第8章 平面连杆机构及其设计

1、第8章 平面连杆机构及其设计8-1 8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点8-2 8-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用8-3 8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识8-4 8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计8-5 8-5 多杆机构多杆机构8-1 8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点n由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称由若干个刚性构件通过低副连接而成的平面机构称为为连杆机构连杆机构，又称为，又称为平面低副机构。平面低副机构。四杆机构摆动导杆机构n抽油机中的连杆机构抽油机中的连杆机构抽油机内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机

2、构内燃机缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构缝纫机平面连杆机构的传动优点平面连杆机构的传动优点n1 1）平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，）平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。损小。n2 2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。不同的运动规律。n3 3）通过改变各构件的相对长度可得到不同轨迹。）通过改变各构件的相对长度可得到不同轨迹。n4

3、4）制造方便易获得较高的精度。）制造方便易获得较高的精度。n5 5）两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系）两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，不需要力封闭。的，不需要力封闭。平面连杆机构的缺点平面连杆机构的缺点n1 1）不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹）不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求；当机构复杂时累计误差较大，同时的要求；当机构复杂时累计误差较大，同时使机械效率降低，也影响其传动精度。使机械效率降低，也影响其传动精度。n2 2）惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。）惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。平面连杆机构设计的三类基本问题平面连杆机构设计的三类基本问题1）实

4、现构件给定位置）实现构件给定位置2）实现已知运动规律）实现已知运动规律3）实现已知运动轨迹）实现已知运动轨迹平面连杆机构的运动设计方法：平面连杆机构的运动设计方法：图解法：图解法：形象直观，形象直观，但精度较低但精度较低解析法：解析法：设计精度高，设计精度高，但不直观。但不直观。 低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不低副所联接的两个构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称因其中哪个构件是固定件而改变，这一特性称为低副运动的可逆性。为低副运动的可逆性。补：低副运动的可逆性补：低副运动的可逆性8-2 8-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用1.1.四杆机

5、构的基本型式四杆机构的基本型式 铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运动副均为动副均为转动副转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。时的四杆机构为铰链四杆机构。 构件名称构件名称连架杆连架杆：与机架相连的构件称为连架杆。：与机架相连的构件称为连架杆。连架杆连架杆机架机架连架杆连架杆连杆连杆机架机架：固定不动的构件称为机架。：固定不动的构件称为机架。连杆连杆：不直接与机架相连的构件称为连杆。：不直接与机架相连的构件称为连杆。四杆机构整转副（周转副）整转副（周转副）组成转动副的两构件能作整周相对转动的运组成转动副的两构件能作整周相对转动的运动副。动副。摆动副（摆

6、转副）摆动副（摆转副）组成转动副的两构件不能相对作整周转动的组成转动副的两构件不能相对作整周转动的运动副。运动副。能绕其轴线转能绕其轴线转360的的连架杆连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。连架杆。 曲柄曲柄摇杆摇杆连架杆连架杆铰链四杆机构可分为三种基本型式：铰链四杆机构可分为三种基本型式：（1）曲柄摇杆机构：）曲柄摇杆机构：1个曲柄、个曲柄、1个摇杆个摇杆（2）双曲柄机构：）双曲柄机构：2个曲柄个曲柄（3）双摇杆机构：）双摇杆机构：2个摇杆个摇杆（1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构： 若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，另一

7、为摇杆，则此四杆机构称为另一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机曲柄摇杆机构。构。曲柄摇杆曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用雷达天线机构搅拌机机构（2 2）双曲柄机构）双曲柄机构在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为此四杆机构称为双曲柄机构双曲柄机构。双曲柄机构双曲柄机构的应用双曲柄机构的应用惯性筛机构 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。a.a.平行四边形机构：平行四边形机构：平心四边行机构平行四边形机构的应用平行

8、四边形机构的应用蒸汽机车驱动装置 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行但不平行(BC(BC与与AD)AD)，两曲柄转向相反（，两曲柄转向相反（ABAB与与CDCD），称为反平行四边形机构。），称为反平行四边形机构。b.b.反平行四边形机构：反平行四边形机构：反平行四边形机构车门开闭机构（3 3）双摇杆机构）双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为则此四杆机构称为双摇杆机构双摇杆机构。 双摇杆机构双摇杆机构的应用双摇杆机构的应用鹤式起重机机构2.2.平面四杆机构的演化型式平面四杆机构的演化型式

9、（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 （改变杆的相对长度，使转动副变为移动副）（改变杆的相对长度，使转动副变为移动副）n 曲柄滑块机构曲柄滑块机构C3AB124e偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 （ e 0)e 0)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 (e = 0)(e = 0)对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构变连杆变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

10、副演化而来含两个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构曲柄移动导杆机构（曲柄移动导杆机构（正弦机构）sinas联轴器双转块机构双滑块机构双滑块机构应用双滑块机构应用 缝纫机针杆机构椭圆仪机构ly正切机构y=l tg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AB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离几何中心与回转中心间的距离称为称为偏心距，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

11、曲柄长（2）改变运动副的尺寸（偏心轮机构）改变运动副的尺寸（偏心轮机构）偏心轮机构变化铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架(0360)(0360)(360)(360)1234ABCD双曲柄机构双曲柄机构(0360)(0360)(360)(360)1234ABDC双摇杆机构双摇杆机构(0360)(0360)(360)1234ABCD(BC(ABBC)转动导杆机构（ABeba+ebae当 e=0时 ba2.行程速度变化系数行程速度变化系数（1）. 机构极位（机构极位（极限位极限位置）置）：曲柄回转一周，与连：曲柄回转一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别杆两次共线，此时摇杆分别处于两个位置，称为机

12、构极处于两个位置，称为机构极位。位。（2）. 极位夹角：机构在两极位夹角：机构在两个极位时，原动件所处两个个极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角位置之间所夹的锐角称为极称为极位夹角。位夹角。实际上，极位夹角不一定是实际上，极位夹角不一定是锐角。锐角。一般一般K2，q q为锐角。为锐角。（3）. 急回运动：急回运动：q180121DCDCq180221DCDC121t2t 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急回运动。机构的这种运动性质称为急回运动。摇杆摇杆C点平均速度点平均速度2v1v曲柄摇杆机构急回

13、qq00212112122112180180/tttCCtCCvvK（4）. 行程速比系数行程速比系数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来衡量：来衡量：q q角愈大，角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著。值愈大，急回运动性质愈显著。一般一般K2，q q为锐角为锐角11-1800KKqAB2C2B1C1e21qw1曲柄滑块机构曲柄滑块机构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，有急回运动对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构的比较对心曲柄滑

14、块偏置曲柄滑块摆动导杆机构的急回运动摆动导杆机构的急回运动ADBq=12w1摆动导杆机构有急回特性的机构：有急回特性的机构：部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、部分曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构摆动导杆机构、具有曲柄的多杆机构无急回特性的机构：无急回特性的机构：正弦机构、对心曲柄滑块机构、平行四正弦机构、对心曲柄滑块机构、平行四边形机构边形机构机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。注意：注意：急回具有方向性急回具有方向性gFtFFnvcgADBCB2C2maxB1C1min3.铰链四杆机构的传动角和死点铰链四杆

15、机构的传动角和死点（1）压力角和传动角）压力角和传动角机构压力角机构压力角 机构从动件上机构从动件上力的作用线与力作用点的绝对速力的作用线与力作用点的绝对速度之间所夹的锐角度之间所夹的锐角，即机构在此位置的压力角，即机构在此位置的压力角 。传动角传动角g g： 机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角。机构压力角的余角称为机构在此位置的传动角。g 90 机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。5040ming；，；，gg设计时 g40高速和大功率 g50n机构在运转过程中，传动角机构在运转过程中，传动角 随机构的位随机构的位置不同而变

16、化，为保证置不同而变化，为保证机构的传力效果，机构的传力效果， 40mingg压力角bcadcb2)(arccos2221g)90(2)(arccos222222DCBbcadcbg曲柄摇杆机构：曲柄摇杆机构： g gmin出现在曲柄与机出现在曲柄与机架共线的两位置之一。架共线的两位置之一。最小传动角的位置：最小传动角的位置：)90(2)(arccos180222222DCBbcadcbg或),min(21mingggbaeggmin补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时，补：在偏置曲柄滑块机构中，当原动件为曲柄时， g gmin出现出现的位置。的位置。beaeaxxbxarccoscos

17、minmaxggg最小。最大时，当 x（2）死点）死点B1C1B2C2ADBC 曲柄摇杆机构：若以摇杆曲柄摇杆机构：若以摇杆CD为主动件，则当为主动件，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上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件上的力恰好通过其回转中心，出现不能使构件AB转动而转动而“顶死顶死”的现象，机构的这种位置称为死点。的现象，机构的这种位置称为死点。曲柄滑块机构的死点位置曲柄滑块机构的死点位置出现死点位置的条件：出现死点位置的条件：（1）用有极限位置的构件作原动件；）用有极限位置的构件作原动件；

18、（2）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。）当原动件处于极限位置时，连杆与从动件共线。判断下列机构中有没有死点位置。判断下列机构中有没有死点位置。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：措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其措施一：采用将两个以上的并列机构错位组合的方法，即使当其中一个机构处于死点位置时，另一个并列机构不处于死点位置。中一个机构处于死点位置时，另一个并列机构不处于死点位置。措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，措施二：采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过通过死点位置。借惯性作用使机构闯过通过死点位置。机车车轮联动机构机车

19、车轮联动机构缝纫机脚踏板机构缝纫机脚踏板机构利用死点实现特定工作要求的机构示例：利用死点实现特定工作要求的机构示例：工件夹紧机构飞机起落架机构机构的极位和死点位置的关系：机构的极位和死点位置的关系：是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同；当原动件与连杆共线时为极位；当原动件与连杆共线时为极位；当从动件与连杆共线时为死点。当从动件与连杆共线时为死点。4.铰链四杆机构的连杆曲线铰链四杆机构的连杆曲线连杆平面上的每一点描述出一条曲线称为连杆曲线。连杆平面上的每一点描述出一条曲线称为连杆曲线。搅拌机机构搅拌机机构单直线形单直线形拉胶片拉胶片5.铰

20、链四杆机构的运动连续性铰链四杆机构的运动连续性指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置。指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各个位置。曲柄摇杆机构例例11、连杆设计的基本问题、连杆设计的基本问题8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计平面连杆机构设计的三类基本问题平面连杆机构设计的三类基本问题1）满足预定的连杆位置要求）满足预定的连杆位置要求2）满足预定的运动规律要求）满足预定的运动规律要求3）满足预定的轨迹要求）满足预定的轨迹要求鹤式起重机机构鹤式起重机机构搅拌机搅拌机ABCDc12b12a. 分析分析几何特点：几何特点：活动铰活动铰链轨迹圆上任意两点连线的链轨迹圆上任意

21、两点连线的垂直平分线必过回转中心垂直平分线必过回转中心(固定铰链点固定铰链点)。b. 设计设计B1B2C1C22、作图法设计四杆机构、作图法设计四杆机构 图解法：直观、简单、快捷。图解法：直观、简单、快捷。 解析法：精确，但不直观。解析法：精确，但不直观。（1 1）按连杆预定的位置设计四杆机构）按连杆预定的位置设计四杆机构 1 1）已知活动铰链中心的位置）已知活动铰链中心的位置C1C2B1B2b12c12A点所在线点所在线D点所在线点所在线AD 已知连杆两位置已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置已知连杆三位置B2ADC2C3B3b23c23C1B

22、1b12c23 唯一解唯一解 已知连杆四位置已知连杆四位置 无解无解B2C2C3B3C1B1C4B42）. 已知固定铰链中心位置已知固定铰链中心位置（连杆位置用连杆平面上任意两点表示）（连杆位置用连杆平面上任意两点表示）a. 问题问题（已知连杆位置及固定铰链找活动铰链已知连杆位置及固定铰链找活动铰链采采用转换机架法，把用转换机架法，把EF看做机架）看做机架）b. 相对运动分析相对运动分析站在机架上看：站在机架上看：B点饶点饶A点点顺时针顺时针转动，转动，C点饶点饶D点点顺时针顺时针转动。转动。站在连杆上观察：站在连杆上观察：从位置从位置1到位置到位置2，C2B2E1DF2E2F1AB1C1AB

23、C增大，增大， BCD减小，即减小，即A点饶点饶B点点顺时针顺时针转动，转动，D点饶点饶C点点顺时针顺时针转动。转动。(avi)(avi)连杆运动1连杆运动2E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1F2E2F1B1C1B2C2ADA2D2d12a12(avi)c. 设计设计 两对应位置两对应位置E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1ADE2F1F2A1D1B1C1C2B2 三对应位置三对应位置E1ADE2F1F2C2B2F3A2D2E3B1C1a23a12d12d23设计步骤：设计步骤：1. 连接连接E3A、F3D 、E2A、F2D(或或E1A、F1D ）；）；2. 刚化刚化E3F3DA 、E2F2DA(或或E1F1DA)，3.并将并将E3F3 和和E2F2分别分别重合于重合于E1F1 ，得到，得到A3、D3 和和 A2 、D2 点；点；5.连接连接AB1、DC1、B1C1、B1E1和和C1F1得所需机构。得所需机构。4.连接连接AA2 、A2A3 、DD2 和和D2D3 、并分别作其垂直平分线，得交点并分别作其垂直平分线，得交点 B1和和C1；6.根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。A3D3（2）. 按两连架杆预定的对应角位移设计四杆机构按两连架杆预定的对应角位移设