机械设计基础03------平面连杆机构

1、12本章教学目的本章教学目的u了解平面连杆机构的了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点组成及其主要优缺点; ;了解平面连杆机构的了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用基本形式及其演化和应用；明确四杆机构明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数程速比系数等概念；等概念； 对对传动角、死点、运动连续性传动角、死点、运动连续性等有明确的概念；等有明确的概念；了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。3本章教学内容本章教学内容3-1

2、3-1连杆机构及其连杆机构及其特点特点3-23-2平面连杆机构的平面连杆机构的类型及应用类型及应用3-33-3平面连杆机构的基本知识平面连杆机构的基本知识3-43-4平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计3-53-5多杆机构多杆机构42.连杆机构何谓连杆机构？何谓连杆机构？例 铰链四杆机构曲柄滑块机构导杆机构动画动画动画动画动画动画5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) )6连杆机构由若干个构件通过连杆机构由若干个构件通过低副低副连接而组成，又连接而组成

3、，又称为称为低副机构低副机构。此类机构的共同特点：l机构的原动件机构的原动件1 1和从动件和从动件3 3运动都需要经过连杆运动都需要经过连杆2 2来传动，来传动，故此类机构统称为连杆机构。故此类机构统称为连杆机构。l机构中的运动副一般均为低副，故此类机构也称低副机构。l连杆机构中的构件总呈现杆的形状，故常称构件为杆。连杆机构常用其所含的杆数而命名，故有四杆机构、六杆机构等。7六杆机构六杆机构四杆机构四杆机构ABCD四杆机构四杆机构DEF四杆机构应用非四杆机构应用非常广泛，且是多常广泛，且是多杆机构的基础杆机构的基础着着重重讨讨论论8 构件多呈现杆的形状； 可实现多种运动变换和运动规律； 连杆曲

4、线形状丰富，可满足各种轨迹要求。缺点： 运动长，累积误差大，因而影响传动精度，效率低； 惯性力难以平衡，动载荷大，不应用于高速运动； 一般只能近似满足运动规律要求。3.传动特点 运动副一般为低副，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；优点：91 1、平面四杆机构的基本型式、平面四杆机构的基本型式基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构ABCD连架杆连架杆连架杆连架杆连杆连杆运动副全为转动副的运动副全为转动副的平面四杆机构称为铰平面四杆机构称为铰链四杆机构。链四杆机构。曲柄曲柄：能作整周回转的：能作整周回转的连架杆连架杆。摇杆摇杆：只能在一定范围内摇动的：只能在一定范围内摇动的连架杆连架杆

5、；周转副（周转副）周转副（周转副）：组成转动副的两构件能整：组成转动副的两构件能整周相对转动，则称该周相对转动，则称该转动副为周转副转动副为周转副；摆转副摆转副：不能作整周相对转动的：不能作整周相对转动的转动副转动副。10周转副周转副摆转副摆转副周转副周转副摆转副摆转副曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆11（1）基本型式铰链四杆机构等腰梯形机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构平行四边形机构逆平行四边形机构12铰链四杆机构中，若其铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为则此四杆机构称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构。应用应用：雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构

6、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构13缝纫机脚踏板机构缝纫机脚踏板机构14搅拌机机构搅拌机机构15在铰链四杆机构在铰链四杆机构中，若其两个连架中，若其两个连架杆都是曲柄，则称杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。为双曲柄机构。双曲柄机构双曲柄机构惯性筛机构惯性筛机构平行四边形机构：平行四边形机构：指指相对两杆平行且相等相对两杆平行且相等的双曲柄机构。的双曲柄机构。平行四边形机构特性：平行四边形机构特性：两曲柄同速同向转动两曲柄同速同向转动连杆作平动连杆作平动16平行四边形机构的应用实例平行四边形机构的应用实例机车车轮联动机构机车车轮联动机构播种机料斗机构播种机料斗机构17升升降降机机构构摄影平台升降机构摄影平台

7、升降机构平行四边形机构平行四边形机构18逆平行（反平行）逆平行（反平行）四边形机构四边形机构：指两：指两相对杆长相等但不相对杆长相等但不平行的双曲柄机构平行的双曲柄机构应用实例应用实例车门开闭机构车门开闭机构1920双摇杆机构双摇杆机构铰链四杆机构若两连架杆都是摇杆，则称其为铰链四杆机构若两连架杆都是摇杆，则称其为双摇杆机构双摇杆机构。等腰梯形机构：指等腰梯形机构：指两摇杆长相等两摇杆长相等的双摇杆机构。的双摇杆机构。应用实例应用实例汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构21造型机翻箱机构造型机翻箱机构应用实例应用实例（动画）（动画）222、平面四杆机构的演化型式、平面四杆机构的演化型式改变构件的形

8、状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸变变摇杆摇杆为滑块为滑块摇杆尺寸摇杆尺寸为无穷大为无穷大曲线导轨曲柄滑块机构曲线导轨曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构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e=023对心式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构24对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构变变连杆连杆为滑块为滑块正弦机构正弦机构双滑块机构双滑块机构连杆尺寸连杆尺寸为无穷大为无穷大从动件从动件3的位移与原的位移与原动件动件1的转角成正比：的转角成正比：sinABls 移动副可认为是回移动副可认为是回转中心在无穷远处转中心在无穷远处的转动副演化而来的转动副演化而来2、平面四杆机构的演化

9、型式、平面四杆机构的演化型式(续续)25正弦机构正弦机构l s =l sin s26 改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸偏心轮机构偏心轮机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构当曲柄当曲柄ABAB的尺寸较小时，由的尺寸较小时，由于结构需要，常将曲柄作成几于结构需要，常将曲柄作成几何中心与回转中心不重合的圆何中心与回转中心不重合的圆盘，称此圆盘为盘，称此圆盘为偏心轮偏心轮。几何中心与回转中心间的距几何中心与回转中心间的距离称为离称为偏心距，等于曲柄长。偏心距，等于曲柄长。转动副转动副B的的半径扩大超半径扩大超过曲柄长过曲柄长2、平面四杆机构的演化型式、平面四杆机构的演化型式(续续)27通过选用不同构件为机架通

10、过选用不同构件为机架导杆机构导杆机构导杆机构应用实例导杆机构应用实例小型刨床小型刨床牛头刨床牛头刨床2、平面四杆机构的演化型式、平面四杆机构的演化型式(续续)回转导杆机构回转导杆机构：指导杆能作整：指导杆能作整周转动的导杆机构；周转动的导杆机构；摆动导杆机构摆动导杆机构：指导杆只能在：指导杆只能在一定的角度内摆动的导杆机构。一定的角度内摆动的导杆机构。（动画）（动画）28曲柄摇块机构曲柄摇块机构定块机构定块机构卡车车厢举升机构卡车车厢举升机构手摇唧筒手摇唧筒选选运动链中不同构件运动链中不同构件为机架得不同机构的为机架得不同机构的方法称为方法称为机构的倒置机构的倒置2、平面四杆机构的演化型式、平

11、面四杆机构的演化型式(续续)29运动副元素的逆换运动副元素的逆换对于移动副，将运动副两元素的包容关系进行逆换，对于移动副，将运动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件之间的相对运动。并不影响两构件之间的相对运动。摆动导杆机构摆动导杆机构构件构件2包包容构件容构件3构件构件3包包容构件容构件2曲柄摇块机构曲柄摇块机构2、平面四杆机构的演化型式、平面四杆机构的演化型式(续续)301、平面四杆机构有曲柄的条件、平面四杆机构有曲柄的条件分析：分析：构件构件ABAB要为曲柄，则转动要为曲柄，则转动副副A A应为周转副；应为周转副；为此为此ABAB杆应能占据整周中杆应能占据整周中的任何位置；的任何位置

12、；因此因此ABAB杆应能占据与杆应能占据与ADAD共共线的位置线的位置ABAB及及ABAB。由由DB C由由DBCcbdacadb)(badc)(cdbabdcadabaca两两两相加两相加31结论：结论： 转动副转动副A A成为周转副的条件：成为周转副的条件： 1)1)最短杆长度最短杆长度+ +最长杆长度最长杆长度其余两杆长度之和其余两杆长度之和 杆长条件杆长条件 2)2)组成该周转副的两杆中必有一杆是最短杆。组成该周转副的两杆中必有一杆是最短杆。推论推论 当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均为周转副；其余转动副为摆转副。为周转副；其余

13、转动副为摆转副。平面四杆机构有曲柄的条件平面四杆机构有曲柄的条件 机构尺寸满足杆长条件，且最短杆为机架或连架杆机构尺寸满足杆长条件，且最短杆为机架或连架杆。1、平面四杆机构有曲柄的条件、平面四杆机构有曲柄的条件(续续)32例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时各得什么机构？各得什么机构？取最短杆相取最短杆相邻的构件为邻的构件为机架得机架得曲柄曲柄摇杆机构摇杆机构最短杆为最短杆为机架得机架得双双曲柄机构曲柄机构取最短杆对取最短杆对边为机架得边为机架得双摇杆机构双摇杆机构1、平面四杆机构有曲柄的条件、平面四杆机构有曲柄的条件(续续)33

14、注意：如果四杆机构不满足杆长条件，则不论取哪个构件注意：如果四杆机构不满足杆长条件，则不论取哪个构件为机架，均为为机架，均为双摇杆机构双摇杆机构。风扇摇头机构风扇摇头机构满足杆长条件的双摇杆满足杆长条件的双摇杆机构的应用实例：机构的应用实例：1、平面四杆机构有曲柄的条件、平面四杆机构有曲柄的条件(续续)3435AD杆为最短杆杆为最短杆( (0 AD 20) ) 例例1已知铰链四杆机构已知铰链四杆机构ABCD，其中其中AB 20mm，BC 50mm，CD 40mm, ,AD为机架。改变为机架。改变AD杆长，分析机构杆长，分析机构的类型变化。的类型变化。aBbADdCc机构有周转副的条件：机构有周

15、转副的条件：AD 50 20 40AD 10mm最长杆最长杆周转副周转副周转副周转副最短杆最短杆DCaBbAdc双曲柄机构双曲柄机构36AD杆长介于最短杆与最长杆之间杆长介于最短杆与最长杆之间( (20 AD 50) )机构有周转副的条件：机构有周转副的条件：20 50 AD 40AD 30mmaBbADdCc最短杆最短杆最长杆最长杆周转副周转副周转副周转副曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构aBbADdCc37 AD杆为杆为最长杆最长杆( (50 AD 110) )机构有周转副的条件：机构有周转副的条件：AD 20 40 50最长杆最长杆最短杆最短杆AD 70mmaBbADdCc周转副周转副周转副周转副

16、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构当当10 AD 30和和70 AD 110时，由于不满足杆长条件，时，由于不满足杆长条件，机机构无周转副，为双摇杆机构。构无周转副，为双摇杆机构。aBbADdCc38BADC练习：如下图，已知四杆机构各杆的长度为练习：如下图，已知四杆机构各杆的长度为a=240,b=600,c=400,d=500a=240,b=600,c=400,d=500。问。问（1 1）当取杆）当取杆4 4为机架时，为机架时，是否有曲柄存在？（是否有曲柄存在？（2 2）若各杆的长度不变，能否以选不同）若各杆的长度不变，能否以选不同杆为机架的方法获得双曲柄机构和双摇杆机构？如何获得？杆为机架的方法获得

17、双曲柄机构和双摇杆机构？如何获得？（3 3）若）若a a、b b、c c三杆的长度不变，取杆三杆的长度不变，取杆4 4为机架，要获得曲为机架，要获得曲柄摇杆机构，柄摇杆机构，d d的取值范围应为何值？（的取值范围应为何值？（西工大P238）3abdc124392、急回运动和行程速比系数（运动分析）、急回运动和行程速比系数（运动分析）1.机构极位：曲柄回转机构极位：曲柄回转一周，与连杆两次共线，一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别处于两极此时摇杆分别处于两极限位置，称为机构限位置，称为机构极位极位。2.极位夹角：机构在两极位夹角：机构在两个极位时，原动件所处个极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐

18、两个位置之间所夹的锐角角称为称为极位夹角极位夹角。3.急回运动：急回运动：动画演示动画演示180121DCDC180221DCDC121t2t曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为机构的这种运动性质称为急回运动急回运动。摇杆摇杆C点平均速度点平均速度2v1v404. 4. 行程速比系数行程速比系数K K 为表明急回运动程度，用反正行程速比系数为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K K来来衡量：衡量： 角愈大，角愈大，K值愈大，急值愈大，急回运动性质愈显著。回运动性质愈显著。2、急回运动和行程速比系数、急回

19、运动和行程速比系数(续续)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构00，没有急回运动没有急回运动偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构0 0，有急回运动有急回运动41摆动导杆机构的急回运动摆动导杆机构的急回运动机构急回的作用：机构急回的作用：节省空回时间，提节省空回时间，提高工作效率。高工作效率。二、急回运动和行程速比系数二、急回运动和行程速比系数(续续) 注意：急回运动具有方向性。注意：急回运动具有方向性。421.机构机构压力角压力角机构从动件上作用点的力与该点的速度方向之间所夹的机构从动件上作用点的力与该点的速度方向之间所夹的角，为机构在此位置的压力角角，为机构在此位置的压力角 。3、四杆机构的传动角与

20、死点、四杆机构的传动角与死点2.传动角传动角机构压力角的机构压力角的余角称为机构在此余角称为机构在此位置的传动角位置的传动角g g。g 90机构常用传动机构常用传动角大小及变化来衡角大小及变化来衡量机构传力性能的量机构传力性能的好坏。好坏。5040ming43bcadcb2)(arccos2221g)90(2)(arccos222222DCBbcadcbg曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构： g gmin出现在出现在曲柄曲柄与机架与机架共线共线的两的两位置位置之一。之一。3.最小传动角的位置：最小传动角的位置：)90(2)(arccos180222222DCBbcadcbg或),min(21mingg

21、g3、四杆机构的传动角与死点（续）、四杆机构的传动角与死点（续）44n曲柄滑块机构最小传动角的位置。45曲柄摇杆机构：若以摇杆曲柄摇杆机构：若以摇杆CD为为原动件原动件，则当，则当连杆与连杆与曲柄共线时曲柄共线时，机构传动角为零，这时，机构传动角为零，这时CD通过连杆作用于通过连杆作用于从动件从动件AB上的力上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件恰好通过其回转中心，出现不能使构件ABAB转动而转动而“顶死顶死”的现象，的现象，机机构的这种位置称为构的这种位置称为死点死点。4.4.死点死点3 3、四杆机构的传动角与死点（续）、四杆机构的传动角与死点（续）46曲柄滑块机构的死点位置曲柄滑块机构的

22、死点位置3 3、四杆机构的传动角与死点（续）、四杆机构的传动角与死点（续）47n当机构处于死点位置时，机构将会被卡死，或出现运动方向不定的情况。对于传动机构来说，应当设法避免或通过死点位置。3 3、四杆机构的传动角与死点（续）、四杆机构的传动角与死点（续）48传动机构中使机构通过死点的措施：传动机构中使机构通过死点的措施：措施：加装飞轮利用惯性使机构通过死点位置措施：加装飞轮利用惯性使机构通过死点位置缝纫机脚踏板机构缝纫机脚踏板机构3 3、四杆机构的传动角与死点（续）、四杆机构的传动角与死点（续）4950ABDC飞机起落架飞机起落架ABCDFFg g 03 3、四杆机构的传动角与死点（续）、四

23、杆机构的传动角与死点（续）利用死点实现特定工作要求利用死点实现特定工作要求的机构示例：的机构示例：飞机起落架机构飞机起落架机构51工件夹紧机构工件夹紧机构52n注意：机构有无死点，与原动件的选取有关。534. 4. 铰链四杆机构运动的连续性铰链四杆机构运动的连续性设计曲柄摇杆机构时，不能要求从动摇杆在两个不连通设计曲柄摇杆机构时，不能要求从动摇杆在两个不连通的可行域内运动。的可行域内运动。摇杆在哪个可行域内运动，取决于机构的初始位置。摇杆在哪个可行域内运动，取决于机构的初始位置。C1C2C 1C 2C CADB摇杆运动摇杆运动可行域可行域摇杆运动摇杆运动可行域可行域摇杆运动摇杆运动非可行域非可

24、行域摇杆运动摇杆运动非可行域非可行域54在曲柄摇杆机构中，曲柄为主动件，转速在曲柄摇杆机构中，曲柄为主动件，转速n=60r/minn=60r/min，并且，并且已知曲柄长已知曲柄长AB=a=50,AB=a=50,连杆长连杆长BC=b=70,BC=b=70,摇杆长摇杆长CD=c=80CD=c=80，机架，机架长长AD=d=90AD=d=90（工作行程平均速度（工作行程平均速度 空回行程速度），求：空回行程速度），求：1 1）行程速度系数行程速度系数K;2)K;2)摇杆一个工作行程需要的时间；摇杆一个工作行程需要的时间；3 3）最小）最小传动角传动角rmin554-4 4-4 平面四杆机构的设计平

25、面四杆机构的设计1、平面连杆机构设计的基本问题、平面连杆机构设计的基本问题平面连杆机构设计的三大类问题：平面连杆机构设计的三大类问题：（1 1）满足预定的运动规律要求）满足预定的运动规律要求 要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位置关系；要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位置关系； 要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确地或近似地满足预定的运动规律要求。准确地或近似地满足预定的运动规律要求。（2 2）满足预定的连杆位置要求）满足预定的连杆位置要求（3 3）满足预定的轨迹要求）满足预定的轨迹要求562.1按给定的连杆位置设计四杆机构按给定的连杆位置设计四杆机构 C12Ab12D已知连杆长度及两预定位置已知连杆长度及两预定位置B B1 1C C1 1、B B2 2C C2 2，设计该铰链四杆机设计该铰链四杆机构。构。设计步骤：设计步骤：B1C1C2B2设计分析：设计分析：和分别在和分别在B B1 1B B和和C C1 1C C的垂直平分线上。的垂直平分线上。铰链和位置已知，固定铰链和未知。铰链和位置已知，固定铰链和未知。铰链和铰链和 轨迹为圆弧，其圆心分别为点和。轨迹为圆弧，其圆心分别为点和。2 2 用图解法设计四杆机构