机械原理8连杆机构设计

第八章 平面连杆机构及其设计81 连杆机构及其传动特点82 平面四杆机构的类型和应用83 有关平面四杆机构的一些基本知识84 平面四杆机构的设计 应 用 实 例 ：特 征 ： 有 一 作 平 面 运 动 的 构 件 ， 称 为 连 杆 。特 点 ： 采 用 低 副 。 面 接 触 、 承 载 大 、 便 于 润 滑 、 不 易 磨 损 形 状 简 单 、 易 加 工 、 容 易 获 得 较 高 的 制 造 精 度 。 改 变 杆 的 相 对 长 度 ， 从 动 件 运 动 规 律 不 同 。 连 杆 曲 线 丰 富 。 可 满 足 不 同 要 求 。定 义 ： 由 低 副 （ 转 动 、 移 动 ） 连 接 组 成 的 平 面 机 构 。 8 1 连 杆 机 构 及 其 传 动 特 点内 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 户 支 撑 、 公 共 汽 车 开 关 门 、 折叠 伞 、 折 叠 床 、 牙 膏 筒 拔 管 机 、 单 车 制 动 操 作 机 构 等 。 缺 点 ： 构 件 和 运 动 副 多 ， 累 积 误 差 大 、 运 动 精 度 低 、 效 率 低 。 产 生 动 载 荷 （ 惯 性 力 ） ， 不 适 合 高 速 。 设 计 复 杂 ， 难 以 实 现 精 确 的 轨 迹 。分 类 :本 章 重 点 内 容 是 介 绍 四 杆 机 构 。平 面 连 杆 机 构空 间 连 杆 机 构常 以 构 件 数 命 名 ：四 杆 机 构 、 多 杆 机 构 。 基 本 型 式 铰 链 四 杆 机 构 ， 其 它 四 杆 机 构 都 是 由 它演 变 得 到 的 。名 词 解 释 ：曲 柄 作 整 周 定 轴 回 转 的 构 件 ； 共 有 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 。 如 雷 达 天 线 。连 杆 作 平 面 运 动 的 构 件 ；连 架 杆 与 机 架 相 联 的 构 件 ；摇 杆 作 定 轴 摆 动 的 构 件 ；周 转 副 能 作 360相 对 回 转 的 运 动 副 ；摆 转 副 只 能 作 有 限 角 度 摆 动 的 运 动 副 。曲 柄连 杆 摇 杆 8 2 平 面 四 杆 机 构 的 类 型 和 应 用1.平 面 四 杆 机 构 的 基 本 型 式 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授AB C12 43 DC 3（ 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 。雷 达 天 线 俯 仰 机 构曲 柄 主 动 缝 纫 机 踏 板 机 构应 用 实 例 ： 如 叶 片 泵 、 惯 性 筛 等 。2 143 摇 杆 主 动 312 4 作 者 ： 潘 存 云 教 授AD C B1 234旋 转 式 叶 片 泵作 者 ： 潘 存 云 教 授AD CB1 23 AB DC12 34 E6惯 性 筛 机 构 作 者 ： 潘 存 云 教 授A B CD 耕 地 料 斗D CA B作 者 ： 潘 存 云 教 授耕 地 料 斗B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 = AD A B D C摄 影 平 台作 者 ： 潘 存 云 教 授B C 作 者 ： 潘 存 云 教 授 B C天 平播 种 机 料 斗 机 构 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授反 平 行 四 边 形 机 构 -车 门 开 闭 机 构 反 向 FA E D GB CAB E F D C G 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 作 者 ： 潘 存 云 教 授作 者 ： 潘 存 云 教 授作 者 ： 潘 存 云 教 授 ABDC E （ 3） 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CB ABDC 风 扇 座 蜗 轮蜗 杆电 机 E电 机 AB风 扇 座 蜗 轮蜗 杆电 机 ABC风 扇 座 蜗 轮蜗 杆AB DC 作 者 ： 潘 存 云 教 授(1) 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 构双 滑 块 机 构 正 弦 机 构s =l sin l2.平 面 四 杆 机 构 的 演 化 型 式 作 者 ： 潘 存 云 教 授(2)改 变 运 动 副 的 尺 寸(3)选 不 同 的 构 件 为 机 架 偏 心 轮 机 构导 杆 机 构 摆 动 导 杆 机 构转 动 导 杆 机 构31 4A 2B C曲 柄 滑 块 机 构 31 4A 2B C 牛 头 刨 床应 用 实 例 : 作 者 ： 潘 存 云 教 授AB DC1 24 3C2 C1小 型 刨 床作 者 ： 潘 存 云 教 授AB DCE 123 456 牛 头 刨 床 2 作 者 ： 潘 存 云 教 授应 用 实 例 B234C 1A自 卸 卡 车 举 升 机 构 (3)选 不 同 的 构 件 为 机 架 ACB 12 34 应 用 实 例 A应 用 实 例 4 A 13应 用 实 例 13C 4 A应 用 实 例 A 14 导 杆 机 构 31 4A 2B C曲 柄 滑 块 机 构31 4A 2B C 摇 块 机 构 31 4A 2B C 作 者 ： 潘 存 云 教 授 (3)选 不 同 的 构 件 为 机 架 314A 2BC直 动 滑 杆 机 构 手 摇 唧 筒这 种 通 过 选 择 不 同 构 件 作 为 机 架 以 获 得 不 同 机 构 的方 法 称 为 ： 机 构 的 倒 置 BC3 214A导 杆 机 构 31 4A 2B C曲 柄 滑 块 机 构31 4A 2B C 摇 块 机 构 31 4A 2B C A4 椭 圆 仪 机 构实 例 (补 充 )： 选 择 双 滑 块 机 构 中 的 不 同 构 件 作 为 机 架 可 得 不 同 的 机 构 作 者 ： 潘 存 云 教 授123 4正 弦 机 构 321 4(4)运 动 副 元 素 的 逆 换将 低 副 两 运 动 副 元 素 的 包 容 关 系 进 行 逆 换 ， 不 影 响 两构 件 之 间 的 相 对 运 动 。导 杆 机 构 4 3 21 摇 块 机 构3 214 作 者 ： 潘 存 云 教 授a bd cCB A D 平 面 四 杆 机 构 具 有 整 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 + cc(d a)+ bAB为 最 短 杆 最 长 杆 与 最 短 杆的 长 度 之 和 其他 两 杆 长 度 之 和 a+b c + d 8 3 有 关 平 面 四 杆 机 构 的 一 些 基 本 知 识1.平 面 四 杆 机 构 有 曲 柄 的 条 件 C”a b cd- a设 at2 V2 V1摇 杆 的 这 种 特 性 称 为 急 回 运 动 。 用 以 下 比 值 表 示 急 回 程 度称 K为 行 程 速 比 系 数 。 12VVK 18018021tt且 越 大 ， K值 越 大 ， 急 回 性 质 越 明 显 。 只 要 0 ， 就 有 K1所 以 可 通 过 分 析 机 构 中 是 否 存 在 以 及 的 大 小 来 判 断 机 构 是 否 有 急回 运 动 或 运 动 的 程 度 。 11180 KK设 计 新 机 械 时 ， 往 往 先 给 定 K值 ， 于 是 : 2212 tCCV )180/(21 CC 121 221 tCC tCC 作 者 ： 潘 存 云 教 授作 者 ： 潘 存 云 教 授曲 柄 滑 块 机 构 的 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 ？ 对 于 需 要 有 急 回 运 动 的 机 构 ， 常 常 是 根 据 需 要 的 行 程 速 比 系 数 K, 先 求 出 ， 然 后 在 设 计 各 构 件 的 尺 寸 。 作 者 ： 潘 存 云 教 授 F F F”当 BCD 90 时 ， BCD 3.四 杆 机 构 的 传 动 角 和 死 点3.1 压 力 角 和 传 动 角 ：压 力 角 :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 : min 50 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称 为 传 动 角 (压 力 角 的 余 角 )。此 位 置 一 定 是 ： 为 了 保 证 机 构 良 好 的 传 力 性 能A B CDC DB A FF” F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主 动 件 与 机 架 共 线 两 处 之 一 作 者 ： 潘 存 云 教 授 C1B1a b cd DA 由 余 弦 定 律 有 ： B1C1D arccosb2+c2-(d-a)2/2bc B2C2D arccosb2+c2-(d+a)2/2bc若 B1C1D 90 ,则若 B2C2D90 , 则 1 B1C1D 2 180 - B2C2D注 ： 机 构 的 传 动 角 一 般 在 运动 链 最 终 一 个 从 动 件 上 度 量 。 1 min B1C1D, 180 - B2C2Dmin C2B2 2 作 者 ： 潘 存 云 教 授F3.2 死 点摇 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 .避 免 措 施 ： 1)两 组 机 构 错 开 排 列 ， 如 火 车 轮 机 构 ;称 此 位 置 为 ： “ 死 点 ” 02)靠 飞 轮 的 惯 性 （ 如 内 燃 机 、 缝 纫 机 等 ） 。FA E D GB CA B E F D C G 0F 0 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授工 件 A B C D1 2 34 PAB C D12 3工 件 P钻 孔 夹 具 =0TA B DC飞 机 起 落 架B C =0F也 可 以 利 用 死 点 进 行 工 作 ： 飞 机 起 落 架 、 钻 夹 具 等 。作 业 ： 8-5, 8-6, 8-8 8 4 平 面 四 杆 机 构 的 设 计 1. 连 杆 机 构 设 计 的 基 本 问 题 机 构 选 型 根 据 给 定 的 运 动 要 求 选 择 机 构 的 类 型 ；尺 度 综 合 确 定 各 构 件 的 尺 度 参 数 (长 度 尺 寸 )。 同 时 要 满 足 其 他 辅 助 条 件 ：a)结 构 条 件 （ 如 要 求 有 曲 柄 、 杆 长 比 恰 当 、 运 动 副 结 构 合 理 等 ） ;b)动 力 条 件 （ 如 min） ;c)运 动 连 续 性 条 件 等 。 作 者 ： 潘 存 云 教 授作 者 ： 潘 存 云 教 授A DC B飞 机 起 落 架B C v三 类 设 计 要 求 ：1)满 足 预 定 的 运 动 规 律 ， 两 连 架 杆 转 角 对 应 ， 如 : 飞 机 起 落 架 、 函 数 机 构 。 函 数 机 构要 求 两 连 架 杆 的 转 角 满 足 函 数 y=logxx y=logxA B CD 作 者 ： 潘 存 云 教 授 v三 类 设 计 要 求 ：1)满 足 预 定 的 运 动 规 律 ， 两 连 架 杆 转 角 对 应 ， 如 : 飞 机 起 落 架 、 函 数 机 构 。 前 者 要 求 两 连 架 杆 转 角 对 应 ， 后 者 要 求 急 回 运 动2)满 足 预 定 的 连 杆 位 置 要 求 ， 如 铸 造 翻 箱 机 构 。要 求 连 杆 在 两 个 位 置垂 直 地 面 且 相 差 180 CBAB DC 给 定 的 设 计 条 件 ：1)几 何 条 件 （ 给 定 连 架 杆 或 连 杆 的 位 置 ）2)运 动 条 件 （ 给 定 K）3)动 力 条 件 （ 给 定 min）设 计 方 法 ： 图 解 法 、 解 析 法 、 实 验 法3. 用 解 析 法 设 计 四 杆 机 构思 路 ： 首 先 建 立 包 含 机 构 的 各 尺 度 参 数 和 运 动 变 量 在内 的 解 析 关 系 式 ， 然 后 根 据 已 知 的 运 动 变 量 求 解 所 需的 机 构 尺 度 参 数 。 (1)按 预 定 连 杆 位 置 设 计 四 杆 机 构a)给 定 连 杆 两 组 位 置有 唯 一 解 。 B2 C2A D将 铰 链 A、 D分 别 选 在 B1B2，C1C2连 线 的 垂 直 平 分 线 上 任 意位 置 都 能 满 足 设 计 要 求 。b)给 定 连 杆 上 铰 链 BC的 三 组 位 置有 无 穷 多 组 解 。 A DB2 C2B 3 C3D B1 C12. 用 作 图 法 设 计 四 杆 机 构 AB1 C11)已 知 活 动 铰 链 中 心 位 置 作 者 ： 潘 存 云 教 授A DB1 C1 已 知 : 固 定 铰 链 A、 D和 连 架 杆 位 置 ， 确 定 活 动 铰 链 B、 C的 位 置 。（ 2） 按 两 连 架 杆 预 定 的 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构机 构 的 转 化 原 理 作 者 ： 潘 存 云 教 授B2 2B2 2E2 1B1 1E1 1） 按 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构 任 意 选 定 构 件 AB的 长 度 连 接 B2 E2、 DB2的 得 B2 E2D 绕 D 将 B2 E2D旋 转 1 - 2得 B2点已 知 :机 架 长 度 d和 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 。 A d DB3 3 3 E3设 计 步 骤 ： 作 者 ： 潘 存 云 教 授 连 接 B3 E3、 DB3得 B3 E3D 将 B3E3D绕 D旋 转 1 - 3得 B3点 1） 按 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构已 知 :机 架 长 度 d和 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 。 2B2 2E2 1B1 1E1A d DB3 3 3 E3B2 B3 任 意 选 定 构 件 AB的 长 度 连 接 B2 E2、 DB2的 得 B2 E2D 绕 D 将 B2 E2D旋 转 1 - 2得 B2点 设 计 步 骤 ： 作 者 ： 潘 存 云 教 授 2B2 2E2 1B1 1E1A d DB3 3 3 E3B2 B3 由 B1 B2 B3 三 点 求 圆 心 C3 。 1） 按 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构已 知 :机 架 长 度 d和 两 连 架 杆 三 组 对 应 位 置 。C 1B2 C2B3 C3 连 接 B3 E3、 DB3得 B3 E3D 将 B3E3D绕 D旋 转 1 - 3得 B3点 任 意 选 定 构 件 AB的 长 度 连 接 B2 E2、 DB2的 得 B2 E2D 绕 D 将 B2 E2D旋 转 1 - 2得 B2点设 计 步 骤 ： 作 者 ： 潘 存 云 教 授 E （ 4 ） 按 给 定 的 行 程 速 比 系 数 K设 计 四 杆 机 构1) 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 C2P C1C2， 作 C1P使 作 P C1C2的 外 接 圆 ， 则 A点 必 在 此 圆 上 。 C2C1P=90 ,交 于 P; 90 -P DA C1C2 选 定 A， 设 曲 柄 长 度 为 a ， 连 杆 长 度 为 b ， 则 : 以 A为 圆 心 ， A C 2为 半 径 作 弧 交 于 E,得 ： a =EC1/ 2 b = A C1 EC1/ 2,A C2=b- a = a =( A C1 A C2)/ 2 A C1= a+b 作 者 ： 潘 存 云 教 授E 2 2a e(2) 曲 柄 滑 块 机 构 H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 心 ， C1O为 半 径 作 圆 。 以 A为 圆 心 ， A C 1为 半 径 作 弧 交 于 E,得 ：作 射 线 C2O使 C1C2 O=90 。 作 偏 距 线 e， 交 圆 弧 于 A， 即 为 所 求 。 C1 C290 -o90 -Al 1 =EC2/ 2 l2 = A C2 EC2/ 2 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授ADm n =D(3) 导 杆 机 构分 析 ： 由 于 与 导 杆 摆 角 相 等 ， 设 计 此 机 构 时 ， 仅 需 要 确 定 曲 柄 a。 计 算 180 (K-1)/(K+1); 任 选 D作 mDn ， 取 A点 ， 使 得 AD=d, 则 : a=dsin( /2) =A d作 角 分 线 ;已 知 ： 机 架 长 度 d， K， 设 计 此 机 构 。 作 者 ： 潘 存 云 教 授 作 者 ： 潘 存 云 教 授 （ 3） 按 预 定 的 运 动 轨 迹 设 计 四 杆 机 构 (了 解 )ABCD E 143 2 5 输 送 机 构 搅 拌 机 构C B ADE6步 进 式 补 充 例 题 ： 已 知 行 程 速 比 系 数 K 1.5， 机 架 长 LAD100mm， 连 杆 比 曲 柄 长 76mm， 摇 杆 离 固 定 铰 链 A最 近的 一 个 极 限 位 置 与 机 架 AD成 45 ， 试 用 图 解 法 设 计 该铰 链 四 杆 机 构 。 并 说 明 所 设 计 出 的 机 构 属 于 铰 链 四 杆机 构 中 的 何 种 机 构 。 （ 比 例 尺 为 l） 45 A D 本 章 重 点 ：1.四 杆 机 构 的 基 本 形 式 及 其 演 化 方 法 与 演 化 型 式 ；2.曲 柄 存 在 条 件 、 传 动 角 、 压 力 角 、 死 点 、 急 回特 性 ， 极 位 夹 角 和 行 程 速 比 系 数 等 物 理 含 义 ， 并 熟 练掌 握 其 确 定 方 法 ；3.掌 握 按 连 杆 二 组 位 置 、 三 组 位 置 、 连 架 杆 三 组 对 应位 置 、 行 程 速 比 系 数 K设 计 四 杆 机 构 的 图 解 法 原 理 与方 法 。作 业 : 8-8, 8-16, 8-23 课 堂 练 习 ：按 照 图 中 注 明 的 尺寸 判 断 铰 链 四 杆 机构 是 曲 柄 摇 杆 机 构 、双 曲 柄 机 构 ， 还 是双 摇 杆 机 构 ？