机械原理 连杆机构.ppt

1、,平面连杆机构 将若干个构件用低副联结起来并作平面运动的机构，也称低副机构。,导 论,平面连杆机构,运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击。,平面连杆机构的特点,可以实现特定运动轨迹要求。,构件可以很长，用于远距离的操作。,运动副的形状简单、规则，容易制造。,5. 运动传递路线较长，易产生累积误差。,6. 惯性力难以平衡，不易于高速运动。,导 论,平面连杆机构的特点,用于实现各种不同的运动规律要求,平面连杆机构的特点,铰链四杆机构 全部运动副为转动副的四杆机构。,连杆：不与机架相联作平面运动的构件；,1.平面连杆机构的基本类型及演化,单击,四杆机构 由四个构件组成的平面连杆机构。,机架：支

2、承传动零件。,曲柄：与机架相联并且作整周转动的构件；,摇杆：与机架相联并且作往复摆动的构件；,曲柄、摇杆连架杆。,一.四杆机构的基本类型,1. 曲柄摇杆机构,单击,两连架杆中，一个作整周转动，一个作往复摆动,1.平面连杆机构的基本类型及演化,一.四杆机构的基本类型,单击,曲柄摇杆机构的应用：,颚式破碎机,四杆机构的基本类型及应用,搅拌机机构,四杆机构的基本类型及应用,曲柄摇杆机构的应用：,雷达天线机构,2. 双曲柄机构,两连架杆均能作整周转动,1.平面连杆机构的基本类型及演化,双曲柄机构的应用：,惯性筛机构,2. 双曲柄机构,特例：平行双曲柄机构,1.平面连杆机构的基本类型及演化,对边杆长相等

3、的双曲柄机构,若对边两杆相等且保持平行 正平行四边形机构,若对边两杆相等但不平行 反平行四边形机构,平行双曲柄机构的应用,四杆机构的基本类型及应用,3. 双摇杆机构,两连架杆均不能作整周转动,1.平面连杆机构的基本类型及演化,双摇杆机构的应用：,汽车前轮转向机构,四杆机构的基本类型及应用,鹤式起重机机构,在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则其与机架相联的转动副转化成移动副,1.平面连杆机构的基本类型及演化,转动副演化为移动副,二.含一个移动副的四杆机构,1. 曲柄滑块机构（固定导杆）,1.平面连杆机构的基本类型及演化,二.含一个移动副的四杆机构,曲柄滑块机构的应用,内燃机主运动机构,

4、含移动副的四杆机构的应用,2. 曲柄摇块机构（固定与滑块相对转动的构件）,1.平面连杆机构的基本类型及演化,二.含一个移动副的四杆机构,转动导杆机构,3. 导杆机构 (固定与滑块不相连的构件),摆动导杆机构,1.平面连杆机构的基本类型及演化,二.含一个移动副的四杆机构,（机架最短）,（机架不是最短）,转动导杆机构的应用：,含移动副的四杆机构的应用,摆动导杆机构的应用：,含移动副的四杆机构的应用,牛头刨床主运动机构,4. 定块机构（固定滑块）,1.平面连杆机构的基本类型及演化,二.含一个移动副的四杆机构,1.偏心轮机构 ,三.四杆机构的其它演化形式,1.平面连杆机构的基本类型及演化,当曲柄的实际

5、尺寸很短并传递较大的动力时,可将曲柄做成几何中心与回转中心距离等于曲柄长度的圆盘，常称此机构为偏心轮机构。,（曲柄演化为偏心轮）,双滑块机构的演化,三.四杆机构的其它演化形式,1.平面连杆机构的基本类型及演化,2.双滑块机构 ,1) 正弦机构,缝纫机下针机构,单击,三.四杆机构的其它演化形式,1.平面连杆机构的基本类型及演化,2.双滑块机构 ,2) 椭圆机构,单击,三.四杆机构的其它演化形式,1.平面连杆机构的基本类型及演化,2.双滑块机构 ,3) 双转块机构,十字滑块联轴器,单击,三.四杆机构的其它演化形式,1.平面连杆机构的基本类型及演化,2.双滑块机构 ,3. 四杆机构的其它演化形式：

6、偏心轮机构的演化 双滑块机构的演化,四杆机构的基本形式： 曲柄摇杆机构 双曲柄机构（平行双曲柄） 双摇杆机构,课堂小结,2. 含移动副的四杆机构： 曲柄滑块机构 导杆机构（摆动导杆、转动导杆）,作业： 1. 搜集生活中连杆机构应用实例3个以上，要求： 画出其运动简图，说明机构名称及应用场合。,2.平面四杆机构的基本特性,一.曲柄存在的条件,双曲柄机构,双摇杆机构,曲柄摇杆机构,问题的引入,？整转副,能实现整周相对转动的转动副,曲柄整周转动，曲柄AB必须顺利 通过与机架AD共线的两个位置AB1和 AB2。,当曲柄处于AB2时，有：,b(da)c abcd c(da)b acbd,2.平面四杆机构

7、的基本特性,一.曲柄存在的条件,adbc,当曲柄处于AB1时，有：,前三式两两相加可得：,2）组成周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆,2.平面四杆机构的基本特性,1）最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其余两杆的长度和 杆长条件,同时：,即：,最短杆为机架 双曲柄机构,最短杆为连杆 双摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,2.平面四杆机构的基本特性,最短杆为连架杆曲柄摇杆机构,铰链四杆机构类型的判断方法：,无论何杆为机架均为双摇杆机构。,曲柄摇杆机构,2.平面四杆机构的基本特性,二.急回运动特性,原动件匀速连续回转，从动件往复运动速度不同的性质。,2.平面四杆机构的基本特性,二.急回运动特性,机

8、构极位曲柄与连杆两次共线时的位置。,极位夹角原动件曲柄在机构极位时所夹的锐角。,摆角从动件摇杆两极限位置时的夹角。,2.平面四杆机构的基本特性,摆角,摆角, 12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 急回运动特性。,故：摇杆C点平均速度,t1,t2,2.平面四杆机构的基本特性,行程速比系数从动件空回行程平均速度与工作行程 平均速度的比值，用 K 表示：,（2）当 0，K 1，机构有急回作用。,因此 （1）当 = 0，K = 1，机构无急回作用。,2.平面四杆机构的基本特性,急回特性的分析：,（2）作图寻找从动件的极限位置。,（1）分析原动件是否为连续运动， 从

9、动件是否为往复运动。,（3）分析机构极位夹角是否大于零。,分析曲柄为原动件的 摆动导杆机构是否存在 急回特性。,2.平面四杆机构的基本特性,压力角: 从动件在点的受力方向F 与该点速度方向v 所夹的锐角，称机构在此位置的压力角，用表示。,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，故压力角越小越好。,三.压力角和传动角,2.平面四杆机构的基本特性,传动角 越大，推动机械运动的有效分力越大， 故传动角越大越好。, min 40, min 的位置：,曲柄与机架两共线位置之一,对 min 的要求：,传动角：压力角的余角，用 表示。,一般机械：,1）当曲柄与机架重叠共线时：,BCD最

10、小 ，min= BCD,2）当曲柄与机架拉直共线时：,BCD最大且90时 ，min= 180 -BCD,2.平面四杆机构的基本特性,死点位置：从动件的传动角 等 于零时机构所处的位置。,机构或是顶死，而不能运动； 或是出现运动不确定。,四.死点位置,死点位置的危害：,2.平面四杆机构的基本特性,克服死点的措施：, 利用惯性,如飞轮。, 采用几套相同的机构错位。, 利用虚约束,如蒸汽机车中的平行四边形机构。,2.平面四杆机构的基本特性,死点位置的利用：,飞机起落架机构,单击,死点位置的利用,2.平面四杆机构的基本特性,机床夹具机构,2.平面四杆机构的基本特性,从动件不能在两个不连通的可行域内连续

11、运动即不能错位不连续；,C,五.运动的连续性,从动件不能违反运动顺序即不能 错序不连续。,1.曲柄存在条件 铰链四杆机构基本类型的判断,课堂小结,4.死点位置,3.传动角与压力角 定义、意义、最小传动角位置,2.急回运动特性 极位夹角的寻找、行程速比系数的意义,作业： 4-2 补充：对4-2所示尺寸的曲柄摇杆机构，当曲柄为原动件时，画图表示机构的极位夹角、摇杆摆角、最小传动角min，并计算机构的行程速比系数K。,预习：四杆机构的设计,设计任务：根据给定的运动要求选定机构的型式,并确定其各 构件的尺寸参数,设计的基本问题:,1) 满足预定的运动规律要求: 要求原动件运动规律一定的条件下，从动件满

12、足预定的运动规律要求。（解析法、图解法）,2) 满足预定的轨迹要求: 要求连杆上某些点的轨迹能符合预 定的要求，称为轨迹机构设计。（实验法、解析法）,3.平面连杆机构的设计,3) 满足预定的连杆位置要求: 要求连杆能 顺序地实现一些给定位置，称为导引机构设计。 （图解法、解析法）,按连杆预定位置设计四杆机构,电炉炉门启闭机构,一、图解法：1.按连杆预定的位置设计四杆机构,1）定比例尺l，作出已知的连杆位置B1C1、B2C2、B3C3,2）分别连接B1B2、B2B3、C1C2、C2C3,3）分别作B1B2、B2B3、C1C2、C2C3的垂直平分线 nb12、 nb23、 nc12、 nc23 ，

13、 取nb12与 nb23的交点为A, nc12与nc23的交点为D。,4）连接AB1、C1D，并量取各构件尺寸长度,已知条件：连杆长度 和连杆的三个给定位置B1C1、B2C2、B3C3,求解：其余三杆长度 、 、,3.平面连杆机构的设计,图解法：2.按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,1）定比例尺l，作出两连架杆的几个对应位置；,2）连接B2D，绕D点转- 12角，得B2点；,3）连接B3D，绕D点转- 13角，得B3 点；,两线交于D杆上C1点；,5）确定连杆BC和连架杆CD的长度。,已知条件：机架长度 和两连架杆的三个对应位置AB1、D和AB2、D及AB3、D,求解：连杆长度 、连架杆长

14、度,3.平面连杆机构的设计,图解法：3.按给定的行程速比系数设计四杆机构,设计方法,3.平面连杆机构的设计,B1,N,C2,C1,D,A,B2,E,3.画辅助圆：,4.根据辅助条件确定A点：,5.量取AC1、AC2长度,并求得曲柄、连杆及机架长度,1.由K求极位夹角,3.平面连杆机构的设计,（4）利用其他辅助条件完成设计。,（3）利用几何关系寻找问题的关键；,（2）将运动条件转化为几何条件；,（1）将已知的几何条件尽可能画出；,3.平面连杆机构的设计,二、 解析法: 1.按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构,令,3.平面连杆机构的设计,三、实验法：,1.按两连架杆对应角位移设计,3.平面连杆机

15、构的设计,实验法：,2.按预定轨迹设计,3.平面连杆机构的设计,连杆曲线：四杆机构运动时，连杆作平面复杂运动，连杆 上每一点都描绘出一条封闭曲线连杆曲线。,3.按连杆曲线图谱设计,实验法：,3.平面连杆机构的设计,连杆机构设计方法小结： 图解法：简便、易行，精度稍差； 解析法：精确、繁杂； 实验法：直观、精度低。,3.平面连杆机构的设计,锻压设备中的肘杆机构,4.多杆机构简介,热轧钢料运输机,4.多杆机构简介,手动冲床,4.多杆机构简介,牛头刨床主运动机构,4.多杆机构简介,本章小结,1、平面连杆机构的应用特点；,3、四杆机构的演化形式： 曲柄滑块机构 摆动导杆机构,4、四杆机构的基本特性：

16、急回特性：极限位置、摆角、极位夹角、行程速比系数 传动角、压力角： 定义、分析方法 死点位置：定义、分析,5、四杆机构的图解设计：按给定连杆位置设计； 按给定两连架杆位置设计； 按行程速比系数设计；,2、四杆机构的基本类型的判断；,作业： 习题：4-2、4-6、4-9、4-11、4-13* 补充：分析4-2所示尺寸的曲柄摇杆机构，当曲柄为原动件时，画图表示机构的极位夹角、摇杆摆角、最小传动角min，并计算机构的行程速比系数K。,本章练习,1）当曲柄摇杆机构处于死点位置时，原动件应是 ， 此时，机构的压力角为 。,2）在曲柄摇杆机构中，若把摇杆变换为机架，则机构演变 成 机构。,3）一对心曲柄滑

17、块机构，若以滑块为机架，则将演化 成 机构。,4）在四杆机构中，能实现急回运动的机构有 、 、 。,本章练习,5）摆动导杆机构，当以曲柄为原动件时，传动角总是 。 A等于0 ； B等于90； C 大于0而小于90。,6）曲柄滑块机构中，若增大曲柄长度，则滑块行程将 。 A增大； B不变； C减小。,7）铰链四杆机构ABCD各杆长度分别为 = 40mm， = 90mm， = 55mm， = 100mm，若取AB杆为机架， 则该机构为 。 A双摇杆机构； B双曲柄机构； C曲柄摇杆机构。,目录索引, 1 导论, 4 曲柄存在的条件及其 运动特性,a)铰链四杆机构基本形式 b)曲柄摇杆机构类型及应用

18、 c)双曲柄机构类型及应用 d)双摇杆机构类型及应用 e)平面连杆机构的演化,a)曲柄存在的条件 b)急回特性与行程速比系数 c)压力角与传动角 d)死点位置, 5 平面连杆机构的设计,a)设计任务及基本问题 b)函数机构设计 b)轨迹机构设计 c)导引机构设计, 2 平面机构的特点及其应用, 3 连杆机构的基本类型 及其演化,* 主要参考资料,* 知识拓展,知识拓展,1. 平面连杆机构的运动设计是一个比较复杂和困难的问题，这主要是因为它所含有的运动副这低副，而低副的约束数比高副多，从而给连杆机构的设计带来较多的困难。但是，由于连杆机构中构件运动形式和连杆曲线的多样性，可供工程实际广泛应用，所

19、以直到今天,连杆机构的设计问题仍受到国内外学者的广泛重视和深入研究。 连杆机构的设计方法大体可分为图解法、解析法和实验法三大类。本章结合几种设计 命题对这三种方法都有所介绍，但限于学时和篇幅，所讲内容是最基本的、有限的。同学若想深入学习和研究，可参阅张世民编著的平面连杆机构设计（北京：高等教育出版社, 1983）和A.G.厄尔德曼，G.N.桑多尔著，庄细荣等译的机构设计分析与综合（第一 卷）（第二卷）（北京：高等教育出版社，1992，1993）两书。前者对平面连杆机构的运动设计 作了较深入的介绍，读者可以用它来解决更多的设计问题，书中不仅介绍了平面连杆机构 设计的一些基础理论，而且在每一基,知

20、识拓展,础理论之后都附有具体的应用实例；后者是一本内容丰富、观点新颖的教科书，其在连杆机构运动设计方面的内容之丰富是其它教科书无法相比的，书中既有较详细的设计方法介绍和理论分析，又有结合现代工业和生活实际的实例说明。 2. 根据给定的运动轨迹设计平面连杆机构，是工程实际中常见的设计命题之一。如本章所述，连杆曲线方程一般是一个六次方程，求解这样的方程，需要联立求解高阶非线性方程组。要求实现的精确点数目越多，求解越困难，而且还可能没有实数解，或即使有解，也可能由于结构尺寸不合理或传动角太小等原因而无实用价值。因此，在工程实际中, 人们常借助连杆曲线图谱来进行轨迹生成机构的设汁。J.A.Hrones

21、和G.L.Helson所著的Analysis of the Four-Bar Linkage（New York：M.I.T-Wiley,1951)书，是这方面 的一本经典著作，书中收集了7000余张曲柄摇杆机构的连杆曲线图谱，包含了各种各样的轨迹曲线，利用它可以使设计过程大大简化。,知识拓展,需要指出的是，随着计算技术的进一步发展和计算机应用范围的日益扩大，绘制连杆曲线图谱的工作也可借助计算机来实现，从而使连杆曲线图谱的类型更加丰富和完善。 3. 在平面连杆机构设计中，有时设计误差偏大，有时还要求所设计的机构满足许用 传动角、存在曲柄以及其他一些结构上的要求。在这些情况下，仅用本章介绍的设计方

22、法是难于同时满足这些设计要求的，需要运用优化设计方法进行设计，以得到比较满意的设 计结果。 所谓机构的最优化设计就是根据机构分析及设计的理论，采用数学上的最优化方法，借助计算机进行计算，使所设计的机构最优地满足预定的各项设计要求，从而得到最优的设计方案。在利用最优化方法进行机构设计时，首先要建立一个包括各设计变量（如各构 件的尺寸参数和位置参数等）的所谓目标函数（如以连杆上一点M轨迹误差最小作为设 计目标），然后在所给约束条件（如存在曲柄、传动角在许用范围内、结构尺寸合理,知识拓展,等）的范 围内，运用合理的优化方法，通过循环反复的大量计算和评比，对各设计变量进行优选，以 求得目标函数的最优解。 利用计算机对机构进行最优化设计，已成为近年来机构学发展的一个重要方面。有兴趣的同学可参阅陈立周等所著的机械优化设计（上海：上海科学技术出版社，1982）和王文博主编的机构和机械零部件优化设计（北京：机械工业出版社，1990）两书。书中不仅介绍了机械优化设计的基本知识、理论和若干常用的优化设计方法，还介绍了包括连杆机构在内的若干常用机构的优化设计和通用机械零部件的优化设计方法。 4. 空间连杆机构有许多特点，可以实现平面连杆机构难以实现或根本无法实现的运动，因此在工程实际中也得到了较多的应用。但其分析和设计比较复杂，不易想象，也难以