第八章平面连杆机构及其设计课件

内容简介:一、连杆机构及其传动特点二、平面四杆机构的类型和应用三、平面四杆机构的基本知识四、平面四杆机构的设计五、多杆机构第八章平面连杆机构及其设计1内容简介:第八章平面连杆机构及其设计1飞机起落架2飞机起落架2在工程应用中十分广泛,如内燃机鹤式起重机火车轮急回冲床牛头刨床翻箱机椭圆仪机械手爪3在工程应用中十分广泛,如内燃机3一、连杆机构及其传动特点定义与分类连杆机构

由若干刚性构件用低副联接而成的机构，又称为低副机构。平面连杆机构空间连杆机构连杆机构4一、连杆机构及其传动特点定义与分类连杆机构平面连杆机构连杆2.平面连杆机构的特点优点：（1）承受载荷大，便于润滑（2）制造方便，易获得较高的精度（3）两构件之间的接触靠几何封闭实现（4）较好实现多种运动规律和轨迹要求52.平面连杆机构的特点优点：5缺点：（1）惯性力不易平衡，常应用于中低速场合（2）不易精确实现各种运动规律和轨迹要求（3）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低增加若干较大的平衡质量，尤其是要把平衡质量安装在连架杆延长线的某部位处，给机构设计带来较大困难。为了使机构的惯性力得到平衡，可采用将相同机构按对称方式进行布置的设计方法进行平衡。6缺点：增加若干较大的平衡质量，尤其是要把平衡质量安装在连架杆a—曲柄（与机架相联且作整周回转运动的构件）平面四杆机构最基本型式—铰链四杆机构b—连杆（不与机架相联作平面运动的构件）

c—摇杆（与机架相联且只能在一定范围内作往复摆动构件）d—机架

（相对固定不动的构件）a、c—连架杆（与机架相连的杆件）BACDbacd二、平面四杆机构的类型和应用1.平面四杆机构的基本型式7a—曲柄（与机架相联且作整周回转运动的构件）平面四杆曲柄摇杆机构铰链四杆机构中的两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆，称该四杆机构为曲柄摇杆机构图(a)

。双曲柄机构铰链四杆机构中的两连架杆都是相对机架作整周回转的曲柄，此机构为双曲柄机构图(b)

。双摇杆机构铰链四杆机构中的两连架杆是摇杆时，称为双摇杆机构图(c)

。根据铰链四杆机构两连架杆的不同运动情况分类：8曲柄摇杆机构铰链四杆机构中的两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为（1）曲柄摇杆机构

两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆。应用举例：

雷达天线缝纫机踏板机构颚式破碎机搅拌机9（1）曲柄摇杆机构两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆。应用（2）双曲柄机构

两连架杆均为相对机架作整周回转的曲柄。震动筛应用举例：

10（2）双曲柄机构两连架杆均为相对机架作整周回转的曲柄。震机车车轮联动机构车门开闭机构特例：平行双曲柄机构反平行双曲柄机构平行双曲柄机构反平行双曲柄机构11机车车轮联动机构车门开闭机构特例：平行双曲柄机构平行双曲柄机（3）双摇杆机构

两连架杆均为摇杆。应用举例：

鹤式起重机摇头风扇汽车转向机构特例：等腰梯形机构12（3）双摇杆机构两连架杆均为摇杆。应用举例：鹤式2、平面四杆机构的演化型式1）改变相对杆长、转动副演化为移动副改变运动副类型转动副变成移动副∞当CD无穷大时,曲柄摇杆机构演化为何种机构?132、平面四杆机构的演化型式1）改变相对杆长、转动副演化为移(1)曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构当e=0时,如何?14(1)曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构当e=0时,如何?14对心曲柄滑块机构思考题:偏置曲柄滑块机构与对心曲柄滑块机构的区别?当BC无穷大时,曲柄滑块机构演化为何种机构?改变构件相对尺寸e＝015对心曲柄滑块机构思考题:偏置曲柄滑块机构与对心曲柄滑块机构(2)双滑块机构正弦机构ls=lsins16(2)双滑块机构正弦机构ls=lsins16(1)变化铰链四杆机构的机架曲柄摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构2）选用不同构件为机架17(1)变化铰链四杆机构的机架曲柄摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机曲柄滑块机构中构件1为机架,得到导杆机构。(2)变化单移动副机构的机架18曲柄滑块机构中构件1为机架,得到导杆机构。(2)变化单移曲柄滑块机构中构件2为机架,得到曲柄摇块机构。A19曲柄滑块机构中构件2为机架,得到曲柄摇块机构。A19手摇唧筒曲柄滑块机构中滑块3为机架，得到定块机构

（移动导杆机构）20手摇唧筒曲柄滑块机构中滑块3为机架，得到定块机构20（3）变化双移动副机构的机架正弦机构双转块机构双滑块机构21（3）变化双移动副机构的机架正弦机构双转块机构双滑块机构21机构类型??举例1.牛头刨床摆动导杆机构+曲柄滑块机构22机构类型??举例1.牛头刨床摆动导杆机构+曲柄滑块机构22

3）改变运动副的尺寸偏心轮机构扩大运动副尺寸233）改变运动副的尺寸偏心轮机构扩大运动副尺寸23特点:(1)小行程(2)大输出力24特点:24小结1）曲柄摇杆机构的演化改变运动副类型转动副变成移动副e∞改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸e＝025小结1）曲柄摇杆机构的演化改变运动副类型e∞改变构件相对尺寸2）双曲柄机构的演化改变运动副类型转动副变成移动副转动导杆机构改变运动副类型转动副变成移动副双转块杆机构改变构件相对尺寸0改变构件相对尺寸262）双曲柄机构的演化改变运动副类型转动导杆机构改变运动副类型3）双摇杆机构的演化改变运动副类型转动副变成移动副移动导杆机构改变运动副类型转动副变成移动副双滑块机构0改变构件相对尺寸00改变构件相对尺寸273）双摇杆机构的演化改变运动副类型移动导杆机构改变运动副类型4）曲柄滑块机构的演化改变运动副类型转动副变成移动副改变构件相对尺寸∞正弦机构改变机架定为机架双滑块机构284）曲柄滑块机构的演化改变运动副类型改变构件相对尺寸∞正弦机总结：平面四杆机构的演化曲柄摇杆机构是四杆机构的最基本形式，其它类型的四杆机构都可以通过适当途径演化而成。途径二：改换机架（改变机构类型）途径一：改变杆长（改变机构类型）途径三：扩大运动副尺寸（不改变机构类型）29总结：平面四杆机构的演化曲柄摇杆机构是四杆机构的最基本形式，曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构

铰链四杆机构如何形成的三种基本形式?三、平面四杆机构的基本知识（重点）1.铰链四杆机构有曲柄的条件30曲柄摇杆机构铰链四杆机构如何形成的三种基本形式?三、平面四

曲柄摇杆机构机架连架杆曲柄连架杆摇杆连杆周转副周转副摆转副摆转副（1）周转副和摆转副31曲柄摇杆机构机架连架杆曲柄连架杆摇杆连杆周转副周转副摆转副

AB整周转动B1C1D和B2C2D成立铰链四杆机构(2)周转副存在条件结论：（1）构成周转副的两个构件中，必有一个是最短杆。（2）最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。32AB整周转动铰链四杆机构(2)周转副存在条推论：（1）若A是周转副，则B必为周转副BACDbacd（2）具有两个周转副的构件必为最短杆，并满足杆长和条件（3）C、D不是周转副（4）周转副条件不满足时，机构中的各构件只能摆动33推论：BACDbacd（2）具有两个周转副的构件必为最短杆，曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构例题机架?周转副?34曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构例题机架?周转副(3)曲柄的存在条件（戈拉霍夫定理重点）最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和abcd周转副周转副摆转副摆转副最短杆a是机架时，连架杆b和d均为曲柄双曲柄机构最短杆a是连架杆时，b或d是机架，a是曲柄曲柄摇杆机构c是机架时，无曲柄双摇杆机构最短杆是连架杆或机架35(3)曲柄的存在条件（戈拉霍夫定理重点）最短杆和最长杆长度之例1：曲柄滑块机构有曲柄的条件ababemn构件a能通过m点的条件是：构件a能通过n点的条件是：曲柄滑块机构有曲柄的条件36例1：曲柄滑块机构有曲柄的条件ababemn构件a能通过m点例2：对心导杆机构有曲柄的条件有曲柄摆动导杆机构有曲柄转动导杆机构有曲柄转动导杆机构导杆机构总是有曲柄的。37例2：对心导杆机构有曲柄的条件有曲柄有曲柄有曲柄导杆机构总是θ（1）极位夹角

当曲柄逆时针转过一周时，摇杆最大摆角对应其两个极限位置（曲柄和连杆处于两次共线位置），通常把曲柄这两个位置所夹的锐角称为极位夹角。极位夹角()：输出构件在两个极限位置时，主动曲柄的一个位置的方向与第二位置的反方向之间的夹角。2.急回运动和行程速比系数38θ（1）极位夹角当曲柄逆时针转过一周时，摇曲柄AB1AB2，摇杆C1DC2D,1

推程运动角曲柄AB2AB1,摇杆C2DC1D,2

回程运动角

39曲柄AB1AB2，摇杆C1DC2D,1推（2）急回运动在曲柄等速回转情况下，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动。（3）行程速比系数为衡量摇杆急回作用的程度，通常把从动件往复摆动平均速度的比值（大于1）称为行程速比系数，并用K来表示。40（2）急回运动在曲柄等速回转情况下，摇杆往复4141有急回要求的设备上，应明显标出原动件的正确回转方向。机构急回特性在工程上应用的三种情况：

（1）慢进快退（2）快进慢退（3）无急回42机构急回特性在工程上应用的三种情况：42ADabd讨论1：曲柄摇杆机构的极位夹角43ADabd讨论1：曲柄摇杆机构的极位夹角43e讨论2：曲柄滑块机构的极位夹角对心偏置θ=0，K=1，无急回特性θ>0，K>1，有急回特性44e讨论2：曲柄滑块机构的极位夹角对心偏置θ=0，K=1，讨论3：摆动导杆机构的极位夹角θ>0，K>1，有急回特性；θ=ψ45讨论3：摆动导杆机构的极位夹角θ>0，K>1，有急回特3.铰链四杆机构的传动角和死点（1）压力角和传动角压力角：力F的作用线与力作用点绝对速度V所夹的锐角α。在其它条件不变的情况下压力角α越小，作功W越大。463.铰链四杆机构的传动角和死点（1）压力角和传动角压力角：力传动角：压力角的余角γ。

传动角：机构传力性能的一个重要指标，是力利用率大小的衡量指标。47传动角：压力角的余角γ。传动角：机构传力性能的一个重铰链四杆机构的压力角铰链四杆机构中，如果不考虑构件的惯性力和铰链中的摩擦力，则原动件AB通过连杆BC作用到从动件CD上的力将沿BC方向，该力的作用线与力作用点C点绝对速度所夹的锐角称为压力角。

传动角压力角的余角定义为传动角。

48铰链四杆机构的压力角48为保证所设计的机构具有良好的传动性能，通常应使最小传动角;在传递力矩较大的情况下，应使。讨论：压力角越小，推动机构运动的有效分力越大，故压力角越小越好；49为保证所设计的机构具有良好的传动性能，通常应使最小传动讨论：ABCDabcdFFtFn50ABCDabcdFFtFn50ABCDabcdFFtFn51ABCDabcdFFtFn515252传动角

比较和，找出其中较小的角度。53传动角比较和，找出其中较小的角ababemn讨论：曲柄滑块机构的压力角。54ababemn讨论：曲柄滑块机构的压力角。54从动件的传动角时机构所处的位置（压力角等于90°）。

（2）死点位置55从动件的传动角时机构所无死点存在!曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点DA56无死点存在!曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点DA56AB与BC共线时，或者机构有死点存在。曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）的死点DA57AB与BC共线时，或者机构有死点存在。曲柄摇杆机构（摇杆为主机构的极位与死点是同一位置吗？区别何在？58机构的极位与死点是同一位置吗？区别何在？58曲柄滑块机构（曲柄为主动件）的死点e无死点存在！e曲柄滑块机构（滑块为主动件）的死点有死点存在！59曲柄滑块机构（曲柄为主动件）的死点e无死点存在！e曲柄滑块机采取措施使其能顺利地通过死点位置。

死点位置在机构中的作用对于传动机构，在死点位置时，驱动从动件的有效回转力矩为零，可见机构出现死点对于传动是很不利的。

蒸汽机车车轮联动机构60采取措施使其能顺利地通过死点位置。死点位置在机构中的作用利用死点位置来实现一定工作要求。飞机起落架机构钻床夹具机构61利用死点位置来实现一定工作要求。飞机起落架机构钻床夹具机构6*连杆机构运动的连续性错位不连续错序不连续62*连杆机构运动的连续性错位不连续62四杆机构设计的基本问题函数机构设计轨迹机构设计导引机构设计四、平面四杆机构设计63四杆机构设计的基本问题函数机构设计四、平面四杆机构设计6364641.导引机构设计

设计方法：图解法、解析法（1）图解法（2）解析法651.导引机构设计设计方法：图解法、解析法（1）图解法（2）2.函数机构设计

设计方法：图解法、解析法、数值比较法（1）解析法662.函数机构设计设计方法：图解法、解析法、数值比较法（1）铰链四杆机构位置方程：67铰链四杆机构位置方程：67（2）数值比较法设计步骤建立连架杆转角曲线数据库

将给定函数y=f（x）转换为连架杆转角关系曲线与数据库中曲线比较求得机构

68（2）数值比较法68（3）按从动件急回特性设计四杆机构已知：行程速比系数K=1.25，摇杆长度mm，摇杆摆角，机架长度mm，试确定曲柄摇杆机构尺寸。

解：69（3）按从动件急回特性设计四杆机构已知：行程速比系数K=1.已知：行程速比系数K、行程H和偏距e，现设计此机构。70已知：行程速比系数K、行程H和偏距e，现设计此机构。70已知:摆动导杆机构中机架的长度lAC，行程速比系数K，要求设计此机构。B2B171已知:摆动导杆机构中机架的长度lAC，行程速比系数K，要求设3.轨迹机构设计

设计方法：实验法、解析法（1）实验法（2）解析法723.轨迹机构设计设计方法：实验法、解析法（1）实验法（2）有六个待定参数：a、b、c、d、e、g，若在给定轨迹中选6个点～6，分别代入上式，即可得到6个方程。解此6个方程组成的非线性方程组，可求出全部待定参数，即求出机构尺寸a、b、c、d、e、g，机构实现的连杆曲线可有6个点与给定轨迹重合。73有六个待定参数：a、b、c、d、e、g，若在给定

为了使设计四杆机构的连杆曲线上有更多的点与给定的轨迹相重合，引入坐标系，这样，原坐标系在新坐标系内又增加了三个参数和角。因此，在新坐标系中连杆曲线的待定参数可有九个，即：、a、b、c、d、e、g）=0，按此式求解出机构的连杆曲线可有九个点与给定轨迹相重合。74为了使设计四杆机构的连杆曲线上有更多的点与给4.连杆机构的优化设计

（1）问题的提出（2）优化设计的基本概念设计变量目标函数约束条件优化设计的数学模型754.连杆机构的优化设计（1）问题的提出（2）优化设计的基本机构优化设计建模的基本问题：正确地选择设计变量，根据机构的工作要求，提出恰当的限制条件并构造约束函数，建立能够描述机构特征的目标函数，并求其最小值。76机构优化设计建模的基本问题：76