动角的确定：最小传动角的确定： 对于曲对于曲柄摇杆机构，柄摇杆机构， min出现在主出现在主动件曲柄与机架共线的两位动件曲柄与机架共线的两位置之一。置之一。传动角大，传动角大，传力性能好传力性能好即当即当BCD为锐角时，为锐角时，min=BCDm

14、in当当BCD为钝角时，为钝角时，min=180-BCDmax40min对于一般机械，对于一般机械，对于大功率机械，对于大功率机械，50min2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 41 以摇杆以摇杆CDCD为主动件为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角的传动角0， 这时主动件这时主动件CDCD通过连杆作用于从动件通过连杆作用于从动件ABAB上的上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件ABAB转动的转动的“顶死顶死”现象，现象， 机构的这种位置称为机构的这种位置称为“死点死点”三、死点位置三、死点位置

15、2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 42曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点无死点存在无死点存在DABCMBvBFCFCvC0BABMFB练习：练习：2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 43（1 1）克服死点的方法）克服死点的方法1 1）利用安装飞轮加大惯性的）利用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯方法，借惯性作用使机构闯过死点。过死点。2 2）采用将两组以上的同）采用将两组以上的同样机构组合使用，而使各样机构组合使用，而使各组机构的死点位置相互错组机构的死点位置相互错开排列的方法。开排列的方法。2022年4月30日星期六第2章

16、平面连杆机构 44例例1 1 飞机起落架收放机构飞机起落架收放机构（2 2）死点的应用）死点的应用ABDC 0FABCDF2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 45例例2 2 工件夹紧机构工件夹紧机构 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 46C2B2C1B1四、铰链四杆机构有整转副的条件四、铰链四杆机构有整转副的条件整转副：整转副：两构件能相对转动两构件能相对转动3603600 0的转动副。的转动副。ABCDl2l3l4l1DAC23124)(llll4123)(llllDAC14321llll3241llll4231llll413121llllll结论：结论：1 1、铰

17、链四杆机构有整转副的条件是：最短杆与最长杆长度之、铰链四杆机构有整转副的条件是：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；和小于或等于其余两杆长度之和；2 2、整转副由最短杆与其邻边组成。、整转副由最短杆与其邻边组成。2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 47结论：1、铰链四杆机构有整转副的条件是：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和； 2、整转副由最短杆与其邻边组成。2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 48具有整转副的铰链四杆机构型式具有整转副的铰链四杆机构型式最短杆的邻边为机架：最短杆的邻边为机架：最短杆为机架：最短杆为机架：最短杆为连杆最短杆为连

18、杆：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构整转副存在条件：整转副存在条件：1 1）四杆长度满足）四杆长度满足杆长条件杆长条件：最短杆与最长杆长度之：最短杆与最长杆长度之和和小于或等于小于或等于其他两杆之和。其他两杆之和。2 2）构成整转副的构件中必有一个是）构成整转副的构件中必有一个是最短杆最短杆。满足杆长条件时，最短杆两端分别是两个整转副。满足杆长条件时，最短杆两端分别是两个整转副。此时，若以最短杆或其相邻杆作机架，机构都存此时，若以最短杆或其相邻杆作机架，机构都存 在曲柄。否则，为双摇杆机构。在曲柄。否则，为双摇杆机构。不满足杆长条件则没有整转副，获得双摇杆机构。

19、不满足杆长条件则没有整转副，获得双摇杆机构。小结：小结：2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 50作业：P37o 21、232022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 51设计的基本问题：设计的基本问题：根据给定的平面四杆机构的根据给定的平面四杆机构的运动（运动（结构、动力结构、动力）要求，选择机构的类型、要求，选择机构的类型、确定各构件的尺寸确定各构件的尺寸1 1、满足预定的运动规律要求满足预定的运动规律要求2-3 2-3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计例例1 1、牛头刨床机构牛头刨床机构2 2、满足预定的满足预定的构构杆位置要求杆位置要求例例2 2、小型电炉炉门的开闭机

20、构小型电炉炉门的开闭机构3 3、满足预定的满足预定的轨迹轨迹要求要求例例3 3、搅拌机构搅拌机构例例4 4、鹤式起重机、鹤式起重机三类设计问题：三类设计问题：2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 52设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法、图谱法图解法、解析法、实验法、图谱法学习方法：学习方法： 掌握最基本的铰链四杆机构的设计方法和理论，掌握最基本的铰链四杆机构的设计方法和理论，然后推广到演化形式。然后推广到演化形式。图解法的关键：确定四个铰链中心的位置图解法的关键：确定四个铰链中心的位置2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 53一、按照给定的行程速度变化系数一、按照给

21、定的行程速度变化系数K K设计四杆机构设计四杆机构例一、曲柄摇杆机构例一、曲柄摇杆机构已知条件：已知条件：摇杆长度摇杆长度l3 3，摆角，摆角和行程速度变化系数和行程速度变化系数K。核心问题：核心问题：确定铰链中心确定铰链中心A A点的位置，定出点的位置，定出l1、l2、l4杆长。杆长。C1C2B1B2ABCD12342022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 54D DC C1 1C C2 2l3A AM MN N11180KK取比例尺取比例尺l = xmm/mm= xmm/mm)(122llACl)(121llACl2/ )(121ACACll2/ )(122ACACllADll490

22、90- -解：解：2.2.计算极位夹角计算极位夹角 3.3.按比例作图，求出按比例作图，求出A A的位置，用尺子量的位置，用尺子量取取ACAC1,1,ACAC2.2.4.4.计算计算B1B2BeAN N90-HC1C2例二、偏置曲柄滑块机构例二、偏置曲柄滑块机构对于给定行程速比系对于给定行程速比系数数K K、滑块行程、滑块行程H H和偏和偏距距e e时时, ,可以用同样方可以用同样方法设计出曲柄滑块机法设计出曲柄滑块机构构. . 2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 56B B2 2B B1 1m例三、摆动导杆机构例三、摆动导杆机构已知条件：已知条件：机架长度机架长度l4 4，行程速

23、度变化系数，行程速度变化系数K。C CA A核心问题：核心问题：确定确定l1长度。长度。11180KK取比例尺l=x mm/mmC CA AnABll12022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 57二、按给定连杆位置设计四杆机构二、按给定连杆位置设计四杆机构B1C1B2C2DAB3C3B2C2B1C1DA取比例尺取比例尺l=x mm/mm=x mm/mmABll1BCll2CDll3ADll4ABll1BCll2CDll3ADll42022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 58三、按给定两连架杆位置设计四杆机构三、按给定两连架杆位置设计四杆机构已知：两连架杆的三对对应位置；已知：两

24、连架杆的三对对应位置；求：确定各杆的长度。求：确定各杆的长度。方法一、解析法方法一、解析法方法二、几何试方法二、几何试验法验法1 11 1112323xy1 12 21 13 31 14 4A AB BC CD D2022年4月30日星期六第2章 平面连杆机构 59解析法解析法: :sinsinsincoscoscos32342lllll1 11 1112323xy1 12 21 13 31 14 4A AB BC CD D)cos(cos1cos433lll2llll4222324消去消去，整理得，整理得P2P0P1210)cos(coscosPPPD D实验法实验法当给定连架杆位置超过三对

25、时，一般不可能有精确解。只能用优化或试凑的方法获得近似解。1)1)首先在一张纸上取固首先在一张纸上取固定轴定轴A A的位置，作原动的位置，作原动件角位移件角位移i位置位置 i i 位置位置 i i 12 15 10.8 45 15 15.8 23 15 12.5 56 15 17.5 34 15 14.2 67 15 19.2 2)2)任意取原动件长度任意取原动件长度ABAB3)3)任意取连杆长度任意取连杆长度BCBC，作一系列圆弧，作一系列圆弧; ;4)4)在一张透明纸上取固定轴在一张透明纸上取固定轴D D，作角位移，作角位移iD Dk k1 15)5) 取一系列从动件长取一系列从动件长度作同心圆弧度作同心圆弧。6)6) 两图叠加，移动透明纸，两图叠加，移动透明纸，使使k ki i落在同一圆弧上。落在同一圆弧上。 iiA AC C1 1B B1 1A AB BC