机械设计基础（3D版）课件 第3章 平面连杆机构

第3章

平面连杆机构机械设计基础（3D版）铰链四杆机构的类型及应用3.1铰链四杆机构类型的判断3.2铰链四杆机构的演化3.3平面四杆机构的工作特性3.4目录contents机构中的构件是通过运动副连接起来的，运动副分为低副和高副，所有构件通过低副连接的平面机构称为平面连杆机构。最简单的连杆机构由两构件组成;根据构件数目分为平面四杆机构、平面五杆机构、多杆机构………广泛应用的是平面四杆机构，它是构成和研究平面多杆机构的基础。平面连杆机构特点1特点2特点3特点4由于低副是面接触，压强低，磨损量小

制造方便，容易获得较高的精度

容易实现常见的转动、移动及其转换低副中存在的间隙不易消除，会引起运动误差应用：动力机构、重型机械、农业机械、轻工机械、仪表机构等。平面连杆机构特点四个构件全部用转动副相连接的平面四杆机构称为铰链四杆机构。§1铰链四杆机构的类型及应用铰链四杆机构的构件名称：机架：机构中的固定构件，用来支承活动构件；连架杆：直接与机架连接的构件；连杆：不直接与机架连接的构件。§1铰链四杆机构的类型及应用能作整周回转的连架杆称为曲柄；只能在一定角度范围内作往复摆动的连架杆称为摇杆；若组成转动副的两构件能作整周相对运动，则称此转动副为整转副，否则称为摆转副。曲柄：以整转副与机架相连。摇杆:以摆转副与机架相连。机架连架杆曲柄连架杆摇杆连杆整转副整转副摆转副摆转副铰链四杆机构分类----按连架杆不同运动形式曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构铰链四杆机构观察连架杆的运动§1铰链四杆机构的类型及应用1.曲柄摇杆机构§1铰链四杆机构的类型及应用两连架杆中一个是曲柄，一个是摇杆的铰链四杆机构。以曲柄为原动件：将转动转变为往复摆动以摇杆为原动件：将往复摆动转变为转动2.双曲柄机构§1铰链四杆机构的类型及应用两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构。（1）普通双曲柄机构从动曲柄变速转动主动曲柄等速转动

运动特点:惯性筛机构，筛子作变速移动，以达到筛分材料颗粒的目的。（2）平行双曲柄机构（平行四边形机构）双曲柄机构中，若两对边构件平行且长度相等，则称为平行四边形机构。工件夹紧机构就利用了连杆（压板3）作平动的特点，以实现压板3的平面平动，从而夹紧和松开工件。机车车轮的联动机构则利用了其曲柄

等速同向转动的特点§1铰链四杆机构的类型及应用（3）反平行四边形机构§1铰链四杆机构的类型及应用双曲柄机构中，若两对边的长度相等但不平行，则称为反平行四边形机构。主、从动曲柄转向相反、转速大小相同。车门启闭机构反平行四边形机构使两扇车门同时开启或关闭。3.双摇杆机构铰链四杆机构两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。港口起重机利用两摇杆

的摆动，使得位于连杆上

的重物能沿近似水平直线运动运动训练器座椅上的人利用手、脚协同施力于杆1，带动杆3实现摇摆，达到键身的目的§1铰链四杆机构的类型及应用§2铰链四杆机构类型的判断铰链四杆机构具有整转副的条件：如图所示的曲柄摇杆机构，各杆长度分别用a、b、c

、d表示，为使连架杆AB成为曲柄，转动副A应做整周转动，则AB杆必须经过与机架共线的两个位置AB1和AB2

。当曲柄处于AB1时，形成三角形B1C1D;当曲柄处于AB2时，形成三角形B2C2D。根据三角形任意两边之和必大于（或等于）第三边定理可得：三角形

B2C2D中：

b≤(d－

a)＋c和c≤(d－

a)＋b三角形B1C1D中：a＋d

≤

b＋cB1B2ACDBC1C2整理后可得：a＋b≤d＋c；a＋c≤b＋d；

a＋d≤b＋c将上述三式两两相加可得a≤b，

a≤d，

a

≤c。此式表明机构中杆AB为最短杆，其余三个杆中有一杆为最长杆。可知：铰链四杆机构满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和时，最短杆的两端为整转副。在有整转副存在的铰链四杆机构中，若取最短杆为连架杆，则最短杆连架杆的两端为整转副，两个连架杆一个为曲柄，一个为摇杆，此机构为曲柄摇杆机构；若取最短杆为机架，则机架的两端均为整转副，两个连架杆均为曲柄，此机构为双曲柄机构；若取最短杆为连杆，则连杆的两端为整转副，两个连架杆均为摇杆，此机构为双摇杆机构。不满足杆长条件的铰链四杆机构，机构中不存在整转副，无论取哪个杆件作机架，都无曲柄存在，机构只能是双摇杆机构。综上分析，铰链四杆机构曲柄存在的条件为：1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。2）连架杆和机架中必有一杆为最短杆。§2铰链四杆机构类型的判断根据曲柄存在的条件，可按下述方法判断铰链四杆机构的类型：（1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和：1）当最短杆为连架杆时，该机构为曲柄摇杆机构。2）当最短杆为机架时，该机构为双曲柄机构。3）当最短杆为连杆时，该机构为双摇杆机构（2）最短杆与最长杆长度之和大于或等于其它两杆长度之和：

无论取哪个杆件作机架，都无曲柄存在，机构只能是双摇杆机构。（3）机构的长度具有特殊关系：

如不相邻的杆长两两分别相等，该机构不论以哪个杆件为机架，都是双曲柄机构（平行四边形机构或反平行四边形机构）。§2铰链四杆机构类型的判断§3铰链四杆机构的演化一、转动副演化成移动副如图所示曲柄摇杆机构，当曲柄1转动时，摇杆3上C点的轨迹是以CD为半径的圆弧。若将摇杆3的长度增至无穷大，则C点的轨迹变成直线，此时摇杆变成滑块，转动副D将演化成移动副，于是该铰链四杆机构演化成含有滑块的四杆机构，称此机构为曲柄滑块机构。根据滑块导路是否通过曲柄转动中心

，曲柄滑块机构分为对心曲柄滑块机构和具有偏心距

的偏置曲柄滑块机构两种。曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。当曲柄滑块机构的连杆2的长度增加至无穷大时，可再把连杆2做成滑块，连杆2和滑块3所组成的转动副C将变成移动副，这时机构演化为具有两个移动副的双滑块四杆机构，该机构称为正弦机构。这种机构常用于仪表和计算装置中。§3铰链四杆机构的演化二、选取不同的构件为机架在平面低副机构中，当选取不同构件为机架时，两构件之间的相对运动关系不会发生改变，这个特性叫做低副运动的可逆性。1.曲柄摇杆机构选取不同构件为机架曲柄摇杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构§3铰链四杆机构的演化2.对心曲柄滑块机构选取不同构件为机架1为机架摇块机构定块机构3为机架2为机架摆动导杆机构l1>l2对心曲柄滑块转动导杆机构l1<l2§3铰链四杆机构的演化3．扩大转动副的尺寸在平面四杆机构中，若需曲柄长度很短，或者要求滑块行程较小时，可将转动副

的半径扩大，超过曲柄的长度

，则曲柄变成了偏心圆盘，此时，圆盘的转动中心

与其几何中心

之间的距离

称为偏心距，它与曲柄的长度相等。把曲柄做成偏心轮，可以增大轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度。偏心轮机构在传力较大的冲床、剪床、颚式破碎机等机械中得到了广泛应用。§3铰链四杆机构的演化§4平面四杆机构的工作特性一、急回特性与行程速比系数1.几个概念极限位置：曲柄两次与连杆共线时摇杆CD存在左右极限位置；（AB1C1为重叠共线，AB2C2为拉直共线）摆角：摇杆两极限位置间的夹角ψ称为摇杆的摆角；极位夹角：当摇杆处于两极限位置时，对应曲柄的两共线位置间所夹的锐角θ

，称为极位夹角。曲柄摇杆

∵

1＞

2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的运动特性称为急回特性。故：摇杆C点平均速度摆角

,时间t1摆角

,时间t22.急回特性与行程速比系数§4平面四杆机构的工作特性为描述急回运动特性，四杆机构从动件空回行程平均速度与工作行程平均速度的比值称为行程速比系数，用K

表示：§4平面四杆机构的工作特性机构的急回特性与极位夹角θ

有关，而且θ角越大，K值越大，急回特性也越明显。机构设计时，通常根据机构的急回要求先定出K值，然后由公式计算极位夹角。1、压力角

:从动摇杆所受力

的方向与受力点C的速度Vc之间所夹的锐角

，称机构在此位置的压力角。从动件受力F有效分力有害分力

压力角

越小，推动机械运动的有效分力越大，所以压力角越小越好。ABCDF

Fn

vFt在连杆机构中，为度量方便，常用压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角(传动角)检验机构的传力性能。二、压力角与传动角§4平面四杆机构的工作特性

传动角越大，推动机械运动的有效分力越大，所以传动角越大越好。习惯用传动角

判断机构传力性能。

机构在运转一周的过程中，传动角是变化的。机构出现最小传动角的位置正好是传力效果最差的位置，也是检验其传力性能的关键位置。

为保证机构传动性能良好，设计时应使：2.传动角：压力角的余角，用

表示。3.对

min

的要求：γmin

≥[γ][γ]——许用传动角通常

[γ]＝40º，高速大功率机械通常

[γ]＝50º§4平面四杆机构的工作特性①当曲柄与机架重迭共线时：∠BCD最小

，γmin=∠BCD②当曲柄与机架拉直共线时：∠BCD最大且＞90°时，γmin=180°-∠BCD

γmin出现在曲柄与机架拉直和重叠共线的两个位置之一。4.min

的位置：§4平面四杆机构的工作特性§4平面四杆机构的工作特性三、死点位置

若摇杆为原动件，曲柄为从动件，从动件的传动角等于零时机构所处的位置即为死点位置。曲柄为主动件，无死点位置。

机构或顶死，而不能运动；或出现运动不确定。死点位置的危害：克服死点的措施：①利用构件自身的惯性，如飞轮。②采用几套相同的机构错位，如多缸内燃机活塞机构。§4平面四杆机构的工作特性死点的应用飞机起落架夹紧机构§4平面四杆机构的工作特性

1.设计任务：根据给定的运动要求，选择合适的机构型式,并确定其各构件的尺寸参数。2.设计方法：解析法——精确图解法——直观实验法——简便曲柄摇杆机构3.基本问题:1）按照给定的运动规律设计四杆机构。2）实现连杆给定位置的四杆机构设计。按给定K值设计摆动导杆机构§5平面四杆机构的设计已知条件：

摆角设计关键：找铰链中心A点的位置。

C2

C1

D

A

？摇杆长度和行程速比系数Ｋ。一、按给定的行程速比系数设计四杆机构§5平面四杆机构的设计1.曲柄摇杆机构B1

θ

1)画出摇杆CD两极限位置，且C1DC2=ψ;N

C2

C1

D

A

B2E

ψ

θ

90－θ2)画辅助圆;3)根据机架长度或位置确定A点;4)连接AC1、C2，

C1AC2=θ;5)确定曲柄、连杆长度。设计方法：§5平面四杆机构的设计偏置曲柄滑块机构eABC2.偏置曲柄滑块机构§5平面四杆机构的设计已知条件：滑块行程S，偏距e和行程速比系数Ｋ。设计关键：找铰链中心A点的位置。设计方法：

与曲柄摇杆机构基本相似，作出外接圆后，可根据偏心距确定曲柄的回转中心的位置。已知条件：机架长度和行程速比系数Ｋ。求解：曲柄长度3.设计摆动导杆机构设计步骤：（只有两个可测长度构件）①由K求极位夹角θ③作摆角ψ

的角平分线，并在其上确定A点：CψmnAB1B2B②按ψ=θ画出导杆两极限位置④确定曲柄长度§5平面四杆机构的设计已知条件：连杆长度lBC和连杆的位置B1C1、