四连杆机构及其设计.ppt

章连杆机构及其设计,从本章开始系统介绍几种常用机构的原理、类型、应用及设计,研究内容,4-1平面四杆机构的基本类型及其演化 4-2平面四杆机构的基本特性 4-3 平面连杆机构设计 *4-4 多杆机构,本章内容,平面连杆机构的基本型式及其演化和应用。 曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等基本概念。 设计平面四杆机构的方法。 能用解析法和图解法对平面四杆机构进行运动分析。,曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动角的确定。,重点：,难点：,连杆机构的定义,连杆机构是由低副(Lower-pair)将若干构件连接而成的低副机构。,连杆机构的分类,连杆机构,平面连杆机构,空间连杆机构,组成机构的所有构件都在相互平行的平面内运动的连杆机构。,(planar linkage),(spatial linkage),平面连杆机构的几个基本概念：,机架平面连杆机构中的固定构件。,连架杆平面连杆机构中与机架相连的构件。,连杆连接连架杆的活动构件。,曲柄连架杆中能绕机架作整轴转动的构件。,摇杆连架杆中只能在某一范围内绕机架作往复摆动的构件。,请区分构件名称,周转副能作整周转动的转动副。,摆转副不能作整周转动的转动副。,请区分一下,转动副,连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。,曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见的连杆机构型式。,这些机构的共同特点是其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3，这个不直接与机架相联的中间构件称为连杆，而把具有连杆的这些机构统称为连杆机构。,构件可长，用于远距离的操作。如挖掘机、车闸。,杠杆特性，用于增力。,运动形式多样，可用于运动转换。,连架杆位置对应，用于控制。,连杆位置多变，用于特定运动规律。,连杆曲线丰富，用于特定轨迹。,运动形式多样，可用于运动转换。,平面连杆机构的优点,1、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。,2、其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单，工作可靠。,3、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。,平面连杆机构的缺点,3、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。,1、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。,2、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。,例如：多自由度的机械手；四足、六足步行机等，已经不限于运动学的范围，还注重动力学方面的研究。,平面连杆机构中最简单、应用最广的是四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。,4-1 平面四杆机构的基本类型及其演化,二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化,一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件,三、具有移动副的四杆机构及其演化,铰链四杆机构,机构中的全部运动副均为转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。,铰链四杆机构是平面连杆机构中最基本的形式，其它各种平面连杆机构都可以看成是由它演变而来的。,连架杆曲柄,机架,连架杆摇杆,连杆,铰链四杆机构的基本类型,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,根据连架杆是曲柄还是摇杆，分类如下：,铰链四杆机构,1）两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆,2）两连架杆均为曲柄,3）两连架杆均为摇杆,可根据曲柄的数量和存在与否进行判定。,如何判定曲柄是否存在？,一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件,曲柄的两个极限位置AB1、AB2。,B1C1D中,B2C2D中,杆长条件,A、B均为周转副,周转副存在条件：,1）最短杆长度 + 最长杆长度 其余两杆长度之和。 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。,条件1）称为杆长条件。,不满足杆长条件时，则没有周转副，而只能获得双摇杆机构。,满足杆长条件时，有最短杆参与构成的转动副都是周转副，而其余转动副则是摆转副。,2）其最短杆为连架杆或机架。,四杆机构有曲柄的条件：,1）各杆的长度应满足杆长条件，即 最短杆长度 + 最长杆长度 其余两杆长度之和。,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,图4-3 a），b），P58,图4-3 c）,图4-3 d）,二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化,周转副,周转副,摆转副,摆转副,曲柄摇杆机构,？,一种演化方法机构的倒置,机构的倒置：选用运动链中不同构件为机架以获得不同机构的演化方法。,A,B,C,D,1）曲柄摇杆机构：,取与最短杆相邻的构件为机架。,曲柄摇杆机构的应用,颚式破碎机机构,1）此种机构常以曲柄为原动件，将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。,雷达天线机构,搅拌机机机构,此时连杆作平面运动，连杆上各点的轨迹能形成不同的封闭曲线。,玩具狗腿的动作也利用连杆曲线的特殊轨迹。,2）此种机构中，若以摇杆为原动件，则可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。,2）双曲柄机构,当以短边为机架时，为一般双曲柄机构。,两曲柄的转动方向相同或相反。,双曲柄机构的应用,惯性筛机构,将原动曲柄的等速转动转变为从动曲柄的变速转动，从而使筛子具有较大惯性力而筛分物料。,东莞理工学院专用,旋转式叶片泵,在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为正平行四边形机构。,正平行四边形机构：,1）两曲柄以相同速度同向转动；,2）连杆作平动，始终与机架平行。,平行四边形机构的应用,蒸汽机车驱动装置,摄影升降机构,用正平行四边形机构传递动力,用连杆作平移运动,播种机料斗机构,在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行(BC与AD)，两曲柄转向相反（AB与CD），称为反平行四边形机构。,反平行四边形机构（逆平行四边形机构）：,车门开闭机构 （主、从动曲柄反向转动。）,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行。,-车门开闭机构,注：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。,火车轮,3）双摇杆机构(double crock mechanism),2）若铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。,1）若铰链四杆机构各杆的长度满足杆长条件，取与最短杆相对的构件为机架。,最短杆长度 + 最长杆长度 其余两杆长度之和。,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,双摇杆机构特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,、风扇摇头机构,可使连杆到达两个固定的位置。,铸造翻箱机构,风扇摇头机构,风扇壳体固装于连架杆AB上。,5蜗轮，6蜗杆,构件2与构件5固连在一起。,通过构件2的整周转动，实现摇杆AB 的往复摆动。,等腰梯形机构：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。,汽车前轮转向机构,鹤式起重机机构,悬点E上悬挂的重物在近似水平直线上运动，避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。,4）泛菱形机构,若四杆机构的两相邻杆长度两两相等，则机构将变为泛菱形机构，如下图a）、b）、c）,图a）双曲柄机构,图b）曲柄摇杆机构,图c）二杆机构,泛菱形机构有3个周转副，一个摆转副。当其以短杆为机架时为双曲柄机构；当其以长杆为机架时为曲柄摇杆机构，这种机构当相邻两杆重叠在一起时，将退化为二杆机构，其运动不确定。,机构的演化,机构的演化将基本机构进行变换，得到新机构的方法。,常见的演化方法：,1）改变构件的形状和运动尺寸；,2）改变运动副的尺寸；,3）选用不同的构件为机架；,4）运动副元素的逆换。,1) 得到所要求的运动性能；,2) 改善受力状况；,3) 满足结构设计要求。,机构演化目的：,各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。,e.g.选用不同构件为机架,双曲柄机构,双摇杆机构,曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,1、曲柄滑块机构,三、具有移动副的四杆机构及其演化,改变相对杆长、转动副演化为移动副。,具有移动副的四杆机构的基本形式。,偏置式曲柄滑块机构 （ e 0 ),对心式曲柄滑块机构 ( e = 0 ),曲柄滑块机构根据偏距e不同分类：,曲柄滑块机构的应用：,活塞式内燃机,往复式水泵,冲床,曲柄滑块机构的演化机构,1）导杆机构,2）摇块机构,3）定块机构,4）双滑块机构,变换单移动副机构的机架。,再次改变相对杆长，将另一个转动副演化为移动副。,(一) 变换单移动副机构的机架,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构中，当取杆1为机架时，即得。,杆4称为导杆，滑块3相对导杆4作相对滑动，并随杆2一起转动，一般取杆2为原动件。,应用：回转式液压泵、牛头刨床、插床等机器的主体机构。,导杆机构,1）转动导杆机构,2）摆动导杆机构,导杆机构,转动导杆机构,插床主体机构(ABBC),刨床主体机构,摆动导杆机构( ABBC ）,A,刨床主体机构的另一种形式,曲柄滑块机构中，当取杆2为机架时，即得摇块机构。,摇块机构一般取杆1或杆4为原动件，当杆1作转动或摆动时，杆4相对滑块3滑动，并一起绕C点摆动。,应用：e.g.液压驱动装置、摆缸式内燃机、卡车车厢自动翻转卸料机构。,摇块机构,曲柄摇块机构,摆缸式内燃机机构,左侧四杆机构位移量小，减振功能差,挖掘机相邻两杆之间的开合动作也是由摇块机构来实现的。,作者：潘存云教授,滑块3为定块，一般取杆1为原动件，杆2绕C点往复摆动，而杆4仅相对滑块3作往复移动。,定块机构（移动导杆机构）,曲柄滑块机构中，当滑块3为机架时，即得定块机构。,应用：e.g.抽水泵、抽油泵。,移动导杆机构（定块机构）,抽水泵,手动抽油泵,东莞理工学院专用,(二) 改变构件的形状和运动尺寸,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 (slider-crank mechanism),双滑块机构,正弦机构,=l sin ,1,2,3,4,1,2,3,4,正弦机构,曲柄滑块机构,将连杆2做成滑块形式，并使之沿圆弧导轨运动。,作（1）的转化，并将连杆2长度增至无限长,通常称其为正弦机构。,正弦机构多应用在一些仪表和解算装置中。,（1）,（2）,正弦机构的应用,缝纫机针机构,双滑块（转块）机构,将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷大，可演化为具有两个移动副的四杆机构双滑块（转块）机构。,按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：,（1）两移动副不相邻,a） 图的正切机构（其从动件3的位移与主动件1的转角正切成正比）,（2）两移动副相邻且其中一个与机架相连,b） 图的正弦机构（其从动件3的位移与曲柄1的转角正弦成正比）,特点：从动构件与主动构件的接触点到转轴的距离是随主动构件的位移变化的。,（3）两移动副相邻但都不与机架相连,上图所示的十字滑块机构即为此种机构。常用作联轴器，可以主动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差。,双转块机构,（4）两移动副相邻且都与机架相连,缝纫机针杆机构,椭圆仪机构,在椭圆仪中，当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。,东莞理工学院专用,(三)改变运动副的尺寸,偏心轮机构(eccentric mechanism),当因为结构需要使曲柄尺寸过小而不便加工，或因运动要求需要加大曲柄的重量以增大惯性力时，可将回转副B同心放大至将A也包括在内，即杆1放大为圆盘1，圆盘1的几何中心为B，转动中心为偏心A。,称圆盘1为偏心轮，该机构称为偏心轮机构。偏心轮中A点和B点之距称为偏心距e，它与原曲柄等长，其余各杆长也对应相等。,偏心轮机构应用,冲剪床,应用于剪床、冲床、颚式破碎机等机械中。,作业：,思考题：4-1、4-3,习题：4-1、4-2,第二节 平面四杆机构的基本特性,一、急回特性及行程速比系数K,二、压力角与传动角,三、机构的死点位置,四、连杆机构运动的连续性,一、急回特性和行程速比系数K,2、急回运动(quick-return motion),3、行程速比系数K,1、极位夹角,1、极位夹角,曲柄摇杆机构中曲柄与连杆两次共线位置时曲柄之间所夹锐角 称为极位夹角。,当AB与BC两次共线时，输出件CD处于两极限位置。摇杆在两极限位置所夹角称为摆角。,曲柄转角,对应的时间,摇杆点C的 平均速度,),),2、急回运动(quick-return motion),t1t2,v2v1,在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动，称为急回运动。,v2v1,为了衡量摇杆急回作用的程度，用行程速比系数表示.,3、行程速比系数(coefficient of travel speed variation) k,为了衡量摇杆急回作用的程度，把从动件往复摆动平均速度的比值（大于1）称为行程速比系数，即,由,极为夹角为,四杆机构有无急回运动，取决于曲柄与连杆共线位置的夹角，即有无极位夹角，不论是何种机构，只要机构在运行过程中具有极位夹角，则该机构就具有急回作用。 角越大，则K值越大，说明急回运动的性质也越显著。,有急回特性。,曲柄摆动导杆机构,有急回特性。,二、压力角和传动角,1、压力角(pressure angle),从动件CD受的力F的作用线与力作用点C的绝对速度vc 所夹锐角，称为此位置的压力角。,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。,由力的分解： 沿着速度方向的有效分力,垂直于Ft的分力,力F2 只能使铰链C、D产生压轴力，希望它越小越好；,力F1 越大，推动机构的有效分力就越大，传力效果就越好，即 越小越好。,因此，对连杆机构中的压力角提出了限制，最大不能超过 4050， 即： = 4050,越小，受力越好。,越大，受力越好。,2、传动角(transmission angle）,压力角的余角称为机构在此位置的传动角。 = 90- ,机构在运转过程中，传动角 随机构的位置不同而变化，为保证机构的传力效果，,平面四杆机构的最小传动角位置,原动件为AB,在三角形ABD中：BD=a+d-2adcos (1) 在三角形BCD中：BD=b+c-2bccos (2),(1)=(2)得：,是随各杆长和原动件转角的变化而变化的。,在三角形ABD中：BD=a+d-2adcos (1) 在三角形BCD中：BD=b+c-2bccos (2),设a、b、c、d各杆长确定 当 = 0时，即曲柄与机架重叠共线，cos =+1, 取最小值。,当 =180时，即曲柄与机架拉直共线，cos =-1, 取最大值。,曲柄摇杆机构的最小传动角 min必出现在曲柄与机架共线的两个位置上，即 为 min或 max时的两个位置，比较这两个位置传动角，即可求出最小传动角min。,即： min = min min = 180- max,以AB为原动件的曲柄摇杆机构，,当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输出件的夹角 最小和最大（ ）。,曲柄滑块机构min何时出现？,导杆机构,三、机构的死点位置,指从动件的传动角 =0(或=90)时机构所处的位置。（不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力的影响）,1、死点(dead point)位置,对于曲柄摇杆机构，当摇杆1为主动件，当连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极限位置时，经过连杆2传给从动曲柄3的驱动力F，通过曲柄的转动中心A。对从动曲柄3的有效力矩为零，故不能推动曲柄转动,机构处于卡死位置，机构的这种位置称为死点位置。,此时传动角 =0 （或=90）。,机构是否有死点位置与哪一构件为主动件有关。,曲柄摇杆机构，当曲柄为主动件时无死点位置，但有极限位置，当摇杆为主动件时有死点位置。,曲柄滑块机构，当以滑块3为主动件时有死点位置。,平行四边形机构，连杆与曲柄共线时传动角为0 （转向点），从动曲柄可能向正反两个方向转动，机构运动不确定，平行四边形机构可能变成反平行四边形机构。,双摇杆机构，也有死点位置，在实际设计中常采用限制摆杆的角度来避免死点位置。,死点位置的克服办法,例：缝纫机借助于带轮的惯性通过死点。,（1）利用飞轮惯性来克服死点位置,蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组曲柄滑块机构中，曲柄AB与AB位置错开90。,（2）利用机构错位排列法来克服死点位置。,2、死点位置在机构中的作用,钻床工件夹紧机构,飞机起落架机构,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,平面四杆机构具有周转副可能存在曲柄。,b(d a)+ c,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,a+d b + c,c(d a)+ b,AB为最短杆, a+b c + d,1.平面四杆机构有曲柄的条件,d- a,设ad,且连架杆a能整周回转，则必有两次与机架共线, a+ c b + d,若设ad，同理有： da, db, dc,AD为最短杆,将以上三式两两相加得： a b, ac, ad,B”,东莞理工学院专用,（2）连架杆或机架之一为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。,曲柄存在的条件：,（1）最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为周转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。,称为杆长条件。,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,（1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如： 曲柄摇杆1 、曲柄摇杆2 、双曲柄、 双摇杆机构。,分析说明（判断机构类型的步骤）,（2）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。,最短杆为连架杆,最短杆为机架,最短杆为连杆,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,2. 急回运动与行程速比系数,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(extreme position)。,(1) 当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1 , 平均速度为V1 , 那么有：,曲柄摇杆机构 3D,180,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角(crack angle between extreme positions)。 摇杆之间的夹角称为 摆角（C1DC2）,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,(2) 当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D位置摆到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 , 那么有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动(quick-return motion)。,称K为行程速比系数(advance-to return-time ratio)。,2)且越大，K值越大，急回性质越明显。,说明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回运动。,3)设计新机械时，往往先给定K值，于是:,B2,东莞理工学院专用,曲柄滑块机构（偏置）的急回特性,急回特性应用：节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。,180,180-,导杆机构的急回特性,180,180-,思考题： 对心曲柄滑块机构的急回特性如何？,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,当BCD90时， BCD,3.压力角和传动角,(1)压力角(pressure angle)： 从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:min40- 50,(3)min出现的位置：,当BCD90时，,180- BCD,切向分力: F= Fcos,法向分力: F”= Fcos, F,对传动有利。,= Fsin (+ =90),可以证明：此位置一定是：曲柄与机架两次共线位置之一。,(2)传动角(transmission angle) 可用的大小来表示机构传力性能的好坏。,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,(Vc),东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,证明：由余弦定律有： (第一次共线) B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a),B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc),若B1C1D90,则,若B2C2D90, 则,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),(4)机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共线),东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,4.机构的死点位置,(1)定义 摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,(2)避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点” (dead point),0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,钻孔夹具,飞机起落架,(3)利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,东莞理工学院专用,作者：潘存云教授,四.铰链四杆机构的运动连续性,(1) 定义：指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。,(2) 名词：可行域：摇杆的运动范围。,不可行域：摇杆不能达到的区域。,错位不连续：设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另 一个可行域。,错序不连续：右图，要求连杆依次占据B1C1、B2C2、B3C3，则只有当曲柄AB逆时针转动才是可能的，而当AB顺时针转动，则不能满足预期的次序要求，称这种不连续问题为错序不连续。,错序不连续,(3) 设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。,