第五章 平面连杆机构的分析和设计

5-1 5-1 四杆机构的基本类型四杆机构的基本类型5-2 5-2 四杆机构的基本特性四杆机构的基本特性5-3 5-3 四杆机构的演化四杆机构的演化5-4 5-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计第五章第五章 平面连杆机构的分析和设计平面连杆机构的分析和设计A AD DC CB B连杆机构：若干构件通过连杆机构：若干构件通过低副低副连接而成的机构。连接而成的机构。5.1 5.1 基本类型及性质基本类型及性质平面四杆机构：由四个杆状构件组成。平面四杆机构：由四个杆状构件组成。1 1、低副存在间隙，产生运动误差、低副存在间隙，产生运动误差2 2、不易精确实现复杂运动规律、不易精确实现复杂运动规律1 1、低副压力小，制造简单，制造精度较高、低副压力小，制造简单，制造精度较高2 2、实现转动、摆动和移动等运动形式转换、实现转动、摆动和移动等运动形式转换3 3、实现多种运动规律、实现多种运动规律平面连杆机构主要优点：平面连杆机构主要优点：平面连杆机构主要缺点平面连杆机构主要缺点：A AD DC CB B本章主要讨论应用最广、最基础的是铰链四杆机构。本章主要讨论应用最广、最基础的是铰链四杆机构。ADAD机架机架ABAB、CDCD连架杆连架杆BCBC连杆连杆连架杆连架杆往复摆动往复摆动摇杆摇杆能整圈回转能整圈回转曲柄曲柄一一、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构特点：两连架杆一个是曲柄（整周转）；一个是摇杆（摆动）特点：两连架杆一个是曲柄（整周转）；一个是摇杆（摆动）应用：应用：雷雷 达达 曲柄摇杆机构应用曲柄摇杆机构应用:汽车玻璃窗雨刷汽车玻璃窗雨刷曲柄摇杆机构应用：搅拌器曲柄摇杆机构应用：搅拌器,曲柄主动曲柄主动二、双曲柄机构二、双曲柄机构特点：特点：两连架杆均为曲柄两连架杆均为曲柄 主动曲柄匀速转动主动曲柄匀速转动 1 1=C=C.从动曲柄变速转动从动曲柄变速转动 2 2=f(t)=f(t)双曲柄机构应用：双曲柄机构应用：惯性筛惯性筛双曲柄机构运动不确定性双曲柄机构运动不确定性1 12 2平行双曲柄机构的运动不确定性：平行双曲柄机构的运动不确定性：（1 1）两曲柄等长且平行，）两曲柄等长且平行，1 1=2 2。当两曲柄共线时，有可当两曲柄共线时，有可能成为反向双曲柄机构能成为反向双曲柄机构:（2 2）解决办法：）解决办法：a.a.利用从动曲柄本身（或附加质量）的惯性来导向。利用从动曲柄本身（或附加质量）的惯性来导向。b b.在主、从动曲柄上错开移动角度再安装一组平行四边形机构。在主、从动曲柄上错开移动角度再安装一组平行四边形机构。c.c.增加第三个平行曲柄增加第三个平行曲柄（3 3）应用：）应用：机车联动机构机车联动机构三、双摇杆机构三、双摇杆机构1 1、特点：两连架杆都是摇杆、特点：两连架杆都是摇杆2 2、应用：、应用：飞机起落架机构飞机起落架机构汽车转向机构汽车转向机构摄影台升降机构摄影台升降机构一、急回特性和行程速比系数一、急回特性和行程速比系数5.2 5.2 平面四杆机构的基本工作特性平面四杆机构的基本工作特性 最大摆角最大摆角:摇杆往复摆过的最大角摇杆往复摆过的最大角主动件：曲柄主动件：曲柄从动件：摇杆从动件：摇杆极位夹角极位夹角：从动件处于两个极位时，曲柄两位置之间的夹：从动件处于两个极位时，曲柄两位置之间的夹角角1 1、急回特性、急回特性极位：从动件的两个极限位置极位：从动件的两个极限位置曲柄曲柄摇杆摇杆摆角摆角 ,时间时间 t1摆角摆角 ,时间时间 t2因因 1 1 2 2且曲柄匀速，所以，且曲柄匀速，所以，t t1 1 t t2 2,速度速度 v v2 2 v v1 1 ，摇，摇杆具有急回运动的特性。即曲杆具有急回运动的特性。即曲柄匀速转动时柄匀速转动时,通常把摇杆往通常把摇杆往复摆动速度快慢不同的运动称复摆动速度快慢不同的运动称为急回运动。为急回运动。四杆机构从动件空回行程平均速度与工作行程平均速度的四杆机构从动件空回行程平均速度与工作行程平均速度的比值称为行程速比系数，用比值称为行程速比系数，用 K K 表示：表示：（2 2）当）当 0 0，k 1k 1，机构有急回作用。，机构有急回作用。因此因此 （1 1）当）当 =0=0，k=1k=1，机构无急回作用。，机构无急回作用。2 2、行程速比系数、行程速比系数总结总结四杆机构存在急回特性必须具备以下条件：四杆机构存在急回特性必须具备以下条件：曲柄为主动件曲柄为主动件 从动件有极限位置从动件有极限位置 曲柄存在极位夹角曲柄存在极位夹角P二、四杆机构的死点二、四杆机构的死点摇杆为主动件，摇杆为主动件，且连杆与且连杆与曲柄两次共线曲柄两次共线时时，0 0，此时此时机构不能运动机构不能运动。称此称此位置为：位置为：“死点死点”P脚踏缝纫机的停止现象脚踏缝纫机的停止现象克服死点：克服死点：通常在从动件轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过通常在从动件轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点位置。死点位置。如内然机、缝纫机等如内然机、缝纫机等。利用死点进行工作：飞机起落架利用死点进行工作：飞机起落架 利用死点进行工作利用死点进行工作：钻夹具钻夹具连杆与摇杆所夹的锐角连杆与摇杆所夹的锐角 minmin4040 通常情况通常情况大，传力性能好大，传力性能好 minmin5050 传递较大动力时传递较大动力时2 2、传动角、传动角有效分量：有效分量：F Ft t=Fcos=Fcos小，传力性能好小，传力性能好-是判定机构动力性能的一个指标是判定机构动力性能的一个指标1 1、压力角、压力角(是对从动件而言）是对从动件而言）压力角压力角 ：从动件受力方向与受力点线速度方向之间所夹的锐角。：从动件受力方向与受力点线速度方向之间所夹的锐角。传动角传动角:压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。三、压力角和传动角三、压力角和传动角（1 1）最短构件与最长构件的长度之和）最短构件与最长构件的长度之和大于大于其他两构件长度其他两构件长度之和，所有运动副均为摆动副，均为双摇杆机构。之和，所有运动副均为摆动副，均为双摇杆机构。（2 2）最短构件与最长构件的长度之和）最短构件与最长构件的长度之和小于等于小于等于其他两构件其他两构件长度之和，最短构件上两个转动副均为整转副。（可能存在长度之和，最短构件上两个转动副均为整转副。（可能存在曲柄，再细分）曲柄，再细分）a.a.取最短构件为机架，机构为双曲柄机构取最短构件为机架，机构为双曲柄机构b.b.取最短构件任一相邻构件为机架，机构为曲柄摇杆机构取最短构件任一相邻构件为机架，机构为曲柄摇杆机构c.c.取最短构件对面的构件为机架，机构为双摇杆机构取最短构件对面的构件为机架，机构为双摇杆机构四、四杆机构曲柄存在条件四、四杆机构曲柄存在条件(长度条件长度条件)：例：试判断以下铰链四杆机构分别是何机构？例：试判断以下铰链四杆机构分别是何机构？双曲柄双曲柄曲柄摇杆曲柄摇杆双摇杆双摇杆曲柄摇杆曲柄摇杆双摇杆双摇杆例例1 1：在图中已知：在图中已知 l lBCBC=100mm,l=100mm,lCD CD=70mm,l=70mm,lADAD=50mm=50mm，ADAD为固定件。为固定件。（1 1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB AB 为曲柄，求为曲柄，求l lABAB的值的值（2 2）如果该机构能成为双曲柄机构，求）如果该机构能成为双曲柄机构，求l lABAB ；（3 3）如果该机构能成为双摇杆机构，求）如果该机构能成为双摇杆机构，求l lABAB 。解：（解：（1 1）如果能成为曲柄摇杆机构，）如果能成为曲柄摇杆机构，l lABAB 20mm 20mm（2 2）如果能成为双曲柄机构，则应满足）如果能成为双曲柄机构，则应满足“最长杆与最短杆长最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆ADAD为最短杆为最短杆”。a.a.若若BCBC为最长杆，为最长杆，80mml80mmlAB AB 100mm100mm b.b.若若ABAB为最长杆，为最长杆，100mml100mmlABAB 120mm 120mm 综合：综合：80mml80mmlABAB 120mm 120mm（3 3）a.a.AB AB为最短杆，为最短杆，BCBC为最长杆为最长杆 20mml20mmlABAB 50mm 50mm b.b.AD AD为最短杆，为最短杆，BCBC为最长杆，则为最长杆，则 50mm l50mm lABAB 80mm 100 100时，时，AB AB 为最长杆，为最长杆，AD AD 为最短，为最短，l lABAB 120mm 120mm另外，另外，ABAB增大时，还应考虑到，增大时，还应考虑到，BCBC与与CDCD成伸直共线时，成伸直共线时，需构成三角形的边长关系，即需构成三角形的边长关系，即l lAB AB (l(lBCBC+l+lCDCD)+l)+lADADl lAB AB 220 mm 220 mm则则 120 mm l120 mm lABAB 220 mm 220 mm综合以上情况，可得综合以上情况，可得l lAB AB 的取值范围为：的取值范围为：20 mm l20 mm lABAB 80 mm 80 mm 120 mm l 120 mm lABAB 220 mm 220 mm一、曲柄滑块机构一、曲柄滑块机构5.3 5.3 铰链四杆机构的演化方式铰链四杆机构的演化方式偏置曲柄滑块机构：偏置曲柄滑块机构：分为：对心和偏置分为：对心和偏置1.1.偏心距偏心距e e2.2.滑块最大行程滑块最大行程H H3.3.是否有死点是否有死点4.4.是否有急回特性是否有急回特性曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。二二、导杆机构导杆机构转动导杆机构转动导杆机构 摆动导杆机摆动导杆机构构L L1 1LL2 L1L2 L L1 1L2 L2：机架长度：机架长度：曲柄长度：曲柄长度应用应用牛头刨床机构牛头刨床机构 简易刨床简易刨床摆动导杆机构摆动导杆机构也具有急回特性，摆动导杆机构中也具有急回特性，摆动导杆机构中=，如图。，如图。曲柄滑块机构中，当将滑块改为机架时，就演化成曲柄滑块机构中，当将滑块改为机架时，就演化成定块定块机构。机构。三三、摇块和定块机构摇块和定块机构应用应用移动导杆机构移动导杆机构 抽水唧筒抽水唧筒曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成摇块摇块机构。机构。应用应用泵泵典型连杆机构最小传动角典型连杆机构最小传动角minmin的位置判断的位置判断3412（1 1）曲柄摇杆机构的最小传动角）曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄主动时：曲柄主动时：曲柄与机架处于共线的两曲柄与机架处于共线的两个位置时，连杆与摇杆所夹传个位置时，连杆与摇杆所夹传动角之一为最小传动角。动角之一为最小传动角。摇杆主动时：摇杆主动时：最小传动角等于最小传动角等于0 0o o（2 2）曲柄滑块机构的最小传动角）曲柄滑块机构的最小传动角曲柄主动时：曲柄主动时：当曲柄垂直于滑块导路中当曲柄垂直于滑块导路中心线时，连杆与导路垂直线所心线时，连杆与导路垂直线所夹锐角为最小传动角。夹锐角为最小传动角。滑块主动时：滑块主动时：最小传动角等于最小传动角等于0 0。（3 3）摆动导杆机构的最小传动角）摆动导杆机构的最小传动角曲柄主动时：曲柄主动时：传动角恒等于传动角恒等于9090o o导杆主动时：导杆主动时：传动角恒等于传动角恒等于0 0o o1 1、正切机构、正切机构四、双滑块机构四、双滑块机构2 2、正弦机构、正弦机构3 3、椭圆仪、椭圆仪五、改变半径得到五、改变半径得到偏心轮（偏心轮（扩大转动副扩大转动副)在曲柄滑块在曲柄滑块(摇杆摇杆)机构中，若曲柄很短，可将转动副机构中，若曲柄很短，可将转动副B B的尺寸扩大到的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄超过曲柄长度，则曲柄ABAB就演化成几何中心就演化成几何中心B B不与转动中心不与转动中心A A重合的圆重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。偏心轮机构结构简单，偏心轮轴颈的强度和刚度大，且易于安装整偏心轮机构结构简单，偏心轮轴颈的强度和刚度大，且易于安装整体式连杆，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击在和较大的机械中。体式连杆，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击在和较大的机械中。颚式破碎机颚式破碎机 一般可归纳为两类问题：一般可归纳为两类问题：（1 1）实现给定的）实现给定的运动位置运动位置。如要求满足给定的。如要求满足给定的行程速度变化系数以实现预期的急回特性或实现连行程速度变化系数以实现预期的急回特性或实现连杆的几个预期的位置；杆的几个预期的位置；（2 2）实现给定的）实现给定的运动轨迹运动轨迹。如要求连杆上的某。如要求连杆上的某点具有特定的运动轨迹，如起重机中吊钩的轨迹为点具有特定的运动轨迹，如起重机中吊钩的轨迹为一水平直线等。一水平直线等。5.4 5.4 平面连杆机构的设计平面连杆机构的设计一、按给定的行程速比系数设计平面四杆机构一、按给定的行程速比系数设计平面四杆机构b)b)任选任选D D点。点。c)c)由由L L3 3任选任选C C1 1，C C2 2，连接，连接C C1 1、C C2 2。d)d)C C1 1MCMC1 1C C2 2，C C1 1C C2 2N=90N=90-C C1 1M M、C C2 2N N交于交于P P，则则C C1 1PCPC2 2=。a)a)计算计算 二、按给定连杆位置设计四杆机构二、按给定连杆位置设计四杆机构若：给定若：给定L LBCBC的长度和三个位置的长度和三个位置画出图中各机构的传动角和压力角，图中箭头构件为原动件。画出图中各机构的传动角和压力角，图中箭头构件为原动件。