平面连杆机构及其设计

俞爱林广东工业大学机电学院电话：39322212EMAIL：allan75@126.com机械原理

MechanismsandMachineTheory

第8章平面连杆机构及其设计8-1连杆机构及其传动特点8-2平面四杆机构的类型和应用8-3

平面四杆机构的基本知识8-4平面四杆机构的设计基本要求:了解平面四杆机构的基本型式及演化方法掌握平面四杆机构传动的工作特性熟练掌握平面连杆机构的设计方法平面连杆机构运动副全为平面低副的机构§8-1连杆机构及其传动特点全低副（面接触），承受冲击力，易润滑，不易磨损运动副结构简单，易加工运动规律多样化—原动件运动不变，改变构件尺寸可得到不同的运动连杆上点的运动轨迹多样化运动副累积误差大，效率低惯性力难以平衡，不宜用于高速不能精确实现复杂的运动规律，设计计算较复杂123ABC4机架连杆连架杆A1B2C3D44A12B3C56DE一、特点1实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动2实现从动件运动形式及运动特性的改变3实现较运距离的传动或操纵4调节、扩大从动件行程5获得较大的机械增益：输出力(矩)与输入力(矩)之比二、应用1实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动圆轨迹复制机构AMF保龄球置瓶机扫瓶机构CDABM2实现从动件运动形式及运动特性的改变步进式工件传送机构运动形式改变实例3实现较运距离的传动或操纵应用实例：自行车手闸4调节、扩大从动件行程可变行程滑块机构特点：调节可改变滑块D的行程汽车用空气泵机构特点：曲柄CD短，滑块行程大ABCDABCDEF5获得较大的机械增益:输出力(矩)与输入力(矩)之比肘节机构特点：机械增益大剪切机构特点：机械增益大EABCD其它单自由度多自由度四杆多杆运动学设计运动学+动力学设计优化设计+计算机辅助设计平面连杆机构+

空间连杆机构三、学科研究现状二杆三杆,不可能.铰链四杆机构§8-2平面四杆机构的类型和应用一、类型空间连杆机构、平面连杆机构四杆机构多杆机构(多个四杆机构组成)平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构结构特点：四个运动副均为转动副组成：机架、连杆、连架杆

机架：固定不动的构件——AD连架杆：直接与机架相连的构件——

AB、CD连杆：不与机架相连的构件—BC曲柄：能作整周转动的连架杆摇杆：不能作整周转动的连架杆1B2C31B2C34AD连杆连架杆连架杆机架1234ABCD曲柄摇杆(摆杆)(周转副)(摆转副)二、基本形式4AD23２作机架曲柄摇杆机构14AD23３作机架双摇杆机构4AD1231作机架双曲柄机构铰链四杆机构划分按连架杆不同运动形式分：(1)

曲柄摇杆机构(2)

双曲柄机构(3)

双摇杆机构连杆连架杆连架杆1234ABCD曲柄摇杆机构4AD123(1)

曲柄摇杆机构结构特点：连架杆1为曲柄，3为摇杆运动变换：转动摇动举例：1234缝纫机踏板刮雨器翻片机构搅拌器机构雷达天线机构步进式工件传送装置(2)双曲柄机构结构特点：二连架杆均为曲柄运动变换：转动转动，通常二转速不相等举例：振动筛机构特殊双曲柄机构平行四边形机构结构特点：二曲柄等速运动不确定问题车门开闭机构、天平反平行四边形机构结构特点：二曲柄转向相反火车驱动轮联动机构(3)双摇杆机构结构特点：二连架杆均为摇杆运动变换：摆动摆动举例:

鹤式起重机、飞机起落架、造型机翻箱机构、炉门特殊双摇杆机构等腰梯形机构实例:

汽车前轮转向机构铰链四杆机构1B2C34AD曲线导轨曲柄滑块机构lCD

e01B24AC3偏置式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构1B24AC3e3D1B2C4A对CD杆等效转化转动副变成移动副三、平面四杆机构的演化方式1转动副化为移动副s2C3对心式曲柄滑块机构1B24AC3对CD杆等效转化转动副变成移动副jlBC

正弦机构3C2r1B4A1B4A32C1转动副化为移动副2变换构件形态将构件3的块状变成杆状,将构件4的杆状变成块状相当于构件元素互换23C4AB123C4AB1

3,4包容关系互换摆动导杆机构动画曲柄摇块机构3、取不同的构件为机架——机构倒置曲柄滑块机构导杆机构变更机架曲柄滑块机构导杆机构,动画曲柄摇块机构移动导杆机构摇块机构定块机构变更机架实例一A41A4曲柄滑块机构1B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C32作机架A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A413B2C摇块机构液压作动筒车箱举升机构2B12B12B1变更机架实例二1BA21BA2A41B2C3曲柄滑块机构CA43定块机构C41BA21BA21BA233作机架1B2变更机架实例三C234A41B2C3曲柄滑块机构１作机架A41B2C3导杆机构C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234转动导杆机构lBC>lAB，导杆AC整周转动C234C234C234C234AB123C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C4lBC<lAB，导杆AC摆动摆动导杆机构32C4AB1小型刨床牛头刨床4AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB321B321B321B321B32变更机架实例四正弦机构双转块机构1B321B4A324A1B321B321B321B321B321B321B321B321

作机架1十字滑块联轴器半联轴器4十字滑块3半联轴器234A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B２4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24AD23２作机架曲柄摇杆机构14AD23３作机架双摇杆机构4AD1231作机架双曲柄机构变更机架实例五正弦机构双滑块机构——椭圆机构动画4A1B24A1B２4A1B323作机架曲柄摇杆机构4AD123变更机架实例六双移动副机构正弦机构双转块机构(十字滑块机构)动画正弦机构双滑块机构正切机构曲柄摇杆机构(扩大回转副)偏心轮机构4、扩大转动副尺寸对心式曲柄滑块机构偏心轮机构1B24AC3h=2lAB4C231BA

B副扩大4、扩大转动副尺寸5小结机构演化方法：转动副转化为移动副变换构件形态变更机架扩大转动副尺寸不同类型的四杆机构，其传递和变换运动的特点不同，传递和变换力的特性不同。正确选择平面四杆机构的类型，可以达到不同的运动和力的传递和变换的要求一、运动特性二、传力特性不同的四杆机构具有不同的运动特性和传力特性同一种四杆机构，不同的运动尺寸具有不同的运动和传力特性§8-3平面四杆机构的基本知识具有整转副的条件一、运动特性1、曲柄存在的条件曲柄——整周转动的连架杆摇（摆）杆——往复摆动的连架杆注意观察运动链各构件间的运动关系。ACDB该机构具有两个全转副A,B(能整周转动的转动副）两个摆动副C,D(只能作摆动的转动副）ACDB具有两个全转副的条件adcb各杆长a,b,c,d.ACDBadcba+b

c+d曲柄与连杆拉直共线ACDBadcba+bc+dc

d+b-adc+b-ac+ad+bd+ac+b曲柄与连杆重叠共线ACDBadcbc+a

d+b；d+ac+bACDBadcba+bc+d以上各式两两相加得：

a

b

；a

c

；a

d。a+bc+dc+a

d+b；d+ac+bACDBadcba

b

；ac

；a

d。1.具有两个整转副的构件为机构中的最短杆；ACDBadcb2.最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆之和。A1.具有两个整转副的构件为机构中的最短杆；2.最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆之和(称为杆长之和条件）。机构具有两个全转副的条件ACDBadcbACDBadcbA曲柄存在条件结论(1)最短与最长杆之和小于或等于其它两杆之和(2)整转副是由最短杆与其邻边组成的在满足条件(1)基础上(1)取最短杆为机架→双曲柄机构(2)取最短杆邻边为机架→曲柄摇杆机构(3)取最短杆对边为机架→双摇杆机构特例：当四杆机构中对面两杆的长度两两相等时，则不论哪个构件为机架，都是双曲柄机构。若不满足条件(1)，则不论取哪个构件为机架，都是双摇杆机构解：∵AD＋CD＝40＋110＝150＜AB＋BC＝160当：①AD为机架→双曲柄②AB或DC为机架→曲柄摇杆③BC为机架→双摇杆ABCD例1已知AB＝70,BC＝90,CD＝110,AD＝40，试分析图示机构属于哪类机构当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有急回特征极位夹角：

急回特性分析：1=C1=1t1=1800+2=1t2=1800-t1>t2,v2>v1行程速比系数KK=1,无急回特性q↑K↑急回特征越显著1jB2C212v2v1慢快急回特性的应用例：牛头刨工作要求B1C14ABCD2312急回特性下列机构有无急回特性，若有，标出极位夹角问题讨论。＝0aBbACa)aBbACeb)aBbACec)a+bC2b-aC1a+bC2b-aC1C2C2d)aCABb主动件连续运动时，从动件也能连续占据预定的各个位置从动件运动的可行域及非可行域3运动连续性。从动件运动连续性要求:不可能在非可行域运动不可能从一个可行域跃入另一个可行域可行域与杆长有关可行域的确定rrmax=lAB+lBCrmin=lBC-lAB’3BC21C1C23BC213B21C23B1C3BC213BC212C3B13BC213BC213BC213BC213BC213BC21j33BC23B21C’2C’3B13BC’2113BC’23BC’213BC’213BC213BC’213BC’21B213C’23B1C’3BC’24ADC’2C’1j’3可行域可行域非可行域非可行域rmaxrmin压力角--作用在从动件CD上的驱动力F与该力作用点绝对速度Vc之间所夹的锐角。传动角－连杆与摇杆CD之间所夹的锐角(它是的余角)。min位置的确定：曲柄与机架两次共线的位置min值：对于一般机械，通常取min>＝40。

二、传力特性1压力角与传动角－－衡量机构传动性能好坏的重要参数CBADd作用在从动件CD上的力FFCBADdVcFFtFnF沿C点速度Vc方向的投影Ft——有效分力F沿从动件DC方向的投影Fn——无效分力CBADdVcFFtFnCBADdVcFFtFnFt=FCos;,FtFn=FSin;,Fn

的值可衡量机构传力性能的好坏。压力角——从动件受力方向与受力点速度方向所夹的锐角。CBADdVcFFtFn压力角——从动件受力方向与受力点速度方向所夹的锐角。与压力角互余的角——称为传动角。传力性能好。min出现位置：曲柄与机架共线最小传动角计算

第一次重叠共线时：=0º”’C’’B’’C’B’或第二次重叠共线时：=180º=0分析:cos=1cosgg

min=180cos=-1cosgg

maxmin=min(’,’’)结论:ABCDabcd标出下列机构在图示位置的压力角、传动角及最小传动角min问题讨论maxminaBbACeb)d)aCABbaBbACa)Abb

minmin0º90ºf)g)0º90ºF,ve)aCABbFvagF,v死点:传动角为零g=0(连杆与从动件共线),机构顶死2

死点

M=F*LB1C1B2C24ABCD231=00=00=00C2B2=00BACB1C１ADBCCD为主动件!!FVBADBCCD为主动件!!FVB=0o当连杆BC与从动件曲柄AB共线时，压力角=900，传动角=0，机构不能运动，此位置称为死点位置。ADBCFVB机构在死点位置时，如果发生运动，其从动件运动方向不定。ADCBADCBADCBADCBDCBADCBADCBADCBADCBAADCBADCBADCBACBDDCBADCBADCBADCBACBDDAABCDD连杆BC与从动件曲柄AB共线，压力角=900，传动角=0，机构位于两个死点位置。靠轮的惯性或手动脱离死点位置。利用构件惯性力实例:家用缝纫机采用多套机构错位排列实例:蒸汽机车车轮联动机构蒸汽机车两侧利用错位排列的两套曲柄滑块机构使车轮联动机构通过死点克服死点的措施GG’EFE’F’实例:夹具飞机起落架机构死点的利用折叠家具机构=00分合闸机构——搬动手柄使触头接上。触头FACBD弹簧拉力死点位置的功能ABCD弹簧拉力FFQFB在力的作用下手柄不会自动松脱。判断下列机构的死点位置？若不会出现死点，在什么情况下会出现死点？并标明。问题讨论aBbACeb)d)aCABbaBbACa)Ae)aCABb(1)

运动特性曲柄存在条件杆长条件最短杆条件急回特性极位夹角行程速比系数运动连续性(2)

传力特性压力角和传动角死点3小结要求：正确理解和掌握平面机构工作特性的有关概念用有关工作特性检验机构的运动和传力性能运用有关概念设计性能优的机构1设计的基本问题设计任务根据给定的运动要求，选定机构的类型确定各构件的尺度参数如：运动副结构．曲柄存在条件．最小传动角．运动连续性等2设计的基本方法图解法、解析法、实验法§8-4平面四杆机构的设计一、平面连杆机构设计的基本问题1应用概述实现刚体给定位置的设计——如实现预定的连杆位置要求机构能引导刚体（一般为连杆）通过一系列给定位置例：飞机起落架机构:要求实现机轮放下和收起两个位置铸造翻砂机构:要求实现两个翻转位置二、刚体导引机构的设计条件：给定连杆对应位置铰链四杆机构的设计,在于确定四个铰点的位置,且关键在确定连杆两铰点的位置连杆上的铰点一定落在以固定铰为中心的圆上即:刚体导引机构转变成已知圆弧上的点求圆心2刚体导引机构设计分析ABCD选定连杆上两活动铰链，即确定连杆长lBC，定比例尺l作图活动铰链相对于固定铰链的运动轨迹为圆用三点定心法确定两固定铰链D,C计算待求杆长lAB=AB·lmlCD=CD·lmlAD=AD·lm设计要点IIIIIIB1B2B3C2C3C1DA讨论：三点唯一确定一个圆,故确定B、C点后，固定铰链A、D也唯一确定连杆上B、C位置应根据实际情况而定3两个位置给定的刚体导引机构设计条件：活动铰点已给定，求固定铰点四杆机构AB1C1D为所求有无穷多个解，应添加其它条件，如机构尺寸、传动角大小、有无曲柄等●DB1C1B2C2A●ABCD4三个位置给定的刚体导引机构设计条件：活动铰点已给定（即连杆长度已给定），求固定铰点四杆机构AB1C1D为所求有唯一解ABCDB1C1B2C2B3C3ADA’D’D’’A’’条件：固定铰点已给定（即机架长度已定），求活动铰点将连杆转化为机架，机架转化为连杆则求活动铰点的情况就变成了求固定铰点四杆机构ABCDE1F1

为所求问题讨论：有唯一解ABCDE1F1E2F2E3F3BCAD4三个位置给定的刚体导引机构设计5小结实现构件给定的两个位置——无穷解实现构件给定的三个位置——唯一解实现构件给定的四个位置——无穷解四个位置设计，BC不能任意选定。但总可以在连杆上找到一些点，其四个位置在同一圆上，涉及布尔梅斯特理论(德)布尔梅斯特——布氏点、布氏曲线实现构件给定的五个位置——可能有六个、一个或没有实现构件给定的六个位置——无(精确)解平面四杆机构,最多能精确实现构件给定的五个位置ABCD1应用概述函数生成机构：实现预定运动规律的设计即要求机构的主动件和从动件的运动关系能满足给定函数（精确或近似实现）例：车门开闭机构——要求两连架杆转角相同，转向相反汽车前轮转向机构——要求两连架杆满足某种函数关系，保证顺利转弯ABCD1234B1j10B2j2E1y12E2EAD三、函数生成机构的设计工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置2函数生成机构设计分析j3j2j1321E1E2E3F1F2F3DB1B2B3A倒置ABCDABCD-j12-j13即，已知机架长lAD和两连架杆对应位置，设计四杆机构（求其它三杆长）问题与刚体导引问题的比较反转法(反转机构法)：利用相对运动原理法，采用机构倒置，将已知连架杆两位置的设计问题转变为已知连杆两位置的设计问题思路：先定一个连架杆的长度转化机构，使C1D成为机架，成为刚体导引机构以CD为机架时所观察到的A'B2'C1D相当于把以AB为机架时所观察到的AB2C2D位置刚化，以D为轴转了一个角度得到的此时，A'B2'由连架杆变为连杆，故利用刚化反转法原理可将已知连架杆两位置的设计问题转化为已知连杆两位置的设计问题设计要点B2C2

jyAB1C1DyyB2'A'C2'已知:

二固定铰链和一个活动铰链，求另一活动铰链，或已知两杆长，求:另两杆长已知两连架杆对应三个位置，设计铰链四杆机构3函数生成机构设计dB1B2B3C1ADB’2B’3b12b23123123a注意问题：二连架杆的实际转向与反转方向已知:

lAB、lAD、j10、j12、y10、y12

设计：铰链四杆机构,实现连架杆两对对应位置例：平面四杆机构设计作图铰链四杆机构AB1C1D为所求注意：已知点B绕未知点C的转动中心D反转B1B2j10j12y12ADy10E1E2B2'●y12

C1ABCD1234设计：铰链四杆机构,实现连架杆三对对应位置作图铰链四杆机构AB1C1D为所求ABCD1234B1B2f10j12y12ADy10E1E2E3y13j13B3y12B2'●y12B3'C1例：平面四杆机构设计S12B21B1Aj12j10已知LAB、10、

12

及S12

设计曲柄滑块机构,实现曲柄—滑块对应位置曲柄滑块机构AB1C1

为所求234C1B1C1Aj10B2C2j12S12eB2S12B2'1B1A例：曲柄滑块机构设计9o31o49o1234已知:机架长度和两连架杆对应四个位置设计:平面连杆机构点位归并(缩减)法——已知对应四个位置求解ul=lAD/AD=0.00054m/mmlAB=AB·ul

=30.8mmlBC=BC·ul

=18.2mmlCD=CD·ul

=63.3mmx22.5o9oADd=50mm45o90o135o12349o-49o-31o-9ob23b12B4B3B2B1B’3C122.5o135o90o45oAB长度确定：B’2(B’4)1应用概述有些场合，希望所设计的四杆机构具有急回特征，即已知行程速比系数K，以及从动件的两个极限位置，设计四杆机构例：牛头刨床——要求满足一定的急回特征慢快四、急回机构的设计2急回机构设计分析要点：掌握极位夹角及其与K的关系在极限位置，lAC1=lBC-lAB,lAC2=lAB+lBCB1C11jB2C24ABCD23112v2v1C2B2B