平面连杆机构及其设计

第8章 平面连杆机构及其设计 8-1 连 杆 机 构 及 其 传 动 特 点 一 、 连 杆 机 构 (Linkage)的 组 成 和 分 类 由 若 干 个 杆 件 通 过 低 副 连 接 而 组 成 的 机 构 称为 连 杆 机 构 ， 又 称 为 低 副 机 构 。 原 动 件 连 杆 (中 间 构 件 ) 从 动 件 几 个 例 子 :1 假 肢 膝 关 节p25 2 收 放 式 折 叠支 架 p273 引 擎 油 门 控制 装 置 4 飞 剪 机 p46 分 类 : 平 面 连 杆 机 构 ： 所 有 构 件 均 在 同 一 平 面 或 在 相互 平 行 的 平 面 内 运 动 的 连 杆 机 构 。 空 间 连 杆 机 构 ： 所 有 构 件 不 全 在 相 互 平 行 的 平面 内 运 动 的 连 杆 机 构 。 如 并 联 机 构 。 根 据 所 含 杆 数 分 四 杆 机 构 ， 六 杆 机 构 等 二 、 连 杆 机 构 的 特 点 (1)低 副 机 构 ， 运 动 副 为 面 接 触 ， 压 强 小 ， 承 载 能 力 大 ，耐 冲 击 ， 磨 损 小 。 (2)其 运 动 副 元 素 多 为 平 面 或 圆 柱 面 ， 制 造 比 较 容 易 ， 结构 简 单 ,工 作 可 靠 。 (3)可 以 实 现 不 同 的 运 动 规 律 和 特 定 轨 迹 要 求 。 改 变 构 件 的 相 对 长 度 连 杆 上 的 不 同 点 三 . 连 杆 机 构 的 缺 点 ： 1） 由 于 连 杆 机 构 的 运 动 必 须 经 过 中 间 构 件 进 行 传 递 ， 因 而传 递 路 线 较 长 ， 易 产 生 较 大 的 误 差 积 累 ， 同 时 也 使 机 械 效 率降 低 。 2） 连 杆 和 滑 块 的 质 心 做 变 速 运 动 ， 所 以 连 杆 机 构 所 产 生 的惯 性 力 难 于 用 一 般 平 衡 方 法 加 以 消 除 ， 因 而 会 增 加 机 构 的 动 载 荷 ， 所 以 连 杆 机 构 不 宜 用 于 高 速 运 动 。 四 . 应 用 连 杆 机 构 常 用 于 以 下 场 合 ： 1)用 于 受 力 较 大 的 挖 掘 机 。 (破 碎 机 ) 2)用 于 实 现 各 种 不 同 的 运 动 规 律 要 求 。 (惯 性 筛 ) 3)可 以 实 现 给 定 轨 迹 要 求 。 (搅 拌 机 ) 平 面 四 杆 机 构 的 应 用 广 泛 ， 而 且 是 研 究 多 杆 机 构 的 基 础 。 本 章 重 点 讨 论 平 面 四 杆 机 构 的 有 关 基 本 知 识 和 设 计 问 题 。 应 用 实 例 ：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 、 开 关 门 机 构 、 折 叠 伞 、折 叠 床 、 制 动 操 作 机 构 等 。特 征 ： 有 一 作 平 面 运 动 的 构 件 ， 称 为 连 杆 。定 义 ： 由 低 副 （ 转 动 、 移 动 ） 连 接 组 成 的 平 面 机 构 。 8 2 铰 链 四 杆 机 构 的 类 型 和 应 用 一 、 平 面 四 杆 机 构 的 基 本 类 型 及 应 用 基 本 型 式 铰 链 四 杆 机 构 ： 全 部 运 动 副 为 转 动 副 的四 杆 机 构 称 为 铰 链 四 杆 机 构 。 其 他 四 杆 机 构 都 是 其 演 化 型 式 。 名 词 解 释 ：曲 柄 作 整 周 定 轴 回 转 的 构 件 ；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 ,雨 刷 。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度 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 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云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 惯 性 筛 、 磨 碎 机 等 。2 143 摇 杆 主 动 312 4 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云AB DC12 34 E6惯 性 筛 机 构 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云A B CD 耕 地 料 斗D CA B耕 地 料 斗B实 例 ： 火 车 轮 特 例 1： 平 行 四 边 形 机 构 AB = CD特 征 ： 两 连 架 杆 等 长 且 平 行 两 曲 柄 同 速 同 方 向 转 动 连 杆 作 平 动 BC = AD A B D C摄 影 平 台B C B C天 平播 种 机 料 斗 机 构 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云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 。 特 例 2： 反 平 行 四 边 形 机 构 : 两 对 相 对 杆 长 度 相 等 但 不 平 行 特 点 ： 长 边 为 机 架 ， 两 曲 柄 转 向 相 反 短 边 为 机 架 ， 两 曲 柄 转 向 相 同 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云反 平 行 四 边 形 机 构 -车 门 开 闭 机 构反 向 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云 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 (两 摇 杆 长 度 相 等 ) 汽 车 转 向 机 构、 风 扇 摇 头 机 构 、 起 重 吊 车 、钻 床 夹 具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 梯 形 转 向 机 构 转 向 条 件 : 所 有 车 轮 形 成 一 个 转 动 中 心 .BL 二 、 平 面 四 杆 机 构 的 演 化 型 式 由 平 面 四 杆 机 构 的 基 本 形 式 演 化 而 来 满 足 运 动 要 求 改 善 受 力 满 足 结 构 设 计 演 化 方 法 有 四 种 ： 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云1、 改 变 构 件 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 l 举 例 2、 改 变 运 动 副 尺 寸 当 曲 柄 的 实 际 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 ， 即 改 变 运 动 副 尺 寸 ,形 成 偏 心 轮 机 构 。 设 计 ： 潘 存 云偏 心 轮 机 构偏 心 轮 机 构 实 质举 例 ： 真 空 泵 3 选 不 同 的 构 件 为 机 架 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 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云 牛 头 刨 床 应 用 实 例 : AB DC1 24 3C2 C1小 型 刨 床AB DCE 123 456 3 选 不 同 的 构 件 为 机 架 ACB 12 34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摇 块 机 构 设 计 ： 潘 存 云应 用 实 例 B234C 1A自 卸 卡 车 举 升 机 构应 用 实 例 A应 用 实 例 4 A 13应 用 实 例 13C 4 A应 用 实 例 A 14 设 计 ： 潘 存 云 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 (a)曲 柄 滑 块 机 构 ; (b)转 动 导 杆 机 构 ; (c)摆 动 滑 杆 摇 块 机 构 ; (d)移 动 滑 杆 定 块 机 构 。其 他 机 构 演 化 ： 选 不 同 的 构 件 为 机 架 双 转 块 机 构应 用 4、 运 动 副 元 素 的 逆 换 将 运 动 副 两 元 素 的 包 容 关 系 进 行 逆 换 ， 并 不 影 响 两构 件 之 间 的 相 对 移 动 ， 但 却 能 演 化 成 不 同 的 机 构 。 如 摆 动 导 杆 机 构 和 曲 柄 摇 块 机 构 。 这 两 种 机 构 的 运动 特 性 是 相 同 的 。 将 2,3的 包 容 关 系 逆 换 : 曲 柄 摇 块摆 动 导 杆 机 构 四 杆 机 构 的 型 式 虽 然 多 种 多 样 ， 但 根 据 演 化 的概 念 ， 可 为 我 们 归 类 研 究 这 些 四 杆 机 构 提 供 方 便 ；我 们 也 可 根 据 演 化 的 概 念 ， 设 计 出 型 式 各 异 的四 杆 机 构 。 83 平 面 四 杆 机 构 的 基 本 知 识 设 计 ： 潘 存 云l1 l2l4 l3CB A D 平 面 四 杆 机 构 具 有 整 转 副 可 能 存 在 曲 柄 。杆 1为 曲 柄 ， 作 整 周 回 转 ， 必 有 两 次 与 机 架 共 线l2(l4 l1)+ l3则 由 BCD可 得 ： 三 角 形 任 意 两 边 之 和 大 于 第 三 边则 由 BCD可 得 ： l1+ l4 l2 + l3l3(l4 l1)+ l2AB为 最 短 杆 最 长 杆 与 最 短 杆的 长 度 之 和 其他 两 杆 长 度 之 和一 、 铰 链 四 杆 机 构 有 曲 柄 的 条 件 l1+ l2 l3 + l4 Cl 1 l2 l3l4- l1将 以 上 三 式 两 两 相 加 得 ： l1 l2, l1 l3, l1 l4 l1+ l3 l2 + l4 设 计 ： 潘 存 云 2. 组 成 该 周 转 副 的 两 杆 中 必 有 一 杆 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 。 而 其 余 的 转 动 副 则 是 摆 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 。 A B CDl1 l2 l3l4即 ：A,B为 周 转 副C,D为 摆 转 副 作 者 ： 潘 存 云 教 授 当 满 足 杆 长 条 件 时 ， 说 明 存 在 整 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 。 因 此 ， 四 杆 机 构 有 曲 柄 的 条 件 是 ： 各 杆 的 长 度 应 满 足杆 长 条 件 （ 前 提 ） ， 且 最 短 杆 为 连 架 杆 或 机 架 。 当 最 短 杆 为 连 架 杆 时 ， 机 构 为 曲 柄 摇 杆 机 构 。 当 最 短 杆 为 机 架 时 则 为 双 曲 柄 机 构 。 满 足 杆 长 条 件 的 四 杆 机 构 中 ， 当 最 短 杆 为 连 杆 时 ， 为双 摇 杆 机 构 。 如 果 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 无 论 以 何 杆 为 机 架 ， 均 为 双 摇 杆 机 构 。例 等 腰 梯 形 机 构 Y双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构cbda 以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架Ndcba 、 如 果 四 杆 机 构 两 相 邻 杆 两 两 相 等 ， 则 为 泛 菱 形 机 构p117泛 菱 形 机 构 有 三 个 周 转 副 ， 一 个 摆 转 副 泛 菱 形 机 构 当 以 短 杆 为 机 架 时 ， 为 双 曲 柄 机 构 泛 菱 形 机 构 当 以 长 杆 为 机 架 时 ， 为 曲 柄 摇 杆 机 构 泛 菱 形 机 构 当 相 邻 两 杆 重 合 时 ， 为 二 杆 机 构 例 ： 折 叠 架 设 计 ： 潘 存 云A B CDB1 C1 二 、 急 回 运 动 和 行 程 速 度 变 化 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 。当 曲 柄 以 逆 时 针 转 过 180 + 时 ， 摇 杆 从 C 1D位 置摆 到 C2D。 所 花 时 间 为 t1 , 平 均 速 度 为 V1,那 么 有 ： /)180(1 t 1211 tCCV 曲 柄 摇 杆 机 构 3D此 两 处 曲 柄 之 间 的 夹 角 称 为 极 位 夹 角 。180 C2B2 )180/(21 CC 设 计 ： 潘 存 云B1 C1A DC2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 - /)180(2 t因 曲 柄 转 角 不 同 ， 故 摇 杆 来 回 摆 动 的 时 间 不 一样 ， 平 均 速 度 也 不 等 。显 然 ： t1 t2 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 度 变 化 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 在 曲 柄 摇 杆 机 构 中 ， 当 曲 柄 等 速 回 转 情 况 下 ， 通常 把 摇 杆 往 复 摆 动 速 度 快 慢 不 同 的 运 动 称 为 急 回运 动 。 曲 柄 摇 杆 机 构 的 急 回 运 动 程 度 可 以 用 从 动 件 空 回行 程 平 均 速 度 v2和 工 作 行 程 平 均 速 度 v1的 比 值 K来 衡 量 ， 称 为 行 程 速 度 变 化 系 数 。 K 1 K= v2 /v1 =(180 +) /(180 -) 急 回 可 减 少 空 行 程 时 间 ， 提 高 劳 动 生 产 率 11180o KK oo180180K摆 动 导 杆 机 构 有 无 急 回 特 性 ？偏 置 曲 柄 滑 块 机 构 有 无 急 回 特 性 ？ 行 程 速 度 变 化 系 数 K 与极 位 夹 角 间 的 关 系 为 ： 越 大 ,K越 大 ,急 回 性 质越 显 著 对 心 曲 柄 滑 块 机 构 : =0,K=1,无 急 回 特 性 偏 置 曲 柄 滑 块 机 构 : 0, K1有 急 回 特 性 摆 动 导 杆 机 构 : 0， 有急 回 特 性 , 摆 角 =极 位 夹角 对 心 曲 柄 滑 块 机 构 有 无 急 回 特 性 ？ 行 程 速 度 变 化 系 数 在 工 程 上 的 应 用 ： p118 双 曲 柄 机 构 的 行 程 速 度 变 化 系 数 K： p118 设 计 ： 潘 存 云 F F F”当 BCD 90 时 ， BCD 三 、 压 力 角 与 传 动 角 和 死 点 位 置压 力 角 ： 若 不 考 虑 机 构 中 各 运 动 副 的 摩 擦 力 及 构 件 的 重 力 和 惯 性 力 的 影 响 ，从 动 件 驱 动 力 F与 力 作 用 点 绝 对 速 度 之 间 所 夹 锐 角 。A B CD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 。此 位 置 一 定 是 ： 主 动 件 与 机 架 共 线 两 处 之 一 。C DB A F可 用 的 大 小 来 表 示 机 构 传 动 力 性 能 的 好 坏 ,F” F当 BCD最 小 或 最 大 时 ， 都 有 可 能 出 现 min为 了 保 证 机 构 良 好 的 传 力 性 能 设 计 ： 潘 存 云 C1B1l1 l2 l3l4 DA 由 余 弦 定 律 有 ： B1C1D arccosl22 + l32-(l4 - l1)2/2l2 l3 B2C2D arccosl22 + l32-(l4 + l1)2/2l2 l3若 B1C1D 90 ,则若 B2C2D90 , 则 1 B1C1D 2 180 - B2C2D机 构 的 传 动 角 一 般 在 运 动 链最 终 一 个 从 动 件 上 度 量 。 v 1 min B1C1D, 180 - B2C2Dmin 2 F车 门 C2B2 曲 柄 滑 块 机 构 ,主 动 曲 柄 处 在与 滑 块 移 动 方 向 两 次 垂 直 位置 之 一 时 ,出 现 最 小 传 动 角 。曲 柄 为 主 动 件 ， 曲 柄 滑 块机 构 最 小 传 动 角 在 哪 ？ 滑 块 为 主 动 件 ， 曲 柄 滑 块机 构 最 小 传 动 角 在 哪 ？ 对 于 导 杆 机 构 ， 曲 柄 为 主 动 件 时 传动 角 为 （ ） 滑 块 对 导 杆 的 作 用 力 方 向 始 终 垂 直于 导 杆 ， 其 传 动 角 恒 为 90度 。 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云F机 构 的 死 点 位 置摇 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 ： 两 组 机 构 错 开 排 列 ， 如 火 车 轮 机 构 ;称 此 位 置 为 ： “ 死 点 ” 0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 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云工 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 。 摆 动 导 杆 机 构 死 点 位 置 ？偏 置 曲 柄 滑 块 机 构 死 点 位 置 ？对 心 曲 柄 滑 块 机 构 死 点 位 置 ？ 对 心 曲 柄 滑 块 机 构 ， 滑块 为 主 动 件 时 ， 死 点 位于 曲 柄 与 连 杆 两 次 共 线位 置 偏 置 曲 柄 滑 块 机 构 ， 滑块 为 主 动 件 时 ， 死 点 位于 曲 柄 与 连 杆 两 次 共 线位 置 摆 动 导 杆 机 构 ， 导 杆 为主 动 件 时 ， 死 点 位 于 导杆 与 曲 柄 两 次 垂 直 位 置极 位 与 死 点 是 机 构 的 同 一 位 置 ， 原 动 件 不 同 。 死 点 位 置 指 从 动 件 的 传 动 角 等 于 零 ，压 力 角 等 于 90度 时 机 构 所 处 的 位 置 。 机 构 处 于 死 点 位 置 ， 驱 动 从 动 件 的 有效 回 转 力 矩 为 零 ， 此 时 机 构 不 能 运 动 在 曲 柄 摇 杆 机 构 中 ， 当 摇 杆 为 主 动 件 ，曲 柄 与 连 杆 两 次 共 线 时 ， 从 动 件 曲 柄的 传 动 角 为 零 ， 机 构 此 时 处 于 死 点 位置 。 在 曲 柄 摇 杆 机 构 中 ， 若 以 曲 柄 AB为 主动 件 ， 曲 柄 与 连 杆 两 次 共 线 时 ， 摇 杆处 于 两 极 限 位 置 称 返 回 位 置 。 极 位 与 死 点 是 机 构 的 同 一 位 置 ， 原 动件 不 同 。 在 曲 柄 摇 杆 机 构 中 ， 若 以 曲 柄 AB为 主动 件 ， 曲 柄 与 机 架 两 次 共 线 位 置 时 ， 出 现 最 小 传 动 角 。 机 构 处 于 极 位 位 置 ， 由 于 从 动 件 速 度 接 近 零 ，所 以 可 以 获 得 较 大 的 增 力 效 果 。例 ： p121拉 铆 机 四 、 铰 链 四 杆 机 构 的 连 杆 曲 线 设 计 ： 潘 存 云A B CDN EM应 用 ： 摄 影 机 抓 片 机 构连 杆 曲 线 尖 点 处瞬 时 速 度 为 零应 用 ：步 行 机 器 人 腿 部 机 构有 的 连 杆 曲 线具 有 对 称 性对 称 连 杆 曲 线 具 有 一 段非 常 近 似 圆 弧 或 直 线 的 线 段双 摇 杆 机 构 的 连 杆 曲 线 常 应 用 于生 成 近 似 直 线应 用 ： p123 五 、 铰 链 四 杆 机 构 的 运 动 连 续 性 铰 链 四 杆 机 构 的 运 动 连 续 性 是 指 连 杆 机 构 在 运 动 过程 中 ， 能 否 连 续 实 现 给 定 的 各 个 位 置 的 问 题 。 可 行 域 、 不 可 行 域 、 错 位 不 连 续 :从 动 件 不 能 在 两 个 不 连 通 的 可 行 域 内 连续 运 动 。 错 序 不 连 续 :原 动 件 按 同 一 方 向 转 动 时 ， 连 杆 不 能 按顺 序 通 过 给 定 的 各 个 位 置 。 在 设 计 四 杆 机 构 时 ， 必 须 检 查 所 设 计 机 构 是 否 满 足运 动 连 续 性 要 求 。例 8.1 p124 8 4 平 面 四 杆 机 构 的 设 计 一 、 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 。 设 计 ： 潘 存 云 三 种 设 计 要 求 ：1)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 设 计 ： 潘 存 云设 计 ： 潘 存 云A DC B飞 机 起 落 架B C 三 种 设 计 要 求 ：2)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 、 仪 表 。 函 数 机 构要 求 两 连 架 杆 的 转 角 满 足 函 数 y=logxx y=logxA B CD 设 计 ： 潘 存 云Q AB C DE 设 计 ： 潘 存 云鹤 式 起 重 机 搅 拌 机 构要 求 连 杆 上 E点 的 轨迹 为 一 条 卵 形 曲 线要 求 连 杆 上 E点 的 轨迹 为 一 条 水 平 直 线Q CBA D E 三 种 设 计 要 求 ：3)满 足 预 定 的 轨 迹 要 求 ， 如 : 鹤 式 起 重 机 、 搅 拌 机 等 。 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 二 、 作 图 法 设 计 四 杆 机 构1、 按 连 杆 预 定 位 置 设 计 四 杆 机 构1） 已 知 活 动 铰 链 中 心 的 位 置2） 已 知 固 定 铰 链 中 心 的 位 置例 8.2 p127 设 计 ： 潘 存 云 1、 按 连 杆 预 定 位 置 设 计 四 杆 机 构1） 已 知 活 动 铰 链 中 心 的 位 置(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 DB 2 C2B3 C3A DB1 C1B 1 C1在 给 定 连 杆 的 两 个 位 置 要 求 设 计 四 杆 机构 时 ， 可 得 无 穷 多 组 解 。 一 般 还 应 该 考虑 其 它 辅 助 条 件 ， 例 如 ， 满 足 合 理 的 结构 要 求 ， 使 机 械 在 运 转 中 的 最 小 传 动 角最 大 ， 等 等 。 2） 已 知 固 定 铰 链 中 心 的 位 置 设 计 活 动 铰 链 位 置 机 构 倒 置 : 设 改 取 四 杆 机 构 的 连 杆 为 机 架 ， 则原 机 构 中 的 固 定 铰 链 A、 D将 变 为 活 动 铰 链 ，而 活 动 铰 链 B、 C将 变 为 固 定 铰 链 。 这 样 ， 就 将 已 知 固 定 铰 链 中 心 的 位 置 设 计 四 杆机 构 的 问 题 转 化 成 了 已 知 活 动 铰 链 中 心 的 位 置设 计 四 杆 机 构 的 问 题 。 (a). 已 知 两 个 连 杆 位 置 ， 找 活 动 铰 链 位 置(b). 已 知 三 个 连 杆 位 置 ， 找 活 动 铰 链 位置 A D 已 知 :固 定 铰 链 中 心 A、 D的 位 置 ， 及 在 运 动 过 程 中连 杆 BC占 据 的 两 个 位 置确 定 ： 两 活 动 铰 链 中 心BC的 位 置 。已 知 :固 定 铰 链 中 心A、 D的 位 置 ， 及 在运 动 过 程 中 连 杆 BC占 据 的 三 个 位 置确 定 ： 两 活 动 铰 链中 心 BC的 位 置 。 p127图 8-48 A D例 8.2 二 、 作 图 法 设 计 四 杆 机 构1、 按 连 杆 预 定 位 置 设 计 四 杆 机 构1） 已 知 活 动 铰 链 中 心 的 位 置2） 已 知 固 定 铰 链 中 心 的 位 置2、 按 两 连 架 杆 预 定 的 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构3)、 按 两 连 架 杆 多 对 对 应 角 位 移 设 计2)、 按 两 连 架 杆 三 对 对 应 角 位 移 设 计1)、 按 两 连 架 杆 两 对 对 应 角 位 移 设 计 2、 按 两 连 架 杆 预 定 的 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构 已 知 ： 四 杆 机 构 机 架 长 度 d ， 原 动 件 和 从 动 件 沿 某方 向 依 次 转 过 对 应 的 角 度 设 计 此 四 杆 机 构 。 方 法 ： 机 构 倒 置 ： 若 改 取 连 架 杆 CD为 机 架 ， 则 构 件 AB变 为连 杆 ， 在 此 情 况 下 ， 只 要 找 出 新 连 杆 AB相 对 新 机 架CD运 动 时 的 活 动 铰 链 A、 B的 位 置 ， 应 用 已 知 连 杆 的预 定 位 置 设 计 四 杆 机 构 的 方 法 求 解 即 可 。1). 按 连 架 杆 两 预 定 的 对 应 位 置 设 计 2).按 两 连 架 杆 三 个 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构例 :下 图 所 示 铰 链 四 杆 机 构 ，已 知 机 架 长 度 d， 该 四 杆 机 构 的 两 连 架 杆 应 满 足 的 三 组对 应 位 置 为 12 12 1313 机 构 倒 置 方 法 :取 CD为 机 架 ,则 AB为 连 杆 ,找 出 活 动 铰链 B的 位 置 ,则 应 用 “ 由 活 动 铰 链 位 置 求 固 定 铰 链 位置 ” 的 方 法 。 P221图 8-48 选 取 固 定 铰 链 中 心 A、 D的 位 置 适 当 选 取 原 动 件 AB的 长 度 ， 任 取 第 一 位 置 AB1，再 取 AB2 、 AB3 机 构 倒 置 方 法 :取 C1D为 机 架 。 连 接 B2D、 B3D， 且 绕 D转 、 ， 得 到 B2、B3 做 B2B3 、 B1B2垂 直 平 分 线 ， 交 点 C1 则 AB 1C1D为 所 求 四 杆 机 构 12 133)、 按 两 连 架 杆 多 对 对 应 位 置 设 计 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云3、 按 预 定 的 运 动 轨 迹 设 计 四 杆 机 构 ABCD E 143 2 5 传 送 机 构 搅 拌 机 构C B ADE6步 进 式 设 计 ： 潘 存 云A B CDN EM 连 杆 作 平 面 运 动 ,其 上 各 点 的 轨 迹 均 不 相 同 。B, C点 的 轨 迹 为 圆 弧 ; 其 余 各 点 的 轨 迹 为 一条 封 闭 曲 线 。设 计 目 标 : 就 是 要 确 定 一组 杆 长 参 数 , 使 连 杆 上 某点 的 轨 迹 满 足 设 计 要 求 。按 预 定 的 运 动 轨 迹 设 计 四 杆 机 构 设 计 ： 潘 存 云连 杆 曲 线 生 成 器A B C D 连 杆 曲 线 图 谱 4、 按 给 定 的 急 回 要 求 设 计 四 杆 机 构1) 曲 柄 摇 杆 机 构 C1C2 O 2A C 2= l2- l1 A C1= l1 + l2 设 计 ： 潘 存 云E 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 。 选 定 A， 设 曲 柄 为 l1 ， 连 杆 为 l2 ， 则 : 以 A为 圆 心 ， A C 2为 半 径 作 弧 交 于 E,得 ： l1 =EC1/ 2 l2 = A C1 EC1/ 2,A C2=l2- l1 = l1 =( A C1 A C2)/ 2 C2C1P=90 ,交 于 P; 90 -P A C 1= l1+l2 C1C2 DA 讨 论 ： 由 于 A点 可 在 C1PC2的 外 接 圆 周 的 弧C1PC2上 任 意 选 取 ， 所 以 ， 若 仅 按 行 程 速 度 变化 系 数 K来 设 计 ， 可 以 得 到 无 穷 多 组 解 。 因 此 ， 在 未 给 出 其 它 附 加 条 件 的 情 况 下 ， 如 欲获 得 良 好 的 传 动 质 量 ， 可 按 照 传 动 角 最 优 或 其它 辅 助 条 件 来 确 定 A点 的 位 置 。 2) 曲 柄 滑 块 机 构已 知 K， 滑 块 行 程 H， 偏距 e， 设 计 此 机 构 。 O 2A C2= l2 - l1 A C1= l1 + l2 设 计 ： 潘 存 云E 2 2a e2) 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 3) 导 杆 机 构已 知 ： 机 架 长 度 d， K， 设 计 此 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。 = 设 计 ： 潘 存 云 设 计 ： 潘 存 云ADm n =D3) 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 。 三 、 解 析 法 设 计 四 杆 机 构四 、 四 杆 机 构 的 优 化 设 计1、 解 析 法 按 预 定 连 杆 位 置 设 计 四 杆 机 构2、 解 析 法 按 预 定 运 动 轨 迹 设 计 四 杆 机 构3、 解 析 法 按 预 定 运 动 规 律 设 计 四 杆 机 构(1)、 按 预 定 两 连 架 杆 对 应 位 置 设 计 四 杆 机 构(2)、 按 期 望 函 数 设 计 四 杆 机 构(3)、 按 急 回 运 动 要 求 设 计 四 杆 机 构 8 5 多 杆 机 构二 、 多 杆 机 构 的 类 型一 、 多 杆 机 构 的 功 用 本 章 重 点 ：1.四 杆 机 构 的 基 本 形 式 、 演 化 及 应 用 ；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 度 变 化 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 度 变 化 系 数 设 计 四 杆 机 构的 原 理 与 方 法 。