机械设计基础第四章平面连杆机构

1、第四章第四章 平面连杆机构平面连杆机构 一、平面连杆机构一、平面连杆机构：若干个构件用低副联接而成的平面机构。若干个构件用低副联接而成的平面机构。 二、平面连杆机构的特点二、平面连杆机构的特点（2） 运动构件产生的惯性力难以平衡，高速时会引起较大的运动构件产生的惯性力难以平衡，高速时会引起较大的振动，因此常用于速度较低的场合振动，因此常用于速度较低的场合2.缺点：缺点：1.优点优点（1）构件间为面接触）构件间为面接触,比压小、易润滑、比压小、易润滑、磨损轻、寿命长磨损轻、寿命长（2）机构中运动副的元素形状简单、易）机构中运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度于加工制造和保证精度（3）能够

2、实现多种运动形式的转换、各）能够实现多种运动形式的转换、各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹。种预定的运动规律和复杂的运动轨迹。（1）只能近似地满足给定的运动规律和轨迹，设计比较复杂）只能近似地满足给定的运动规律和轨迹，设计比较复杂本章主要研究平面四杆机构的类型、基本性质和应用。本章主要研究平面四杆机构的类型、基本性质和应用。 三、平面四杆机构三、平面四杆机构平面四杆机构：由四个构件组成的平面机构平面四杆机构：由四个构件组成的平面机构 平面四杆机构平面四杆机构移副四杆机构移副四杆机构铰链四杆机构铰链四杆机构第一节铰链四杆机构第一节铰链四杆机构1234ABCD连杆连架杆连架杆机架连杆连架杆曲柄摇杆

3、 (摆杆)机架铰链四杆机构组成：铰铰链链四四杆杆机机构构铰链四杆机构铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构铰链四杆机构中，固定不动的构件铰链四杆机构中，固定不动的构件与机架相联的构件与机架相联的构件连接两连架杆且不与机架直接相连的构件连接两连架杆且不与机架直接相连的构件只能在一定角度范围只能在一定角度范围内往复摆动的连架杆内往复摆动的连架杆能绕机架作整周转动的连架杆能绕机架作整周转动的连架杆铰链四杆机构铰链四杆机构 ( (全转动副全转动副) )一、铰链四杆机构的基本类型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 根据两个连架杆能否成为曲柄根据两个连架杆能否成

4、为曲柄 1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两连架杆一为曲柄，一为摇杆两连架杆一为曲柄，一为摇杆 (1)(1)特点：特点：既能将曲柄的整周转动变既能将曲柄的整周转动变换为摇杆的往复摆动，又能将摇杆换为摇杆的往复摆动，又能将摇杆的往复摆动变换为曲柄的连续回转的往复摆动变换为曲柄的连续回转运动。运动。(2)(2)应用实例：应用实例：（单击图片演示动作单击图片演示动作）雷达天线机构雷达天线机构汽车刮雨器机构汽车刮雨器机构 缝纫机等缝纫机等搅拌机搅拌机钢料输送机钢料输送机2.2.双曲柄机构双曲柄机构(1)(1)特点：能将等角速度转动转变为周特点：能将等角速度转动转变为周期性的变角速度转动。期性的变角速度转动

5、。 两连架杆均是曲柄两连架杆均是曲柄 (2)(2)应用实例：应用实例：（单击图片演示动作单击图片演示动作）惯性筛机构惯性筛机构(3)(3)双曲柄机构的特例双曲柄机构的特例特点：两曲柄转向相同且角速度相等，连杆作平动 特点：两曲柄转向相反、角速度不相等应用实例：（单击图片演示动作）应用实例：（单击图片演示动作）机车车轮升降平台车门平行四边形机构：平行四边形机构：四杆中对边杆两两相等且相互平行反平行四边形机构：反平行四边形机构：四杆中对边杆两两相等，但连杆与机架不平行3.3.双摇杆机构双摇杆机构(1)(1)特点：将主动摇杆的往复摆动经连特点：将主动摇杆的往复摆动经连杆转换为从动摇杆的往复摆动。也可

6、将杆转换为从动摇杆的往复摆动。也可将连杆的整周转动转换为两摇杆的往复摆连杆的整周转动转换为两摇杆的往复摆动。动。(2)(2)应用实例：应用实例：（单击图片演示动作单击图片演示动作）两连架杆均是摇杆两连架杆均是摇杆起重机起重机车辆转向机构车辆转向机构二、铰链四杆机构类型的判断二、铰链四杆机构类型的判断（1 1）最短杆与最长杆的长度之和，小于）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；或等于其余两杆长度之和；（2 2）连架杆和机架中必有一个是最短杆。）连架杆和机架中必有一个是最短杆。 铰链四杆机构的类型与机构中是否存在曲柄有关，因此研铰链四杆机构的类型与机构中是否存在曲柄有关，因此研究

7、铰链四杆机构的类型首先需研究存在曲柄的条件。究铰链四杆机构的类型首先需研究存在曲柄的条件。1.铰链四杆机构存在曲柄的条件可以论证，铰链四杆机构存在曲柄的条件是：可以论证，铰链四杆机构存在曲柄的条件是： 只有两条件同只有两条件同时满足时，时满足时，该该连架杆连架杆才成为才成为曲柄。曲柄。铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和，则不论取何杆为机架时均无曲柄存在，而只能得杆长度之和，则不论取何杆为机架时均无曲柄存在，而只能得双摇杆机构双摇杆机构。2.铰链四杆机构类型的判断铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和小于或等于铰

8、链四杆机构中，若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，则其余两杆长度之和时，则取与最短杆相对的杆为机架时，得取与最短杆相对的杆为机架时，得双摇杆机构双摇杆机构, ,演示演示。取最短杆的相邻杆为机架时，得取最短杆的相邻杆为机架时，得曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构, ,演示演示；取最短杆为机架时，得取最短杆为机架时，得双曲柄机构双曲柄机构, ,演示演示；由此可知，（，（1 1）各杆长度保持不变，取铰链四杆机构中）各杆长度保持不变，取铰链四杆机构中不同构件作机架，将成为不同类型的机构。不同构件作机架，将成为不同类型的机构。演示演示（2 2）改变各杆长度，铰链四杆机构类型也将改变。判断演示）

9、改变各杆长度，铰链四杆机构类型也将改变。判断演示第二节平面第二节平面四杆机构的演化四杆机构的演化演化方法演化方法4.4.扩大回转副扩大回转副 各种四杆机构，都是从铰链四杆演化而来的。了解四杆机构各种四杆机构，都是从铰链四杆演化而来的。了解四杆机构的演化，对机构分析和机构创新很有帮助。的演化，对机构分析和机构创新很有帮助。 一、四杆机构的演化一、四杆机构的演化 1.1.变更机架变更机架2.2.改变各杆件长度改变各杆件长度3.3.用移动副取代回转副用移动副取代回转副在上节已讨论在上节已讨论1.用移动副取代回转副ABCRABCR曲柄滑块机构曲柄滑块机构RABCD当曲柄AB绕轴A回转时，铰链C将沿圆弧

10、往复运动 将摇杆CD作成滑块形式，此时铰链四杆机构已演化为具有曲线导轨的曲柄滑块机构 将曲线导轨半径增至无穷大，则铰链C及滑块的运动轨迹将变为直线，铰链四杆机构将演化成为曲柄滑块机构 C点的运动轨迹未发生改变这时杆1（销钉）看上去是一个“圆盘”，它与机架的转动中心仍在A处，杆1实际上成了一个偏心轮这种结构尺寸的演化并没有影响机构的运动性质 杆2端部做成与圆盘配合的大套环，与杆1形成的转动副中心仍在圆盘几何中心处滑块的工作行程(左右极限位置的距离)S=2r,要求S很小时，曲柄长度r也很小。要在很短的曲柄两端设计两个转动副，曲柄强度受到限制为此，将B铰处的小销钉的半径扩大 扩大至超过曲柄长度r2.

11、2.转动副的销钉扩大转动副的销钉扩大二、含有一个移动副的平面四杆机构二、含有一个移动副的平面四杆机构 含有移动副含有移动副的平面四杆的平面四杆机构机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 曲柄导杆机构曲柄导杆机构 曲柄摇块机构曲柄摇块机构 移动导杆机构移动导杆机构 1.曲柄滑块机构曲柄滑块机构 铰链四杆机构中，扩大转动副，使转动铰链四杆机构中，扩大转动副，使转动副变成移动副演化而成。副变成移动副演化而成。根据滑块往复移动根据滑块往复移动的导路中心线是否的导路中心线是否通过曲柄转动中心，通过曲柄转动中心，曲柄滑块机构可分曲柄滑块机构可分为：为：对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机

12、构(1)(1)特点：可以实现转动和往复移动的变换。特点：可以实现转动和往复移动的变换。(2)(2)应用实例：应用实例：（单击图片演示动作单击图片演示动作）活塞式内燃机活塞式内燃机2. 2. 曲柄导杆机构曲柄导杆机构 导杆机构可以视为改变曲柄滑块机构中的机架演变而成。在图示的曲柄滑块机构中，如果把杆件2固定为机架，此时构件1起引导滑块移动的作用，称为导杆。 构件3都作整周转动，成为曲柄。1234(a) 曲柄滑块机构 (c) 摆动导杆机构 23413124 (b) 转动导杆机构 导杆若 ，导杆1作往复摆动，称为摆动导杆机构。摆动导杆机构。 23ll若 ，导杆1作整周运动，称为转动导杆机构转动导杆机

13、构23ll曲柄导杆机构应用实例曲柄导杆机构应用实例插床机构（转动导杆机构）插床机构（转动导杆机构）牛头刨床的机构（摆动导杆机构牛头刨床的机构（摆动导杆机构） 取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当曲柄2为原动件转动时，滑块4绕机架3上的铰链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构曲柄摇块机构或称为摆动滑摆动滑块机构块机构。 3.3.曲柄摇块机构曲柄摇块机构 广泛应用于各种摆动式原动广泛应用于各种摆动式原动机和工作机中。机和工作机中。1234(b)曲柄摇块机构（单击图片显示运动）应用实例：应用实例：汽车车箱自动翻转卸料机构汽车车箱自动翻转卸料机构1234(a) 曲柄滑块机构 取曲柄滑块机构中的滑块

14、4为机架而得到的。当曲柄2转动时，导杆1可在固定滑块4中往复移动，故该机构称为移动导杆机构移动导杆机构（或定块机构定块机构）。4.4.移动导杆机构移动导杆机构应用实例：应用实例：1234(a) 曲柄滑块机构 1234(b)移动导杆机构手压抽水机手压抽水机第三节四杆机构的基本性质第三节四杆机构的基本性质 一、急回特性一、急回特性 机构的急回特性：机构的急回特性：原动件作匀速转动，从动件作往复运动时，空回行程的速度比工作行程的速度大的特性。1.1.极位夹角极位夹角：（以曲柄摇杆机构为例，运动演示） 对应从动杆的两个极限位置, 主动件两相应位置所夹锐角。2.分析：AB1 AB2 ：AB的转角 C点摆

15、过弧长 (C1 C2) 工作行程 C1C2时间 t1 C 的平均速度 tCCv1211AB2 AB1：t2 C2C1(C2 C1)回程tCCv2212 曲柄作匀速转动tt2121t11t22 1800118002 t1 t2 v1v2 取C1 C2 为工作行程，故回程速度大急回特性急回特性 C2 C1 为回程，3.3.行程速度变化系数行程速度变化系数 指空程速度与工作行程速度的比值指空程速度与工作行程速度的比值急回强弱的度量，即：急回强弱的度量，即：K =K =180 + 180 + 180 - 180 - K K值的大小反映了急回运动特性的显著程度。值的大小反映了急回运动特性的显著程度。K

16、K值的大小取决于值的大小取决于极位夹角极位夹角 ， 角越大，角越大，K K值越大，急回运动特性越明显值越大，急回运动特性越明显；反之，；反之，则愈不明显。当时则愈不明显。当时 ，K=1 K=1 ，机构无急回特性。，机构无急回特性。 0 180180002112121212tcctccvvk4.4.其它机构急回特性分析其它机构急回特性分析（）对心曲柄滑块机构ABIC1B2 C2，无急回特性0（2）偏置曲柄滑块机构0，有急回特性2341（3）摆动导杆机构 0，有急回特性利用四杆机构的急回特性可节省空回行程的时间。如刨床的刨刀在切削时，为保证切削质量而速度较慢；回刀时刀具不切削，利用四杆机构的急回特

17、性使速度快些，提高生产效率。11180KK若在设计机构时先给定若在设计机构时先给定K K值，则值，则 :二、压力角与传动角二、压力角与传动角costFFsinnFF压力角愈小（传动角愈大），有效分力压力角愈小（传动角愈大），有效分力t t 越大，机构的传力越大，机构的传力效果愈好效果愈好。所以，可用压力角、传动角是衡量机构传力性能的标。所以，可用压力角、传动角是衡量机构传力性能的标志。志。 CvtFnFF压力角压力角：从动件上某点的受：从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方力方向与从动件上该点速度方向所夹的锐角。向所夹的锐角。 传动角传动角: :压力角的余角。即压力角的余角。即连杆与从动件

18、间所夹的锐角。连杆与从动件间所夹的锐角。 min机构运转过程中，传动角是变化的，机构出现最小传动角的位机构运转过程中，传动角是变化的，机构出现最小传动角的位置正好是传力效果最差的位置，也是检验其传力性能的关键位置。置正好是传力效果最差的位置，也是检验其传力性能的关键位置。 设计要求：设计要求：5040min运动演示有害分力 有效分力 曲柄摇杆机构，以曲柄为原动件曲柄摇杆机构，以曲柄为原动件时，其最小传动角发生在曲柄与时，其最小传动角发生在曲柄与机架两次共线位置之一。机架两次共线位置之一。 minABCD.曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小

19、传动角min 曲柄滑块机构，以曲柄为原动件曲柄滑块机构，以曲柄为原动件时，最小传动角出现在曲柄与滑块时，最小传动角出现在曲柄与滑块导路垂直的位置，且在曲柄位于与导路垂直的位置，且在曲柄位于与偏距相反方向一侧时的位置偏距相反方向一侧时的位置 。2.曲柄滑块机构的最小传动角曲柄滑块机构的最小传动角曲柄滑块机构的最小传动角曲柄滑块机构的最小传动角运动中，BCD中， 角随边变化而变化摆动导杆机构的最小传动角摆动导杆机构的最小传动角 摆动导杆机构，曲柄为原动件摆动导杆机构，曲柄为原动件时，由于在任何位置时主动曲柄时，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，通过滑块传给从动杆的力的方向，与从

20、动杆上受力点的速度方向始与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以终一致，所以传动角始终等传动角始终等于于9090，这说明导杆机构具有很，这说明导杆机构具有很好的传动性能。好的传动性能。3.摆动导杆机构的最小传动角摆动导杆机构的最小传动角F,vC=900三、死点三、死点 0连杆与从动件共线的位置，即传动角连杆与从动件共线的位置，即传动角 （即（即 ）的位置称为死点位置。）的位置称为死点位置。 90机构处于死点位置，从动机构处于死点位置，从动件会出现件会出现卡死卡死（机构自锁）（机构自锁）或或运动方向不确定运动方向不确定的现象。的现象。 措施和应用措施和应用. .夹紧、压紧机构：利用死点位置。夹紧、压紧机构：利用死点位置。.传动机构：消除死点位置的停顿和运动不确定的现象。传动机构：消除死点位置的停顿和运动不确定的现象。（