机械设计基础课件第三章

机械设计基础国家级精品课程教材电子工业出版社主编：唐林虎副主编：张亚萍等第三章平面连杆机构第三章平面连杆机构

§3.1概述1

§3.2平面连杆机构的基本类型和应用2§3.3

平面四杆机构的演化形式

3§3.4

平面连杆机构的基本特性

4§3.5平面连杆机构的设计5§3.6

平面多杆机构简介

6第三章平面连杆机构12346课后习题答案第三章平面连杆机构教学要求（1）掌握平面四杆机构的基本形式、应用及演化；（2）掌握平面四杆机构的基本特性，理解急回特性、行程速比因数、传动角、压力角、死点位置等概念；（3）掌握铰链四杆机构曲柄存在的条件；（4）掌握四杆机构的设计方法。重点与难点重点：平面四杆机构的基本形式、应用及基本特性；难点：平面四杆机构类型的判断及设计方法。

§3.1概述

连杆机构是用转动副和移动副将构件相互联接而成，用以实现运动变换和动力传递的机构。

连杆机构按各构件间相对运动性质的不同，可分为空间连杆机构和平面连杆机构两类。平面连杆机构是由若干构件通过低副（转动副或移动副）联接而成的平面机构，又称为平面低副机构。平面连杆机构的优点：

（1）能够进行多种运动形式的转换。（2）运动副一般均为低副。两构件之间为面接触，接触表面是圆柱面或平面，单位面积上的压力较小，制造容易，磨损较慢，可承受较大载荷。（3）具有丰富的连杆曲线。

§3.1概述

平面连杆机构的缺点：

（1）连接处的间隙造成的积累误差较大，机械效率较低。（2）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。（3）设计方法比较复杂，难以实现精确的轨迹。平面连杆机构应用于各种机器和仪器中，如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。本章着重介绍平面四连杆机构的类型、基本特性和设计方法。

§3.2平面连杆机构的基本类型和应用

铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构。连杆连架杆连架杆机架构件名称：（1）机架：机构中固定不动的构件AD。（2）连架杆：与机架相连的构件AB和CD。（3）连杆：不与机架直接连接的构件BC。

§3.2平面连杆机构的基本类型和应用（1）曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构（3）双摇杆机构

连架杆曲柄：能绕轴线作整周回转运动的连架杆。

摇杆：只能在某一角度(小于360°)内摆动的连架杆。因此，铰链四杆机构又根据其连架杆运动形式的不同，分为以下三种基本类型：

§3.2平面连杆机构的基本类型和应用3.2.1曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构。运动特点：

若选曲柄为主动件，则该机构可将曲柄的回转运动转变为摇杆的往复摆动。

若选摇杆为主动件，则该机构可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周回转运动。动态演示

§3.2平面连杆机构的基本类型和应用破碎机的破碎机构缝纫机的驱动机构应用实例：动态演示§3.2平平面连连杆机机构的的基本本类型型和应应用3.2.2双曲曲柄机机构两连架架杆均均为曲曲柄的的铰链链四杆杆机构构。1.普通通双曲曲柄机机构运动特特点：：主动曲柄柄等速回回转一周周，从动动曲柄变变速回转转一周，，从动曲曲柄的角角速度在在一周中中有时小小于主动动曲柄的的角速度度，有时时大于主主动曲柄柄的角速速度。普通双曲曲柄机构构动态演示示§3.2平面面连杆机机构的基基本类型型和应用用应用实例例：惯性筛§3.2平面面连杆机机构的基基本类型型和应用用2.平行双双曲柄机机构运动特点点：两曲柄的的回转方方向相同同，且角角速度时时时相等等。应用实例例：机车联动动机构路灯检修修车升降降机构平行双曲曲柄机构构动态演示示动态演示示§3.2平面面连杆机机构的基基本类型型和应用用3.反向双双曲柄机机构运动特点点：两曲柄反反向不等等速。应用实例例：车门启闭闭机构反向双曲曲柄动态演示示动态演示示§3.2平面面连杆机机构的基基本类型型和应用用3.2.3双摇杆杆机构两连架杆杆均为摇摇杆的铰铰链四杆杆机构。运动特点点：两摇杆均均可作为为主动件件。当主主动摇杆杆摆动时时，通过过连杆带带动从动动摇杆摆摆动。应用实例例：双摇杆机机构港口起重重机动态演示示动态演示示§3.2平面面连杆机机构的基基本类型型和应用用电风扇摇摇头机构构汽车前轮轮转向机机构§3.3平面面四杆机机构的演演化形式式在实际机机械中，，还广泛泛采用着着其他多多种形式式的四杆杆机构。。这些机机构可认认为是由由四杆机机构的基基本类型型演化而而成的。其演变的的方法有有：（1）改变构件件的形状状、长度。（2）改变运动动副的尺尺寸。（3）选不同构构件为机机架等。较为常用用的演化化机构有有：曲柄滑块块机构、、导杆机机构、摇摇块机构构、定块块机构等等。它们均属属于滑块块四杆机机构，即即含有移移动副和和转动副副的四杆杆机构。。§3.3平面面四杆机机构的演演化形式式曲柄滑块块机构是是由曲柄柄、连杆杆、滑块块及机架架组成。是在曲柄摇杆杆机构的基础上上，采用了改改变构件件尺寸和和形状的的方法而而得到的另一种种平面连连杆机构构，常用作回回转运动动与往复复直线运运动之间间的转换换。3.3.1曲柄滑块块机构曲柄摇杆杆机构圆弧导轨轨曲柄滑滑块机构构§3.3平面面四杆机机构的演演化形式式若滑块移移动导路路中心通通过曲柄柄转动中中心，则则称为对对心曲柄柄滑块机机构；若若不通过过曲柄转转动中心心，则称称为偏置置曲柄滑滑块机构构，e为偏偏心心距距。。对心心曲曲柄柄滑滑块块机机构构偏置置曲柄柄滑滑块块机机构构动态态演演示示动态态演演示示§3.3平平面面四四杆杆机机构构的的演演化化形形式式应用用实实例例：：机构构示示意意图图机构构简简图图内燃燃机机中中的的曲曲柄柄滑滑块块机机构构1-曲轴轴；；2-连杆杆；；3-活塞塞机构构示示意意图图机构构简简图图压力力机机中中的的曲曲柄柄滑滑块块机机构构1-工件件；；2-滑块块；；3-连杆杆；；4-曲轴轴；；5-齿轮轮§3.3平平面面四四杆杆机机构构的的演演化化形形式式3.3.2导杆机构曲柄滑块机构转动导杆机机构（l1＜l2）若改选曲柄滑块机机构中的构构件AB为机架，则则构件AC将绕A转动，而滑滑块将以构构件AC为导轨，沿该该构件相对对移动，并并一起绕A点转动，构构件AC称为导杆，，而由此演演化成的四四杆机构称称为导杆机机构。摆动导杆机机构（l1＞l2）改选AB为机架动态演示动态演示§3.3平面四四杆机构的的演化形式式应用实例：：简易刨床的的主运动机机构动态演示牛头刨床的的主运动机机构§3.3平面四四杆机构的的演化形式式3.3.3摇块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机机构中，如如改选与滑滑块铰接的的构件BC为机架，使使滑块只能能摇摆不能能移动，则则将演化成成摇块机构构，改选BC为机架摇块机构应用实例：：自卸汽车的的翻斗机构构动态演示动态演示§3.3平面四四杆机构的的演化形式式3.3.4定块机构将曲柄滑块机机构中的滑滑块改为机机架，将演演化成定块块机构。应用实例：：手动唧筒曲柄滑块机构改选滑块为机架动态演示定块机构§3.4平面连连杆机构的的基本特性性平面连杆机机构具有传传递和变换换各种运动动，实现力力的传递和和变换的功功能，前者者称为平面面连杆机构构的运动特特性，后者者称为平面面连杆机构构的传力特特性。3.4.1运动特性1．铰链四杆机机构存在曲曲柄的条件件铰链四杆机机构中有曲曲柄的前提提是运动副副中必有整整转副存在在。影响平面铰铰链四杆机机构中曲柄柄存在的因因素有：（1）构成四杆运运动链的各各构件长度度。（2）运动链中选选取的机架架与其它构构件的相对对位置。下面以曲柄柄摇杆机构构为例，讨讨论铰链四四杆机构曲曲柄存在的的条件。§3.4平面连连杆机构的的基本特性性设曲柄摇杆杆机构各杆杆的杆长分分别为a、b、c、d，设d>a，在杆AB绕转动副A转动过程中中，要使A成为整转副副，则AB应能占据与与机架AD重叠和拉直直共线的两两个特殊位位置AB1和AB2，即可构成成ΔB1C1D和ΔB2C2D。根据三角形形两边之和和大于第三三边这一几几何关系，，并结合机机构运动的的特点，可可得：将上式两两两相加，得得：a≤c；a≤b；a≤d§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性故四杆机机构有有曲柄柄的条条件为为：（1））最短短杆与与最长长杆的的长度度之和和应小小于其其他两两杆长长度之之和；；（2））连架架杆或或机架架中必必有一一最短短杆。。曲柄摇摇杆机机构双曲柄柄机构构双摇杆杆机构构根据上上述结结论，，可得得出以以下推推论：：（1））当lmin+lmax≤l+l′时：若以最最短杆杆的相相邻构构件为为机架架，该该机构构为曲曲柄摇摇杆机机构。。若以最最短杆杆为机机架，，该机机构为为双曲曲柄机机构。。若以最最短杆杆相对对的构构件为为机架架，该该机构构为双双摇杆杆机构构。§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性l1，l2，l3，l4lmax+lmin≤l'+l"lmin为连架架杆吗吗？曲柄摇摇杆机机构lmin为机架架吗？？双曲柄柄机构构双摇杆杆机构构NNNYYY铰链四四杆机机构基基本类类型的的判别别流程程可用用下面面框图图表示示：（2））当lmin+lmax>l+l′时：则无论取取哪个构构件为机机架，均无曲柄柄存在，，只能为为双摇杆杆机构。。§3.4平面面连杆机机构的基基本特性性2．急回运动动特性（1）曲曲柄摇杆杆机构分分析曲柄摇杆杆机构中中，设曲曲柄AB为原动件件。在曲曲柄以等等角速度度ω1逆时针转转动一周周的过程程中，两两次与连连杆共线线。此时C1D和C2D为摇杆的的两个极极限位置置，简称称极位。。其夹角角ψ称为最大大摆角。。曲柄与与连杆两两次共线线位置间间所夹的的锐角θ为极位夹夹角。当主动件件曲柄AB以等角速速度ω1逆时针旋旋转，从从动件在在正行程程（行程程）C1D至C2D和反行程程（回程程）C2D至C1D时C点的平均均线速度度分别为为和和，，所所需时间间为t1和t2，对应曲曲柄的转转角分别别为α1=π+θ和α2=π-θ，显然有有t1＞t2，即摇杆杆(回程程)的速速度大于于行程的的速度。。§3.4平面面连杆机机构的基基本特性性（2）急急回运动动特性构件返回速度度大于推推进速度度的现象象称为急急回运动动特性。。（3）行行程速比比因数通常用与与的的比值K来描述急急回特性性，K称为行程程速比因因数。θ＞0，K＞1，有急回回特性；；θ越大，K越大，急急回特性性越明显显；θ越小，K越小，急急回特性性越不明明显；θ=0时，K=1，机构无无急回特特性。机构有无无急回特特性，急回特特性是是否显显著，，取决于于机构构的极极位夹角θ§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性除曲柄柄摇杆杆机构构外，，偏置置曲柄柄滑块块机构构、摆摆动导导杆机机构等等也都都具有有急回回特性性。偏置曲曲柄滑滑块机机构摆动导导杆机机构§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性3.4.2传力特特性1．压力角角和传传动角角（1））压力力角力F与受力力点的的速度度vc方向之之间所所夹的的锐角角α，称为为压力力角。。（2））传动动角压力角角α的余角角γ。Ft=FcosαFn=Fsinα有效分分力有害分力压力角角α越小，，或传动动角γ越大，，则力F在vc方向的的有效效分力力越大大，机机构的的传力力性能能越好好。因此，，压力力角或传动动角的的大小小是衡量量机构构传力力性能能的重重要标标志。。§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性（3））机构具具有良良好传传力性性能的的条件件传动角角γ随机构构的不不断运运动而而相应应变化化，为为保证证机构构有较较好的的传力力性能能，应应控制制机构构的最最小传传动角角γmin。一般般可取取γmin≥40°，重载载高速速场合合取γmin≥50°。。（4））最小小传动动角γmin的确定定曲柄摇摇杆机机构的的γmin在曲柄柄整转转一周周的过过程中中，当当曲柄柄转到到与机机架共共线的的两个个位置置时，，传动角角将出出现极极值γ′和γ″，其其中较较小者者即为为最小小传动动角γmin。§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性曲柄滑滑块机机构的的最大大压力力角αmax若机构构的主主动件件为曲曲柄AB，从动动件为为滑块块C，在曲曲柄与与滑块块导路路垂直直时，，α=αmax。摆动导导杆机机构的的最小小压力力角αmin构件3作用用于导导杆4上的的力F和导杆杆4上上的C点速度度VC4都始终终垂直直于AC，压力力角α始终为为0，，传力力性能能最好好。曲柄滑滑块机机构的的αmax摆动导导杆机机构的的αmin§3.4平平面连连杆机机构的的基本本特性性2．死点位位置不管在在主动动件上上作用用多大大的驱驱动力力，都都不能能在从从动件件上产产生有有效分分力的的机构构位置置，称称为机机构的的死点位位置。。（1）死死点点位位置置举举例例曲柄柄摇摇杆杆机机构构的的死死点点位位置置摆动动导导杆杆机机构构的的死死点点位位置置曲柄柄滑滑块块机机构构的的死死点点位位置置§3.4平平面面连连杆杆机机构构的的基基本本特特性性（2）死死点点位位置置的的克克服服当死死点点位位置置的的存存在在对对机机构构运运动动不不利利时时，，应应尽尽量量避避免免出出现现死死点点，，克克服服死死点点位位置置的的方方法法有有：：采用用机机构构死死点点位位置置错错位位排排列列的的办办法法，，以以保保持持从从动动曲曲柄柄的的转转向向不不变变。利用用飞飞轮轮惯惯性性采用用加加大大从从动动件件惯惯性性的的方方法法，，靠靠惯惯性性帮帮助助通通过过死死点点。。§3.4平平面面连连杆杆机机构构的的基基本本特特性性（3）死死点点位位置置的的利利用用在实实际际工工程程应应用用中中，，有有许许多多场场合合是是利利用用死死点点位位置置来来实实现现一一定定工工作作要要求求的的，，例例如如：：工件夹紧紧机构飞机起落落架动态演示示动态演示示§3.5平面面连杆机机构的设设计3.5.1连杆机构构设计的的基本问问题连杆机构构设计可可归纳为为下列两两类问题题：（1）按照给给定从动动件的位位置设计计四杆机机构，即即位置设设计。（2）按照给给定点的的运动轨轨迹设计计四杆机机构，即即轨迹设设计。设计方法法：（1）作图法法：直观、清清晰，简简单易行行，但误误差较大大。（2）实验法法：适用于运运动要求求较复杂杂的四杆杆机构的的初步设设计，但但工作较较繁琐。。（3）解析法法：可得到较较准确的的结果并并具有较较高的精精度，但但计算求求解较麻麻烦。本节主要要介绍采用作图法设设计四杆杆机构。。§3.5平面面连杆机机构的设设计3.5.2按给定的的连杆位位置设计计四杆机机构1．按给定定连杆的的两个位位置设计计四杆机机构设已知连连杆BC的长度和和预定要要占据的的两个位位置B1C1和B2C2，设计此此四杆机机构。设计分析析：该设设计的主主要问题题是如何何确定铰铰链A和D的位置，，从而确确定除连连杆外其其它三个个构件的的长度。。设计步骤骤：（1）选选取适当当的比例例尺µL，绘出给给定连杆杆的两个个位置B1C1和B2C2。（2）分别别连接B1B2、C1C2，并作直线线段B1B2和C1C2的垂直平分分线b12和c12。（3）两固固定铰链A、D可分别在b12和c12上任取。§3.5平面连连杆机构的的设计（4）连接AB1C1D或AB2C2D即为所求的的四杆机构构。（5）从图图中量取各各杆的长度度再乘以比比例尺µL，就得到实实际长度。有无穷多解解§3.5平面连连杆机构的的设计2．按给定连连杆的三个位置设计计四杆机构构设已知连杆杆BC的长度和依依次占据的的三个位置置B1C1、B2C2、B3C3。确定满足足上述条件件的铰链四四杆机构中中其它各杆杆件的长度度和位置。。设计分析：：显然B点的运动轨轨迹是由B1、B2、B3三点所确定定的圆弧，，C点的运动轨轨迹是由C1、C2、C3三点所确定定的圆弧，，分别找出出这两段圆圆弧的圆心心A和D，也就完成成了此四杆杆机构的设设计。设计步骤：：（1）确定定比例尺µL，画出给定定连杆的三三个位置。。（2）连接接B1B2、B2B3，分别作直直线段B1B2和B2B3的垂直平分分线b12和b23，两垂直平平分线的交交点A即为B1、B2、B3三点所确确定圆弧弧的圆心心。§3.5平面面连杆机机构的设设计有唯一解解（3）连连接C1C2、C2C3，分别作作直线段段C1C2和C2C3的垂直平平分线c12、c23，两平分分线交于于点D，D点即为C1、C2、C3三点所确确定圆弧弧的圆心心。（4）连连接AB1C1D（或AB2C2D）即得所所求的四四杆机构构。（5）从从图中量量取各杆杆的长度度再乘以以比例尺尺µL，就得到到实际构构件长度度尺寸。。§3.5平面面连杆机机构的设设计3.5.3按给定的的行程速速比因数数K设计四杆杆机构1．曲柄摇杆杆机构设已知行行程速比比因数K，摇杆长长度为lCD，最大摆摆角为ψ，试用作作图法设设计此曲曲柄摇杆杆机构。。设计分析析：该设设计的实实质是确确定铰链中心A点的位置置，然后后定出其其他三杆杆的尺寸寸。设计步骤骤：（1）由由速比因因数K计算极位位夹角θ。（2）作作摇杆的的极限位位置。（3）求曲柄柄铰链中中心A。（4）求求曲柄和和连杆的的铰链中中心B。（5）计计算各杆杆的实际际长度。。有无穷多多解§3.5平面面连杆机机构的设设计2．曲柄滑块块机构设已知曲曲柄滑块块机构的的行程速速比因数数K、滑块行程程H和偏距e，试设计此此机构。设计分析：：与上例分析析方法类似似，可把曲曲柄滑块机机构中的行行程H视为曲柄摇摇杆机构中中摇杆无限限长时C点摆过的弦弦长。设计步骤：：（1）求极极位夹角θ。（2）作出滑块的两个极限位置。。（3）求曲柄铰铰链中心A。（4）按与曲柄摇摇杆机构相相同的方法法，确定曲曲柄和连杆杆的长度。§3.5平面连连杆机构的的设计3．导杆机构已知摆动导导杆机构中中机架的长长度为lAD，行程速比比因数为K，试设计该该机构。设计分析：：导杆机构的的极位夹角角θ等于导杆的的摆角ψ，所需确定定的尺寸是是曲柄长度度lAC。设计步骤：：（1）求极位夹角角θ（即摆角ψ）。（2）作出导杆的两个极限位置。。（3）求曲柄铰铰链中心A。（4）过A点作导杆任任一极限位位置的垂直直线AC1(或AC2)，量出AC的长度，按按照相应比比例尺µL换算实际距距离lAC。有唯一解§3.6平面多多杆机构简简介与四杆机构构相比，多多杆机构具具有某些独独特的运动动规律和作作用，一般般可实现以以下要求:插齿机主传传动机构肘杆机构1．改变从动动件的运动动特性2．可获得较较大的机械械增益§3.6平面多多杆机构简简介3．扩大机机构从动件件的行程钢料推送装装置课后习题答答案一、判断题题1.×2.×3.×4.×5.√6.√7.√8.××9.√10.√√二、、选选择择题题1.B2.B3.A4.C5.C6.B7.C8.A9.D10.C11.B12.C13.D14.A15.A16.C17.B18.C19.A20.C三、、综综合合题题1.连连杆杆机机构构是是用用转转动动副副和和移移动动副副将将构构件件相相互互联联接接而而成成，，用用以以实实现现运运动动变变换换和和动动力力传传递递的的机机构构。。其主主要要优优点点:（（1））能能够够进进行行多多种种运运动动形形式式的的转转换换。。（（2））运运动动副副一一般般均均为为低低副副。。两两构构件件之之间间为为面面接接触触，，接接触触表表面面是是圆圆柱柱面面或或平平面面，，单单位位面面积积上上的的压压力力较较小小，，制制造造容容易易，，磨磨损损较较慢慢，，可可承承受受较较大大载载荷荷。。（3））具具有有丰丰富富的的连连杆杆曲曲线线。。在在连连杆杆机机构构中中，，课后后习习题题答答案案连杆杆上上各各点点的的轨轨迹迹是是各各种种不不同同形形状状的的曲曲线线，，其其形形状状随随着着各各构构件件相相对对长长度度的的改改变变而而改改变变，，可可满满足足不不同同轨轨迹迹的的设设计计要要求求。。主要要缺缺点点有有:（（1））连连接接处处的的间间隙隙造造成成的的积积累累误误差差较较大大。。（（2））连连杆杆机机构构运运动动时时产产生生惯惯性性力力，，不不适适用用于于高高速速场场合合。。（（3））设设计计方方法法比比较较复复杂杂，，难难以以实实现现精精确确的的轨轨迹迹。。2.摇杆杆(回回程程)的的速速度度大大于于行行程程的的速速度度，，这这种种返返回回速速度度大大于于推推进进速速度度的的现现象象称称为为急急回回特特性性。。工工程程上上常常用用从从动动件件往往返返速速度度的的比比值值K来表表示示急急回回特特性性的的显显著著程程度度，，比比值值K即为为行行程程速速度度系系数数。。曲曲柄柄与与连连杆杆两两次次共共线线位位置置间间所所夹夹的的锐锐角角θ称为极极位夹夹角。。当θ＞0时时，K＞1，，机构构有急急回特特性；；θ越大，，K值越大大，急急回特特性越越明显显；θ越小，，K值越小小，急急回特特性越越不明明显；；θ=0时时，K=1，，机构构无急急回特特性。。课后习习题答答案3.忽忽略略摩擦擦时的的力F与受力力点的的速度度vc方向之之间所所夹的的锐角角α，称为为压力力角。。在连连杆设设计中中，为为了便便于观观察和和度量量，习习惯用用压力力角的的余角角γ（即连连杆和和从动动件所所夹的的锐角角的对对顶角角）来来判断断其传传力性性能，，故将将γ称为传传动角角。因γ=90°-α，所以以α越小，，γ越大，，对机机构的的传动动越有有利。。4.平平面面连杆杆机构构的设设计方方法有有作图图法、、实验验法和和解析析法等等。作作图法法直观观、清清晰，，简单单易行行，但但误差差较大大，随随着计计算机机技术术的发发展，，借助助辅助助设计计软件件，不不仅能能保留留作图图法的的传统统优点点，还还能克克服精精度低低的缺缺点。。实验验法适适用于于运动动要求求较复