第3章 平面连杆机构及其设计.ppt

1、第三章 平面连杆机构及其设计,3-1 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题,3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化,3-3 平面四杆机构的主要工作特性,3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计,3-5 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,3-6 实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计,3-1平面连杆机构的特点及其设计的基本问题,1.应用举例,契贝谢夫四足步行机构（动画）,平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构， 又称为平面低副机构。,它是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处在曲线的直线段时则着地静止不动，而另一对角足则处在曲线段作迈足运动，从而可实现类似动物的足行运动。,连杆

2、机构常用其所含的杆数而命名，,故此类机构统称为连杆机构。,2.连杆机构,曲柄滑块机构,摆动导杆机构,此类机构的共同特点：,机构的原动件1和从动件3的运动都需要经过连杆2来传动。,机构中的运动副一般均为低副。,故此类机构也称低副机构。,连杆机构中的构件多呈现杆的形状，,故有四杆机构、六杆机构等。,实例 铰链四杆机构,故常称构件为杆。,构件多呈现杆的形状；,可实现多种运动变换和运动规律；,连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。,缺点：,运动链长，累积误差大，效率低；,惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动；,一般只能近似满足运动规律要求。,3.传动特点,运动副一般为低副；,优点：,或者在主动件

3、 运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。,即要求连杆机构能引导构件按规定 顺序精确或近似地经过给定的若干位置,即要求连杆机构中做平面运动的构件 上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。,平面连杆机构设计的基本问题,1）实现构件给定位置 ，,2）实现已知运动规律，,即要求主、从动件满足已知的若干组对 应位置关系，,包括满足一定的急回特性要求，,3）实现已知运动轨迹，,3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化,一、铰链四杆机构,其他型式的四杆机构是由基本型式的四杆机构演化而来的,所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。,名词解释： 曲柄作整周定轴回转的构件；,连杆作平面运动

4、的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,整转副能作360 相对回转的运动副；,摆动副只能作有限角度摆动的运动副。,铰链四杆机构的三种基本型式,（1）曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。,雷达天线俯仰机构,缝纫机踏板机构,摇杆主动,曲柄主动,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,反平行四边形机构,-车门开闭机构,实际应用：插床机构、惯性筛等。,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：鹤式起重机,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,回顾：基本式四

5、杆机构的应用,铰链四杆机构的倒置,注意：双摇杆机构的类型,（1）曲柄摇杆机构的倒置机构,（2）机构中的四个转动副均为摆动副,平面四杆机构的类型和应用(2/2),选用不同的构件为机架,（即机构的倒置）,在一个四杆机构中，选取不同的 构件作机架，以获得输出构件与 输入构件间不同的运动特性。,其三种倒置机构均为双摇杆机构,二、含有一个移动副的四杆机构,移动副可以看做是由转动副演化而来的,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,曲柄滑块的倒置,导杆机构,转动（回转）导杆机构,摆动导杆机构,当杆1的长度小于机架长度时，导秆3只能作来回摆动， 又称为摆动导秆机构，牛头刨中的主运动机

6、构是他的应用实例,当杆1的长度大于机架长度时，当构件1和构件3均能作整周转动，小型刨床就是应用实例,三、含两个移动副的四杆机构,对心曲柄滑块机构,正弦机构,s=l sin ,正弦机构的表示方法,正弦机构的倒置,正弦机构及其倒置机构的应用,刺布机构,椭圆规,十字沟槽联轴节,正切机构及其倒置机构,正切,滑块摇杆,摇杆导杆,滑块摇块,四、偏心轮机构,偏心轮机构,在曲柄滑块机构中，若把曲柄端点的转动副半径扩大，使它超过曲柄的长度，曲柄就演化成一个偏心轮，其偏心距为曲柄的长度。,演化型式四杆机构的应用,O1,1,2,3,4,5,A,B,C,O2,r1,r2,双偏心轮机构,偏心轮机构多用于曲柄销承受重大冲

7、击载荷或曲柄长度较短 及曲柄需要装在直轴中部的机器中,作用：增大轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，简化结构。,应用于传力较大的冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。,3-3 平面四杆机构的主要工作特性,1.铰链四杆运动链中转动副为整转副的充分必要条件,一、转动副为整转副的充分必要条件,铰链四杆机构中某个转动副是否为整转副取决于四个构件的相对长度关系,设ad，同理有：da, db, dc,即AB为最短杆,即AD为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和 其他两杆长度之和,结论：周转副存在条件,四杆长度满足杆长条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆之和。 构成周转副的构件中必有一个是最短杆。,铰链四

8、杆机构类型的判断条件：,2）若不满足杆长和条件，该机构只能是双摇杆机构。,1）在满足杆长和的条件下： （1）以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构； （2）以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄机构； （3）以最短杆的对边构件为机架，均无曲柄存在，即该机构为双摇杆机构。,注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长其余三杆长度之和。,特例：铰链四杆机构中有两个构件长度相等且均为最短,1、另两个构件的长度不等,则不存在整转副,2、另两个构件的长度相等,a,a,c,c,a,a,c,c,三个整转副,四个整转副,b+c,k1,

9、k3,k2,a+db+c,a+bd+c,a+cd+b,如左图可得,即,所以：ab, ac, ad,2.含有一个移动副四杆运动链中转动副为整转副的充分必要条件,s,e,如图，偏置曲柄滑块机构中含有一个移动副三个转动副,显然，a+be,1)、转动副B为整转副的充分必要条件,k1,k4,显然，当e=0时，转动副B一 定是整转副,2)、转动副A为整转副的充分必要条件,k1,b,b,即：a+eb,x2,x2,x1,x1,3)、转动副C为整转副的充分必要条件,k2,a+e,a-e,即：b+ea,y2,y2,y1,y1,表3-2 含一个移动副四杆机构主要类型,几何条件,作为机架的构件,整转副,所得机构名称,

10、a+eb,b+ea,A、B,B、C,无,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,转动导杆机构,曲柄摇块机构,移动导杆机构,曲柄滑块机构,摆动导杆机构,曲柄转块机构,曲柄导杆机构,摇杆滑块机构,双摇杆机构,摇杆摇块机构,摇杆导杆机构,摇杆滑块机构,二、行程速度变化系数,1、急回运动,当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回特性。,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角, 即C1AC2,2、行程速比系数K,工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K来描述。,结

11、论,且 角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著。,当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性；,平面连杆机构有无急回作用，主要取决于有无极位夹角。,3、曲柄摇杆机构的分类,按A、D与C1C2线的关系或四杆的杆长关系，可分成三类,1）型曲柄摇杆机构：摇杆慢行程摆动方向与曲柄转向相同， A、D位于C1C2线的同侧, a2+ d2 b2+ c2 有急回特性,3）型曲柄摇杆机构（对心曲柄摇杆机构）：A位于C1C2线上， a2+ d2 = b2+ c2 无急回特性,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,存在急回特性,不存在急回特性,极位夹角小于900,导杆机构,存在急回特性,应用 、牛头刨床机构，往

12、复式输送机等,急回特性的作用,四杆机构的急回特性可以节省空间，提高生产率。,极位夹角等于导杆的摆角,连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角 称为四杆机构在此位置 的传动角。,三.压力角和传动角,有效分力：Ft=Fcos 有害分力：Fr=Fsin,且 90 90,愈小，机构传动性能愈好。,压力角：从动件所受的力F与受力点速度Vc所夹的锐角,1.压力角,2.传动角,3、最小传动角的确定： 对于曲柄摇杆机构， min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。, 越大，机构的传动性能越好，,设计时一般应使 min400,对于高速大功率机械应使 min500,型曲柄摇杆机构最小传动角出现在曲柄与机架重叠共线位

13、置,型曲柄摇杆机构最小传动角出现在曲柄与机架拉直共线位置,型曲柄摇杆机构在曲柄与机架重叠共线位置和拉直共线位置 均出现最小传动角,对于曲柄摇杆机构，以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角0，,这时主动件CD 通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB 转动的“顶死” 现象，,机构的这种位置称为“死点”。,四.死点位置,存在死点位置的标志是,连杆与从动件共线,摇杆为原动件，有2个死点位置； 曲柄为原动件，没有死点位置。（因连杆与从动杆不会共线）,在导杆机构中,曲柄为原动件时，没有 死点位置；,反之，则有2个 。,在曲柄滑块机构中,曲柄为原动件时，

14、没有死点位置；,反之，则有2个,（1）克服死点的方法,1）利用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。,2）采用将两组以上的同样机构组合使用，且使各组机构的死 点位置相互错开排列的方法。,（2）死点的应用,例1 飞机起落架收放机构,例2 折叠式桌的折叠机构,例3 夹紧机构,例4 图3-18,3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计,1、连杆位置用活动铰链中心B、C表示,一.图解法,已知连杆BC的三个位置B1C1、B2C2、B3C3,设计的实质是确定固定铰 链A、D的位置,B1、B2 、B3所在圆的圆心 即为铰链A位置。 C1、C2 、 C3 所在圆的圆心 即为铰链D的位置。,若

15、仅知道连杆BC的二个位置，可通过其它条件确定A、D位置,2、连杆位置用连杆平面上任意两点表示,接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置。,这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。,这种方法又称为反转法。,为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作新机架，而将其相对的杆视为新连杆。,机构的倒置原理,M1,N1,M2,N2,N3,M3,A3,A2,D2,D3,D,C,B,A,图3-21,已知连杆平面上两点M、N的三 个位置序列,两固定铰链中心位 于A、D位置,确定连

16、杆及两连架杆的长度,3-5 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计,一.图解法,1、给定两连杆对应位移设计连杆,已知:曲柄AB及其三个位置，机架AD的长度，构件CD上某直线DE的三个位置。,本设计的实质是求活动铰链C的第一个位置C1。 可通过连架杆AB对CD的相对运动来确定铰链C的位置，即,将连架杆CD上某直线DE的,第一个位置DE1当作机架不动，连架杆AB看作连杆,采用反转法实现AB对CD的相对运动。,2.按给定的行程速度变化系数K设计四杆机构,a) 曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K，设计 此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形腰长 为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为a，连杆为b，则A C1=a+b,以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得： a=EC1/ 2 b= A C1EC1/ 2,A C2=b-a，故有：,a=( A C1A C2)/ 2,C2C1P=90,交于P;,b) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。,计算180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射线C1O 使C2C1O=90,以O为圆