第5章-连杆机构分析11

1、第第5章章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计5.4 连杆机构设计概论连杆机构设计概论本章目录本章目录5.2 四杆机构的运动变换功能和性能指标四杆机构的运动变换功能和性能指标5.3 多杆机构多杆机构5.1 平面连杆机构的特点及应用平面连杆机构的特点及应用n连杆机构：连杆机构：全部构件都以低副联结而成的机构。n平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点n优点：优点：n1 1 能够实现多种形式的运动变换能够实现多种形式的运动变换n2 2 低副低副( (面接触）连接承载能力强，面接触）连接承载能力强，易加工易加工n3 3 运动副保证构件接触运动副保证构件接触, ,不需外力锁合不需外力锁合, ,工作可

2、靠，寿命长工作可靠，寿命长n缺点：缺点：n1 1 连杆机构平衡困难，尤其对于高速运转的机构连杆机构平衡困难，尤其对于高速运转的机构n2 2 运动传递路线较长，易产生累积误差运动传递路线较长，易产生累积误差。 平面连杆机构中最基本的、最常用的是四杆机构平面连杆机构中最基本的、最常用的是四杆机构 5.1 平面连杆机构的特点及应用平面连杆机构的特点及应用连续转动连续转动连续转动连续转动连续转动连续转动往复摆动往复摆动往复移动往复移动连续转动连续转动平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用插床工作机构插床工作机构叉车的举升机构叉车的举升机构连续转动连续转动往复移动往复移动引导一个构件按给定序列位置运动引导

3、一个构件按给定序列位置运动平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用传送装置的主体机构传送装置的主体机构使构件上指定点按预期轨迹运动使构件上指定点按预期轨迹运动平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用夹紧机构夹紧机构 铰链四杆机构铰链四杆机构 缝纫机针机构缝纫机针机构 平面连杆机构的应用平面连杆机构的应用实现给定轨迹实现给定轨迹 搅拌机搅拌机 AD机架机架(与机架相连的杆与机架相连的杆)(与机架相对的杆与机架相对的杆)BC连杆连杆 四杆机构的运动变换功能和性能指标四杆机构的运动变换功能和性能指标 铰接四杆机构：四个构件以四个转动副连接铰接四杆机构：四个构件以四个转动副

4、连接 而成的平面机构。而成的平面机构。ABCDAB、CD连架杆连架杆曲柄：连架曲柄：连架杆能绕固定轴线作整周转动者为曲柄。杆能绕固定轴线作整周转动者为曲柄。摇杆：连架摇杆：连架杆不能绕固定轴线作整周转动者为摇杆。杆不能绕固定轴线作整周转动者为摇杆。ABCD曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆机架机架整周转动副整周转动副整周转动副整周转动副非整周转动副非整周转动副非整周转动副非整周转动副5.2.1 铰接四杆机构铰接四杆机构整周转动副整周转动副整周转动副整周转动副非整周转动副非整周转动副非整周转动副非整周转动副双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构

5、曲柄摇杆机构(a)(b)(c)铰接四杆机构中曲柄存在条铰接四杆机构中曲柄存在条件件令令a d、 c b5.2.1.1曲柄整周转动，曲柄AB必须顺利通过与机架AD共线的两个位置AB1和 AB2。当曲柄处于AB2时，有： b(da)c abcdc(da)b acbdadbc 当曲柄处于AB1时，有：前三式两两相加可得： 转动副成为周转副的条件: : 2）组成周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆 , ,dacaba 1）最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其余两杆的长度和 杆长条件同时：max ( , ,)ab c d 其 余 两 杆 长 度 和llll minmax 即：即：最短杆为机架 双曲柄机

6、构最短杆为连杆 双摇杆机构 当当llll minmax 时：时：双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构当当llll minmax 时：时：最短杆为连架杆曲柄摇杆机构铰链四杆机构类型的判断方法：无论何杆为机架均为双摇杆机构。曲柄摇杆机曲柄摇杆机构构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构连续转动连续转动 往复摆动往复摆动满足曲柄存在条件。最短杆作连架杆。满足曲柄存在条件。最短杆作连架杆。1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构单击单击颚式破碎机构颚式破碎机构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构雷达天线机构雷达天线机构搅拌机机构搅拌机机构2) 双曲柄机构双曲柄机构等速转动等速转动 变速转动变速转动满足曲柄存在条件。最短杆

7、作机架。满足曲柄存在条件。最短杆作机架。2) 双曲柄机构双曲柄机构双曲柄机构的类型及应用3) 平行四边形机构平行四边形机构(双曲柄机构特例双曲柄机构特例 a = c；b = d) 联动装置应用联动装置应用等速整周转动等速整周转动 等速等速整周整周转动转动等速整周转动等速整周转动 非等速非等速整周整周转动转动平行四边形和反平行四边形平行四边形和反平行四边形机构在重叠共线位置具有运机构在重叠共线位置具有运动不确定性。动不确定性。4) 双摇杆机构双摇杆机构摆动摆动 摆动摆动满足杆长之和条件，最短杆的对边作机架；满足杆长之和条件，最短杆的对边作机架；若不满足杆长之和条件若不满足杆长之和条件, ,无论取

8、哪个构件作机架，都是双摇杆机构。无论取哪个构件作机架，都是双摇杆机构。4) 双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构的类型及应用曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构可看作曲柄滑块机构可看作由曲柄摇杆机构演化由曲柄摇杆机构演化而得。而得。ABCDABCeABC转动副转动副D的同性异形演化。的同性异形演化。e = 0, 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构0,e 5 具有移动副的四杆机构具有移动副的四杆机构1) 曲柄滑块机构（曲柄滑块机构（固定导杆）对心式：对心式：偏置式：偏置式：2) 曲柄摇块机构（曲柄摇块机构（固定与滑块相对转动的构件） 自卸货车自卸货车转动导杆机构转动导杆机

9、构3) 导杆机构导杆机构 (固定与滑块不相连的构件)摆动导杆机构摆动导杆机构导杆机构导杆机构摆动导杆摆动导杆转动导杆转动导杆导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来ABCABCABC曲柄滑块曲柄滑块变换机架变换机架摇块机构摇块机构导杆机构导杆机构移动副同性异形演化移动副同性异形演化4) 定块机构（定块机构（固定滑块） 全铰链四杆机构全铰链四杆机构单移动副四杆机构单移动副四杆机构双移动副四杆机构双移动副四杆机构例：例：图示铰链四杆机构，BC=50mm, CD=35mm, AD=30mm,AD为机架，若为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构， 试讨论AB的取值范围。 解解：AB

10、CD若为曲柄摇杆机构，则AB必为最短杆，由杆长条件得：AB+BCCD+AD所以，ABCDADBC=353050=15mm5.2.1.2 铰接四杆机构的急回特性问题铰接四杆机构的急回特性问题铰接四杆机构中只有曲柄摇杆机构可能存在急回特性。铰接四杆机构中只有曲柄摇杆机构可能存在急回特性。急回特性急回特性:原动件匀速连续回转，从动件往复运动速度不同的性原动件匀速连续回转，从动件往复运动速度不同的性质。我们说机构有急回特性。质。我们说机构有急回特性。ABCDABCDABCDAB1C2DB2C112M曲柄摇杆机构中，当摇杆处于极限位置时，曲柄摇杆机构中，当摇杆处于极限位置时，曲柄曲柄和和连杆连杆处于处于

11、延伸共线和重叠共线位置。延伸共线和重叠共线位置。机构极位曲柄与连杆两曲柄与连杆两次共线时的位置。次共线时的位置。极位夹角原动件曲柄在机原动件曲柄在机构极位时所夹的锐角构极位时所夹的锐角 。摆角从动件摇杆两极限从动件摇杆两极限位置的夹角位置的夹角 。曲柄摇杆机构的工作过程曲柄摇杆机构的工作过程 180 112转角逆、匀ABAB 12D CDC摆摆角 , 时间 t1 180 221转角逆、匀ABABDCDC21摆摆角 , 时间 t2 12且曲柄匀速 t1 t2 原动件匀速转动时, 从动件往复运动速度快慢不同。急急回运动回运动特性特性故：摇杆C点平均速度 2211tlvtlvcdcd212121tt

12、k急回系数急回系数Kk11kkB2AB1C2DC1M121k 从动件快行程速度从动件慢行程时间从动件慢行程速度从动件快行程时间5 145 ,1.2mk例：设计一曲柄摇杆机构，已知MC1C2D1. 选从动件处的固定铰链选从动件处的固定铰链D位置如图。位置如图。45m36.1618012 . 112 . 118011kk3. 求极位夹角求极位夹角可见，只需在固定平面上找到一点可见，只需在固定平面上找到一点A，使，使 ，A点即点即为曲柄转动中心，进而可以求出曲柄摇杆机构。为曲柄转动中心，进而可以求出曲柄摇杆机构。12C AC2. 任取从动件长度任取从动件长度c , 画出两极限画出两极限位置位置C1D

13、、C2D，其间夹角，其间夹角MC1C290MD1. 连接连接C1C2，做中垂线，做中垂线，在其上找到一点在其上找到一点M，使，使1290MC C2. 以以M为圆心，为圆心，MC1为半径为半径画圆，则圆上圆弧画圆，则圆上圆弧 所对应的圆心角所对应的圆心角12C C122C MC3. 则在此圆上任选一点则在此圆上任选一点A，都满足圆上圆弧都满足圆上圆弧 所对应的圆周角所对应的圆周角12C C12C ACA从动件长度从动件长度c、固定铰链位置、固定铰链位置A任选因此，本题的解有无穷多个！任选因此，本题的解有无穷多个！abAC1abAC2221ACACa221ACACbC1C2Mab M90MDAB1

14、B2根据根据 a 长确定动铰链长确定动铰链 B 的位置的位置不要忘记检验机构中是否存在曲柄！不要忘记检验机构中是否存在曲柄！5.2.1.3 压力角、传动角与死点压力角、传动角与死点1F 有功分量压力角：从动件上所受驱动力方向与力的作用点速度方向的夹角压力角：从动件上所受驱动力方向与力的作用点速度方向的夹角max F1F2vFABCD 40 50压力角越小，压力角越小，F 的有用功分量越大，传力性能越好。的有用功分量越大，传力性能越好。2F 无功分量机构运转过程中，压力角是时刻变化的。机构运转过程中，压力角是时刻变化的。 90传动角maxmin和传动角：连杆传动角：连杆 BC 与从动件与从动件

15、CD 之间的夹角之间的夹角CABDminCABDmaxADBCFv 40 504050min140130maxmaxmin出现在出现在曲柄曲柄与与机架机架延伸共线和重叠共线的位置延伸共线和重叠共线的位置90 (0 ) 机构处于或的位置称为死点位置死点死点:对于铰接四杆机构来说，死点是连杆与从动件共线的位置。对于铰接四杆机构来说，死点是连杆与从动件共线的位置。如图曲柄摇杆机构：如图曲柄摇杆机构：当曲柄为主动件时，不会出现死点位置；当曲柄为主动件时，不会出现死点位置；当摇杆为主动件时，会出现两个死点位置。当摇杆为主动件时，会出现两个死点位置。当机构处于死点位置时，无论主动件上施加当机构处于死点位置

16、时，无论主动件上施加多大的力也不会使机构运动。多大的力也不会使机构运动。AB1B2C1C2D 利用惯性利用惯性, ,如飞轮。如飞轮。 采用几套相同的机构错位。采用几套相同的机构错位。 利用虚约束利用虚约束, ,如蒸汽机车中的平行四边形机构。如蒸汽机车中的平行四边形机构。利用死点，防止起落架收回利用死点，防止起落架收回利用死点，夹紧机构利用死点，夹紧机构5.2.2 曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构可看作曲柄滑块机构可看作由曲柄摇杆机构演化由曲柄摇杆机构演化而得。而得。ABCDABCeABC转动副转动副D的同性异形演化。的同性异形演化。e = 0, 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块

17、机构偏置曲柄滑块机构0,e 对心曲柄滑块机构对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回转中心曲柄回转中心A在过在过C点导路延长线上，称对心曲柄滑块机构点导路延长线上，称对心曲柄滑块机构(1) 显然，曲柄存在条件为：显然，曲柄存在条件为：a b 即动铰链即动铰链B能通过能通过B1点。点。(2) 曲柄与连杆曲柄与连杆(机架机架)两次共线位置对应滑块两个极限位置。两次共线位置对应滑块两个极限位置。(3) 曲柄为主动件，滑块行程曲柄为主动件，滑块行程 S = 2a，显然无急回特性。，显然无急回特性。滑块为主动件时，传力角滑块为主动件时，传力角 显然机构存在两个死点显然机构存在两个死点B1和

18、和B2CBA=曲柄为主动件时，压力角曲柄为主动件时，压力角 显然，显然， 为保证传力性能好，推荐为保证传力性能好，推荐 ，BCA=maxarcsin( )ab=112.53ab 23.5=19.50e减小工作行程压力角，改善工作行程的传力性能。减小工作行程压力角，改善工作行程的传力性能。(1) 显然，偏置曲柄滑块机构中曲柄存在条件为：显然，偏置曲柄滑块机构中曲柄存在条件为：bea偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构ABC即动铰链即动铰链B能通过能通过B1点。点。0e偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构极位夹角211arcsineba偏置曲柄滑块机构的急回特性偏置曲柄滑块机构的急回特性12k2arcsi

19、neba222222cossabba121) 1) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构4) 4) 导杆机构导杆机构2) 2) 定块机构定块机构3)3)摆块机构摆块机构ABCABCABCABC5.2.3 导杆机构导杆机构导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来ABCABCABC曲柄滑块曲柄滑块变换机架变换机架摆块机构摆块机构导杆机构导杆机构移动副同性异形演化移动副同性异形演化ABCaba b 回转导杆机构回转导杆机构匀速转动匀速转动 变速转动变速转动ABabC导杆机构导杆机构摆动导杆机构的特点：摆动导杆机构的特点：1、传动性能好，压力角、传动性能好，压力角0)arcsin(2bamm1801m1802mmk1801802118011kkm急回系数：急回系数：M2、有显著的急回特性、有显著的急回特性12ab匀速转动匀速转动 往复摆动往复摆动A1BCA2 2 1AA急回行程急回行程所用时间为所用时间为 ，对应，对应22t12AA11t工作行程工作行程所用时间为所用时间为 ，对应，对应(a 2a 对应特定工艺动作要求，四杆机构不能实现时，需应用多杆机构。对应特定工艺动作要求，四杆机构不能实现时，需应用多杆机构。例如：要求机构有较大行程的往复移动，且有显著的急回特性时例如：要求机构有较大行程的往复移动，且有显著的急回特