第五章平面连杆机构

机械设计基础

之

第二部分常用传动机构设计基础（3）1第五章平面连杆机构2§5-1概述§5-2铰链四杆机构基本型式及其演化§5-3铰链四杆机构的几个特性§5-4平面四杆机构的设计简介本章主要内容3一、基本概念及应用举例平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构。§5-1概述连杆机构(Linkages)是由若干刚性构件用低副(转动副、移动副、球面副、球销副或螺旋副等)联接组成的机构,又称为低副机构。连杆机构应用十分广泛，在如下机械装置中均有应用。如：内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠伞、折叠床、单车等。4应用举例（1）公交车门5吊车应用举例（2）6应用举例（3）车轮7应用举例（4）升降台8应用举例（5）发动机9应用举例（6）飞机起落架10应用举例（7）机械手11应用举例（8）牛头刨12应用举例（9）椭圆仪13应用举例（10）雷达调整机构14二、平面连杆机构的特点1、能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，如：转动、摆动、移动、平面运动2、运动副不易磨损而又易于加工面接触：①承载能力大；②便于润滑，寿命长几何形状简单：①便于加工，成本低。优点：15缺点：①只能近似实现给定的运动规律，设计复杂；②连杆机构作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完成平衡。二、平面连杆机构的特点16一、铰链四杆机构的基本形式所有运动副均为回转副的平面四杆机构机架连架杆连杆连架杆§5-2铰链四杆机构的基本形式及其演化17机架（4）连架杆（1、3）：

定轴转动连杆（2）：

平面运动能绕其轴线转360º的连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。曲柄摇杆连架杆18根据两连架杆的运动形式，铰链四杆机构可以分为以下三种基本型式：曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构191、曲柄摇杆机构两连架杆：一为曲柄，一为摇杆将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动，反之亦然。20曲柄摇杆机构（应用举例）21曲柄摇杆机构（应用举例）vB踏板缝纫机主运动机构脚AB1C1DFB

22曲柄摇杆机构（应用举例）P71图5-3232、双曲柄机构两连架杆：均为曲柄将等速回转转变为等速或变速回转。24双曲柄机构（应用举例）ABDC1234E6惯性筛机构25双曲柄机构（应用举例）26ADCB1234双曲柄机构（应用举例）叶片泵27设计：潘存云ABCD耕地料斗DCAB耕地料斗DCAB实例：火车轮特例：平行四边形机构AB=CD特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动BC=ADABDC摄影平台ADBCB’C’天平播种机料斗机构28设计：潘存云反平行四边形机构——车门开闭机构反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开排列。293、双摇杆机构两连架杆：均为摇杆30双摇杆机构（应用举例）31双摇杆机构（应用举例）32双摇杆机构（应用举例）33二、铰链四杆机构种曲柄存在的条件34l3l2B1c1C2B2αΨ’l1l435铰链四杆机构曲柄存在的条件

36铰链四杆机构曲柄存在的条件

若：l1≤l237铰链四杆机构曲柄存在的条件(2)连架杆和机架中有一杆为最短杆。（1）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆长度之和；38[0~360°][0~360°](<360°)(<360°)1234ABCD曲柄摇杆机构取不同构件为机架各构件间的相对运动关系不变整周转动副39(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABCD整周转动副双曲柄机构取不同构件为机架各构件间的相对运动关系不变40(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABCD整周转动副双摇杆机构取不同构件为机架各构件间的相对运动关系不变41424344结论：1）取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整转副，故得到曲柄摇杆机构；2）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，故得双曲柄机构；3）取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，故得双摇杆机构；4）铰链四杆机构中的最短杆和最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，不存在曲柄，均为双摇杆机构。正平行四边形

----特例45三、平面四杆机构的演化1、曲柄滑块机构2、导杆、导块及定块机构3、含有两个移动副的四杆机构4、偏心轮机构461、曲柄滑块机构47CABD1234C3AB124eABD1234C转动副转化成移动副的演化即改变构件的形状和运动尺寸1、曲柄滑块机构48C3AB124eAB1234C对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构AB1234eC1、曲柄滑块机构49曲柄滑块机构（应用实例）50曲柄滑块机构（应用实例）51AB1234eCabD2B23Cb4bbEFGaA11aea存在曲柄的条件为：存在曲柄的条件？522、导杆、摇块和定块机构BA1234C(a)曲柄滑块机构(b)曲柄转动导杆机构BA1234C

(c)曲柄摇块机构A1234CB(d)曲柄摆动导杆机构3A124CB(e)定块机构A234CB1画成杆状的构件称为导杆，画成块状的构件称为导块。选择不同的构件作为机架53导杆机构（应用实例）54导杆机构（应用实例）55摇块机构（应用实例）应用实例B234C1A自卸卡车举升机构应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2应用实例A1C234Bφ56定块机构（应用实例）手摇唧筒BC3214AABC3214573、含有两个移动副的四杆机构将右侧典型铰链四杆机构中转动副同时转化为移动副，然后再取不同构件为机架，即可得到不同型式含两个移动副的四杆机构。58偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构

正弦机构s=lsinφ↓∞

→∞φl双滑块机构/正弦机构的演化59例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构椭圆仪机构1234正弦机构321460扩大转动副4、偏心轮机构61偏心轮机构62偏心轮机构-组合机构63偏心轮机构-组合机构64偏心轮机构-组合机构65一、急回运动和行程速比系数

（急回特性）§5-3铰链四杆机构的几个特性二、压力角与传动角（传力特性）三、机构的死点位置66曲柄摇杆机构中，原动件AB以等速转动B2C2B1C1(1)输出件CD的两极限位置当AB与BC两次共线时，输出件处于两极限位置。曲柄转角对应的时间摇杆点C的平均速度极位夹角

当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄位置线所夹的锐角。A21C34BDabcd摆角极位夹角v1v2))一、急回运动和行程速比系数67（2）输出件的行程速度变化系数K空回行程平均速度v2与工作行程平均速度v1之比。平面四杆机构具有急回特性的条件：（1）原动件作等速整周转动；（2）输出件作往复运动；（3）急回特性的意义?68vcFF1F21ABCD234压力角：传动角：

压力角的余角。

在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受力点的速度方向线所夹的锐角。二、压力角与传动角69vcABC12F

画出压力角70FvcaAB134Cb2画出压力角71vBFACBD画出压力角72当摇杆为主动件,在两个极限位置FVFV死点位置：当机构处于压力角α=90°或传动角γ=0°的机构位置。三、机构的死点位置73死点位置实例74vB踏板缝纫机主运动机构脚AB1C1DFB

75死点位置实例Fv76死点位置的工程应用77地面死点位置的工程应用78如何消除死点位置的影响79§5-4平面四杆机构的设计简介一、平面四杆机构设计的基本问题选型：运动尺寸设计：确定连杆机构的结构组成，如构件数目，运动副类型、数目。确定机构运动简图的参数：①转动副中心之间的距离；②移动副位置尺寸

1、图解法；2、解析法；

3、图谱法；4、实验法。设计方法：80平面连杆机构设计的基本问题分类：1、根据行程速比系数K进行设计2、根据连杆预定位置进行设计3、根据两连架杆预定对应位置进行设计4、根据点的运动轨迹进行设计按给定的运动规律进行设计按给定的运动轨迹进行设计811、根据K设计四杆机构比如设计一曲柄摇杆机构已知:Kl4

二、平面四杆机构设计简介首先求极为夹角：82(1)曲柄摇杆机构ADC1C2AB=(AC1-AC2)/2BC=AC1-ABAC2=BC-ABBOAC1=AB+BC已知:K,l4,

作图法要写作图步骤这种情况有无穷解832aAB134CbvcHOeAc1c2BAB=(AC1-AC2)/2BC=AC1-AB(2)曲柄滑块机构已知：H,K,eAC2=BC-ABAC1=AB+BC84(3)曲柄摆动

导杆机构已知：机架长度l4

行程速度系数K85qL4ACB2B186已知:连杆l3=BC和两个位置2、根据连杆位置设计机构87如果给出连杆的3个位置ADB1B2B3C1C2C388xyABCD1234给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：δφψl1l2l3l4建立坐标系,设构件长度为：l1

、l2、l3、l4在x,y轴上投影可得：l1+l2=l3+l4机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.

l1

coc

φ

+

l2

cosδ

=

l3

cos

ψ

+

l4

l1

sinφ

+

l2

sinδ

=

l3

sinψ

ψi＝f(φi)

i=1,2,3…n设计此四杆机构(求各构件长度)。令：

l1=13、根据连架杆位置设计89消去δ整理得：cosφ

＝

l3

cosψ

－

cos(ψ-φ)

＋l3l4l42+l32+1-l222l4P2代入移项得：

l2

cosδ

=l4

＋

l3

cos

ψ

－cos

φ则化简为：cocφ＝P0cosψ

＋

P1

cos(ψ－

φ

)

＋

P2代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：l2

sinδ

=l3

sinψ

－sinφ令:

P0P1cocφ1＝P0cosψ1

＋

P1

cos(ψ1－

φ1

)

＋P2cocφ2＝P0cosψ2

＋

P1

cos(ψ2－

φ2

)

＋P2cocφ3＝P0cosψ3

＋

P1

cos(ψ3－

φ3

)

＋

P2可求系数:P0、P1、P2以及:

l2

、

l3、

l4将相对杆长乘以任意比例系数，所得机构都能满足转角要求。若给定两组对应位置，则有无穷多组解。90举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：φ1ψ1

φ2ψ2

φ3ψ3

45°50°90°80°135°110°φ1ψ1φ3ψ3代入方程得：

cos90°=P0cos80°+P1cos(80°-90°)+P2

cos135°=P0cos110°+P1cos(110°-135°)+P2解得相对长度:

P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805各杆相对长度为：选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。cos45°=P0cos50°+P1cos(50°-45°)+P2B1C1ADB2C2B3C3φ2ψ2l1=1l4=-l3/P1=1.442l2

=(l42+l32+1-2l3P2)1/2=1.783

l3=P0=

1.553,91设计：潘存云D实验法设计四杆机构当给定连架杆位