机械设计基础-第2章平面连杆机构及其设计

TheoryofMachinesandMechanisms机械设计基础第2章

平面连杆机构及其设计第2章平面连杆机构及其设计本章主要教学内容

平面四杆机构的类型及应用

平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的设计本章教学目的了解平面连杆机构的基本型式及应用掌握平面四杆机构的运动特性（进阶要求）熟悉平面四杆机构的设计方法（进阶要求）

平面连杆机构是由若干刚性构件（一般多呈杆状和滑块状）用低副联接而组成的平面机构。共同特点——原动件通过不与机架相连的中间构件传递到从动件上。不与机架相连的中间构件——连杆具有连杆的机构——连杆机构连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为空间连杆机构平面连杆机构优点：承受载荷大，便于润滑制造方便，易获得较高的精度两构件之间的接触靠几何封闭实现实现多种运动规律和轨迹要求缺点：惯性力不易平衡设计较复杂，工作效率低易自锁，机构运动规律对制造、安装精度敏感不易精确实现各种运动规律和轨迹要求连杆机构的特点一、平面四杆机构的基本类型2-1平面四杆机构的类型及应用全转动副的铰链四杆机构含一个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构具有偏心轮的四杆机构演化铰链四杆机构构件机架相对固定连架杆曲柄摇杆整周回转往复摆动连杆平面运动转动副整周转动无法整周转动整转副摆转副连杆连架杆连架杆机架ABCD1、铰链四杆机构的组成铰链四杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构2、铰链四杆机构的基本型式铰链四杆机构结构特点：两个连架杆中一个为曲柄,一个为摇杆。（1）曲柄摇杆机构运动特点：连续转动往复摆动ABCD3412曲柄摇杆机构的应用实例ABDC1243ABDC1243雷达天线俯仰机构曲柄主动摇杆执行2143缝纫机踏板机构摇杆主动曲柄执行3124结构特点：两连架杆均为曲柄。（2）双曲柄机构运动特点：等速回转等速或变速回转ABCD3214双曲柄机构的应用实例料斗DCAB料斗DCABABDC惯性筛机构播种机料斗机构天平机构ABCD平行四边形机构结构特点：两个连架杆均为摇杆。（3）双摇杆机构运动特点：往复摆动往复摆动ABCD3214双摇杆机构的应用实例ABDCEABDCEABDCEABDCABDCABDCABDCQABCDEQ风扇摇头机构汽车转向机构翻台机构起重机构平面四杆机构的演化方法改变构件的形状或运动尺寸选用不同构件为机架改变运动副尺寸铰链四杆机构含一个移动副的四杆机构含两个移动副的四杆机构具有偏心轮的四杆机构演化平面四杆机构演化方法演化方法1—改变构件的形状或运动尺寸曲柄摇杆机构↓∞

对心曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构曲柄滑块机构ee=0送料装置314

A2BDC内燃机演化方法2—选用不同构件为机架曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构123412341234演化方法2—选用不同构件为机架曲柄滑块机构摇块机构导杆机构定块机构314A2BC314A2BC314A2BC314A2BCBC3214AABC3214含一个移动副的四杆机构演化方法2—选用不同构件为机架正弦机构双滑块机构双转块机构123412341234l1sinφφ椭圆仪十字滑块联轴器含两个移动副的四杆机构演化方法3—改变运动副尺寸曲柄滑块机构124ACBACB碎石机124ACB具有偏心轮的四杆机构2-2平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性曲柄存在的条件急回特性运动特性力学特性压力角与传动角

死点位置平面四杆机构的基本特性曲柄存在的条件急回特性运动特性力学特性压力角与传动角死点位置

d+b

a+c

d+a

b+c

d+c

a+b

整转副存在的条件C'B'C''B''ABCDabcd若a<d，AB':AB'':a+d

b+c即a+b

d+c

b(d-a)+c且c(d-a)+b即a+c

d+b

得：a

b,a

c,a

d,即a最小；1.最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和；2.组成该整转副的两杆中必有一杆为最短杆。若d<a，结论：得：d

a,d

b,d

c,即d最小；—杆长条件设A为整转副曲柄存在的条件BACDabdc①最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和；②组成该整转副的两杆中必有一杆为最短杆。整转副存在条件满足杆长条件设AB为最短杆BACDA、B为整转副不满足杆长条件无整转副BACDBACDBACD①各杆的长度满足杆长条件；②最短杆为连架杆或机架。曲柄存在条件平面四杆机构的基本特性

曲柄存在的条件急回特性运动特性力学特性压力角与传动角死点位置基本概念极位摇杆的极限位置。当摇杆在两极位时，曲柄所处两个位置之间所夹的锐角。摇杆两极限位置所夹的角度。极位夹角θ摇杆的摆角ψ

ADC2B2B1C1ψCB

1ADCBBCCBCBCB曲柄摇杆机构的运动特性行程曲柄转角运动时间摇杆摆角摇杆平均速度

v1ψABCDAB1C1DB2C2

1

1B2C2ψv2

1

AD

2B1C1v1=C1C2/t1v2=C1C2/t2C1D→C2DC2D→C1Dα1=180º+θα2=180º-θt1=(180º+

)/

1t2=(180º-

)/

1ψψ曲柄摇杆机构的急回特性急回运动特性v1=C1C2/t1v2=C1C2/t2t1=(180º+

)/

1t2=(180º-

)/

1t1>t2v2>v1行程曲柄转角运动时间摇杆摆角摇杆平均速度v1=C1C2/t1v2=C1C2/t2C1D→C2DC2D→C1Dα1=180º+θα2=180º-θt1=(180º+

)/

1t2=(180º-

)/

1ψψ曲柄摇杆机构的急回特性

行程速比系数K（1）曲柄摇杆机构具有急回特征的条件：（2）

↑→K↑，急回特征越显著。K>1，

>0。平面四杆机构的基本特性

曲柄存在的条件急回特性运动特性力学特性

压力角与传动角死点位置压力角与传动角假设：不考虑构件的重力、惯性力和运动副中摩擦力等影响。压力角α

——主动件通过连杆作用在从动件上的力的方向与作用点的速度方向所夹的锐角。传动角γ

——与压力角互余的角。一般机械：γmin≥40º。高速和大功率机械：γmin≥50º。

,Ft

γ

,Ft

FvCFtFn

γFt=FcosαABCD3214平面四杆机构的主要工作特性

曲柄存在的条件急回特性运动特性力学特性压力角与传动角

死点位置曲柄摇杆机构的死点位置取摇杆为主动件:B1C1B2C24ABCD231

=0°

=0°FF死点位置死点的克服借助惯性：

如缝纫机、内燃机等。对从动件施加外力3124死点的利用

利用死点位置实现一定的工作要求。ABCD1234P工件ABCD1234PQγ=0F

连杆式快速夹具2-3平面四杆机构的设计生产实践中的要求是多种多样的，给定的条件也各不相同，归纳起来，主要有以下几类：满足预定的连杆位置要求，即要求连杆能占据一有序系列的预定位置。这类设计问题要求机构能引导连杆按一定方位通过预定位置，因而又称为刚体引导问题；满足预定的运动规律要求，如要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位移关系；要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能准确或近似地满足预定的运动规律要求。平面连杆机构设计的基本问题1、主要任务根据机构类型和运动要求确定构件尺寸。

辅助条件：a)几何条件（如要求有曲柄、杆长比恰当等）;b)动力条件（如γmin）。2、分类—依据设计要求按照给定的行程速度变化系数设计四杆机构按照给定连杆位置设计四杆机构按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构按照给定点的运动轨迹设计四杆机构3、设计方法几何作图法、解析法、图谱法平面四杆机构的设计按照给定的行程速度变化系数设计四杆机构按照给定连杆位置设计四杆机构按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构按照给定点的运动轨迹设计四杆机构工程实例进给机构已知条件：摇杆的长度、摆角及行程速比系数。设计关键：确定固定铰链中心的位置。按照给定的行程速比系数K设计四杆机构

ψAB1C1DB2C2MNP

90º-

几何关系：—作图法按照给定的行程速比系数K设计四杆机构设计过程：计算极位夹角：；选定机构比例尺，作出极位图；IM

N90º-

C1C2D

P

B1B2A连C1C2，作C2M

C1C2

；作C1N使

C2C1N=90-

，交C2M于P点；以C1P

为直径作圆I，该圆上任一点均可作为铰链A。设曲柄长度a，连杆长度b，则:比例尺

l有无穷多解—作图法平面四杆机构的设计

按照给定的行程速度变化系数设计四杆机构按照给定连杆位置设计四杆机构按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构按照给定点的运动轨迹设计四杆机构工程实例ABDC翻台机构ⅠⅡ已知条件：连杆上活动铰链中心B和C的几个位置。设计关键：确定固定铰链中心A和D的位置。按照给定连杆位置设计四杆机构b12DAB1C1C2B2比例尺

l有无穷多解c12—作图法按照给定连杆位置设计四杆机构c23b23b12AB1C1C2B2B3C3D比例尺

l唯一解c12—作图法平面四杆机构的设计

按照给定的行程速度变化系数设计四杆机构

按照给定连杆位置设计四杆机构

按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构按照给定点的运动轨迹设计四杆机构工程实例ABDCABCD飞机起落架机构

已知条件：两连架杆的N对对应位置。设计关键：确定机构各杆长度。按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构—解析法xyABCD1234l1l2l3l4建立坐标系，设构件长度为：l1

、

l2、

l3、

l4在x，y轴上投影：机构尺寸按比例放大或缩小，不影响各构件相对转角。φψδ

令：l1=1按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构—解析法P1P2令:消去δ整理得：代入移项得：则上式简化为：若N=3：→P0、P1、P2

→