第5章平面连杆机构及其设计

1、第第5 5章章 平面连杆机构设计平面连杆机构设计5-15-1平面平面连接机构的特点与连接机构的特点与基本型式基本型式5-25-2平面连杆机构平面连杆机构的的工工作特性作特性5-3 5-3 平面连杆机构的设平面连杆机构的设计计 主主 要要 内内 容容各构件的运动平面重合或相互平行的连杆机构各构件的运动平面重合或相互平行的连杆机构四杆机构四杆机构1.平面连杆机构的定义平面连杆机构的定义结构最简单结构最简单应用最广泛应用最广泛五杆机构五杆机构六杆机构六杆机构2.连杆机构的特点连杆机构的特点1)1) 结构简单、易于制造、成本低廉。结构简单、易于制造、成本低廉。2)2) 是低副连接的机构，故承载能力大。

2、是低副连接的机构，故承载能力大。3)3) 连杆机构可实现运动规律与运动轨迹的多样化。连杆机构可实现运动规律与运动轨迹的多样化。4)4)可进行远距离的传动。可进行远距离的传动。5)5)连杆机构不宜应用在高速运转场合。连杆机构不宜应用在高速运转场合。挖掘机挖掘机 连杆机构应用十分广泛，但不适用于高速传动。连杆机构应用十分广泛，但不适用于高速传动。挖掘机挖掘机 破碎机破碎机 连杆机构应用十分广泛，但不适用于高速传动。连杆机构应用十分广泛，但不适用于高速传动。惯性筛惯性筛搅拌机搅拌机 抓片机抓片机 3. 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，其它四杆机构

3、都是由它演变得到的，其它四杆机构都是由它演变得到的名词解释：名词解释：曲柄曲柄作整周定轴回转的构件；作整周定轴回转的构件；连杆连杆不与机架相连的构件；不与机架相连的构件；连架杆连架杆与机架相联的构件；与机架相联的构件；摇杆摇杆作定轴摆动的构件；作定轴摆动的构件；周转副周转副可可360360度相对回转的运动副；度相对回转的运动副；摆转副摆转副只能作有限角度摆动的运动副。只能作有限角度摆动的运动副。连连杆杆机架机架曲柄曲柄摇杆摇杆湘潭大学专用湘潭大学专用三种基本型式：三种基本型式：（1 1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构特征：特征：曲柄摇杆曲柄摇杆作用：作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达

4、天线。将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。ABDC12432143124雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构(1)(1)曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用抓片机抓片机抽油机抽油机(1) (1) 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用搅拌机搅拌机送料机构送料机构(1) (1) 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用玩具乌龟玩具乌龟刮雨刷刮雨刷(1) (1) 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用湘潭大学专用湘潭大学专用（2 2）双曲柄机构双曲柄机构特征特征：两个曲柄：两个曲柄作用：将等速回转转变为作用：将等速回转转变为等速等速或或变速变速回转。如回转。如惯性筛惯

5、性筛等。等。湘潭大学专用湘潭大学专用ABDC1234E6耕地耕地料斗料斗DCAB实例：实例：火车轮火车轮惯性筛机构惯性筛机构特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB = CD特征：特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动两连架杆等长且平行，连杆作平动香皂成型机。香皂成型机。BC = ADABCD31BCABDC耕地耕地料斗料斗DCAB、摄影平台摄影平台ADBC、天平天平、播种机料斗机构播种机料斗机构反平行四边形机构反平行四边形机构-车门开闭机构车门开闭机构反向反向(2) (2) 双曲柄机构的应用双曲柄机构的应用惯性筛惯性筛插床机构插床机构摄影机升降台摄影机升降台天平机构天平机构汽车车门开闭机构

6、汽车车门开闭机构汽车车门开闭机构汽车车门开闭机构CAFBB1E1EDC1F1湘潭大学专用湘潭大学专用ABDCE（3 3）双摇杆机构双摇杆机构特征：特征：两个摇杆两个摇杆应用举例：应用举例：铸造翻箱机构铸造翻箱机构特例：特例：等腰梯形机构汽车转向机构等腰梯形机构汽车转向机构、风扇摇头机构风扇摇头机构ABDCBCABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆ABDCEABDCE鹤式起重机鹤式起重机(3) (3) 双摇杆机构的应用双摇杆机构的应用炉门启闭机构炉门启闭机构大型翻型机大型翻型机若两摇杆若两摇杆长度相等长

7、度相等等腰梯形机构等腰梯形机构汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构4.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式(1) (1) 改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构ss=l sin 曲柄滑块机构的应用曲柄滑块机构的应用汽车车门开闭机构汽车车门开闭机构内燃机机构内燃机机构(2)(2)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架偏心轮机构偏心轮机构导杆机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲

8、柄滑块机构摆动导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构小型刨床小型刨床牛头刨床牛头刨床应用实例应用实例ABDCE123456ABDC1243C2C1(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架摇块机构摇块机构314A2BC导杆机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构ACB1234应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架摇块机构摇块机构314A2BC导杆机构导杆机构314A2B

9、C314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构ACB1234应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B(3)(3)选不同的构件为机架选不同的构件为机架摇块机构摇块机构314A2BC导杆机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构曲柄滑块机构314A2BC直动滑杆机构直动滑杆机构手摇唧筒手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：-机构的倒置机构的倒置BC3214AABC3214(4)

10、(4)运动副元素的逆换运动副元素的逆换将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响两将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响两构件之间的相对运动。构件之间的相对运动。椭圆仪机构椭圆仪机构例：选择双滑块机构中的不同构件例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构作为机架可得不同的机构导杆机构导杆机构摇块机构摇块机构正弦机构正弦机构3214123443213214转动导杆机构转动导杆机构 摆动导杆机构摆动导杆机构 机架长机架长 曲柄长曲柄长机架长机架长 Li+Lj），且能形成封闭形：），且能形成封闭形：1） 0LCD 40 ：2） 40LCD 80 ：3) 80LCD170 ：10

11、LCD7090 LCD170综合：当综合：当10 LCD40+5040+8050+LCD40+ LCD80+50 70 LCD 80 80LCD90 10LCD40 40LCD70 90LCD1703) 80LCD170 ：1） 0LCD 40 ：2.急回特性(Quick-return Motion)ABCDB2C2 B1C1AD 极限位置极限位置1 1连杆与曲柄拉伸共线连杆与曲柄拉伸共线极限位置极限位置2 2连杆与曲柄重叠共线连杆与曲柄重叠共线极位夹角极位夹角(Crank angle between two limit positions) 从动件处于两极限位置时，原动件在对应位置所夹从动件

12、处于两极限位置时，原动件在对应位置所夹的锐角。的锐角。 工作行程工作行程(慢行程慢行程)曲柄转过曲柄转过180 ，摇杆摆角，摇杆摆角 ，耗时，耗时t1180 180 返回行程返回行程(快行程快行程)曲柄转过曲柄转过180 ，摇杆摆角，摇杆摆角 ，耗时，耗时t2180180/2111222112tttCCtCCvvK 设计具有急回要求的机构时，应先确定设计具有急回要求的机构时，应先确定K值，再计算值，再计算 。18011 KK B2C2 B1C1AD 180- 180+ 行程速度变化系数行程速度变化系数(Coefficient of travel speed variation)31对心曲柄滑块

13、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构 曲柄滑块机构的极位夹角曲柄滑块机构的极位夹角 有急回有急回 无急回无急回摆动导杆机构的极位夹角摆动导杆机构的极位夹角 AD=0BBCC1122max注意：具有特定尺寸的曲柄摇杆机构可能注意：具有特定尺寸的曲柄摇杆机构可能无急回运动无急回运动，即：，即：=0、K=1， C1C2 = 2AB。曲柄摇杆机构一定有急回吗曲柄摇杆机构一定有急回吗? 压力压力角越小，传动角越大，角越小，传动角越大，对机构的传动越有利。对机构的传动越有利。连杆机构中，常用传动角的大小及变化情况来衡量机构连杆机构中，常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能的优劣。传

14、力性能的优劣。 F F F 3. 压力角和传动角ABDC传动角传动角 压力角的余角。压力角的余角。压力角压力角 作用在从动件上的力作用在从动件上的力的方向与着力点速度方向的方向与着力点速度方向所夹锐角。所夹锐角。通常通常 min 40对于高速和大功率传动机械对于高速和大功率传动机械 min 50vAABCDBCD FrFCVFtVCF 机构中，最小机构中，最小传动角在哪里传动角在哪里? ?最小最小传动角出现在曲柄与机架两次共线位置之一。传动角出现在曲柄与机架两次共线位置之一。传动角传动角 出现极小值的计算出现极小值的计算C1B1abcdDA 1 2bcadcb2)(arccos2221 min

15、=min 1, 2B2C2曲柄滑块机构的最小传动角在何处？如何计算？曲柄滑块机构的最小传动角在何处？如何计算？abemmax曲柄滑块机构的最小传动角在何处？如何计算？曲柄滑块机构的最小传动角在何处？如何计算？bea arccosminmin4. 死点位置F = 0 连杆与曲柄在两个共线位置时，连杆与曲柄在两个共线位置时，主动件摇杆主动件摇杆通过连杆作通过连杆作用于用于从动件曲柄从动件曲柄上的力上的力F 通过其回转中心，通过其回转中心， 0，曲柄不能，曲柄不能转动。转动。F = 0不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上产生有效分力的机构位

16、置，称为机构的产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置死点位置。(Dead point)主动件的主动件的两个极限位两个极限位置置1 1）曲柄摇杆机构：出现在以）曲柄摇杆机构：出现在以摇杆摇杆为原动件，为原动件，连杆连杆与与从动从动曲柄曲柄共线的两位置；共线的两位置；2 2）曲柄滑块机构：出现在以）曲柄滑块机构：出现在以滑块滑块为原动件，为原动件，连杆连杆与与从动从动曲柄曲柄共线的两位置；共线的两位置；3 3）摆动导杆机构：出现在以）摆动导杆机构：出现在以导杆导杆为原动件，为原动件，导杆导杆与与从动从动曲柄曲柄垂直的两位置。垂直的两位置。死点出现的位置：死点出现的位置：死点可能出现的现象死点可

17、能出现的现象运动卡死运动卡死机构运动不确定机构运动不确定死点可能出现的现象死点可能出现的现象运动卡死运动卡死机构运动不确定机构运动不确定1)1)加虚约束克服反转加虚约束克服反转 克服死点的措施克服死点的措施2)2)加飞轮依靠习惯性顺利通过死点加飞轮依靠习惯性顺利通过死点 3)3)相同机构错位排列相同机构错位排列 火车联动机构火车联动机构ABDC死点位置的利用死点位置的利用自锁夹具自锁夹具ABCDFF 0飞机起落架飞机起落架死点位置的利用之三死点位置的利用之三 到目前为止，平面连杆机构设计只考虑了机构的运动尺寸，到目前为止，平面连杆机构设计只考虑了机构的运动尺寸，还未考虑构件的材料、结构、强度等

18、一系列因素。因此这种设计还未考虑构件的材料、结构、强度等一系列因素。因此这种设计通常叫做综合。通常叫做综合。 综合的要求可归纳为二大类综合的要求可归纳为二大类2 2）实现给定的运动曲线）实现给定的运动曲线1 1）实现给定的运动规律）实现给定的运动规律1.1.概述概述SynthesisDesign 方法方法2 2）解析法）解析法1 1）图解法）图解法简单易懂、精度低、费时简单易懂、精度低、费时精度高，需借助计算机精度高，需借助计算机Motion generationPath generation1) 1)已知连杆的预定位置设计铰链四杆机构已知连杆的预定位置设计铰链四杆机构2. 2. 图解法设计四杆机构图解法设计四杆机构 Graphical