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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 三 章,平 面 连 杆 机 构,第 三 章 平 面 连 杆 机 构,第三章,平面连杆机构,平面连杆机构中以四个构件组成的平面四杆机构（简称四杆机构）应用最为广泛，本章主要介绍四杆机构的设计方法。,平,面连杆机构由若干构件通过低副连接组成，所有构件在同一平面或相互平行平面内运动的机构，又称平面低副机构。,曲柄,2,3,4,连杆,1,摇杆,机架,优点是：,运动副为面接触，压强较小，磨损较轻，便于润滑，故可承受较大载荷；低副几何形状简单，加工方便；能实现较复杂的运动轨迹。,缺点是：,运动副的制造误差会引起误差累积较大，致使惯性力较大；不易实现精确的运动规律，因此，连杆机构不适宜高速传动。,第三章 平面连杆机构 平面连杆,第一节,铰链四杆机构的基本形式及应用,铰链四杆机构,运动副均采用转动副的四杆机构,组成：,曲柄,1,：作整周转动,连杆,2,：平面运动（平动,+,转动）,摇杆,3,：,角内作变速摆动,机架,4,：固定杆,第一节 铰链四杆机构的基本形式及应用铰链四杆机构运动副均,铰链四杆机构按两连架杆的运动形式不同分为三种基本形式：即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。,一、曲柄摇杆机构,若铰链四杆机构的两个连架杆，一个为曲柄，另一个为摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。,曲柄和摇杆均可作为原动件，当曲柄为原动件时，摇杆作变速往复摆动。,铰链四杆机构,a),曲柄摇杆机构,b),双曲柄机构,c),双摇杆机构,铰链四杆机构按两连架杆的运动形式不同分为三种,实例：曲柄为原动件,雷达天线俯仰机构 和面机机构,实例：曲柄为原动件 雷达天线俯仰机构,实例：摇杆为原动件,1,2,3,4,曲轴,踏板,连杆,缝纫机的踏板机构,实例：摇杆为原动件1234曲轴踏板连杆缝纫机的踏板机构,二、双曲柄机构,两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。,图示惯性筛中的铰链四杆机构就是双曲柄机构。,主动曲柄1等速转动，从动曲柄3变速转动，通过附加连杆5带动筛6作变速反复运动。,1,2,3,4,惯性筛机构,5,6,二、双曲柄机构两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构,双曲柄机构的特殊情况,1,正平行四边形机构,A,B,C,D,当主动曲柄,AB,作等速转动时，从动曲柄,CD,以相同的角速度沿同一方向转动，连杆,BC,作平动。,正平行四边形机构具有等传动比特点，故在机械中应用较多。,实例：机车车轮联动机构；,万能绘图仪等。,机车车轮联动,1,、,3,、,4,曲柄；,2,连杆；,5,机架,结构特点：对边相等且平行。,双曲柄机构的特殊情况1正平行四边形机构ABCD,2,反平行四边形机构,结构特点：对边相等，但不平行。,当主动曲柄作等速转动时，从动曲柄作反向变速转动。,A,B,D,C,汽车车门启闭机构,2反平行四边形机构结构特点：对边相等，但不平行。,正平行四边形机构的运动不确定性,正平行四边形机构在一个运动循环中，四个构件两次共线，致使机构可能两次出现运动不确定状态。此时，从动曲柄可能会发生变向转动，变成反正平行四边形机构。,避免措施：,a),利用从动曲柄本身的质量或附加飞轮的惯性导向。,b),采用两套相同机构，错开死点位置。,正平行四边形机构的运动不确定性 正平行四边形,三、双摇杆机构,两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。,实例：,飞机起落架机构 鹤式起重机机构,三、双摇杆机构 两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构称,等腰梯形机构,结构特点：两个摇杆的长度相等。,汽车转弯时，要求整个车身绕一点转动，使四个车轮均能在地面上做纯滚动，避免轮胎与路面滑动而损伤。等腰梯形机构能近似满足这一要求。,汽车前轮转向机构,等腰梯形机构结构特点：两个摇杆的长度相等。汽,第二节,铰链四杆机构的传动特性,一、急回运动性质和行程速比系数,设计机器时，常要求机器的执行机构在工作行程以较低的速度运动，以获得较大的工作力。而回程以较高的速度运动，以提高机器的工作效率。这就是急回特性。,曲柄摇杆机构,1,摇杆的极限位置,曲柄摇杆机构，曲柄,AB,转动一周，两次与连杆,BC,共线。这两个位置为极限位置。,第二节 铰链四杆机构的传动特性一、急回运动性质和行程速比系,2,摆角,摆杆两极限位置间的夹角。,3,极位夹角,曲柄与连杆两次共线时，曲柄两位置所夹的锐角。,4,行程速比系数,K,曲柄沿顺时针方向匀速转动，,ABCD,为曲柄摇杆机构的任意工作位置。,当曲柄转到,AB,1,位置时，曲柄与连杆重叠成一条直线；当曲柄转到,AB,2,位置时，曲柄与连杆拉直成一条直线。,2摆角 摆杆两极限位置间的夹角。3极位夹,急回运动特性可用行程速比系数,K,表示，即,将上式整理后，可得极位夹角的计算公式：,注意：,曲柄摇杆机构的急回运动性质，取决于极位夹角,。若,0,，,K,1,，则该机构没有急回运动性质；若,0,，,K,1,，则该机构具有急回运动性质，且,角越大，,K,值越大，急回运动性质也越显著。,对于要求具有急回运动性质的机械，可根据,K,值，计算出,角，以便设计出各杆的尺寸。,急回运动特性可用行程速比系数K 表示，即将上式整理后，可得极,二、压力角和传动角,F,F,t,v,1,压力角,从动件所受压力,F,与受力点速度,之间所夹的锐角,称为压力角,。,有效分力：,F,t,=,F,cos,是影响机构传力性能的主要因素,压力角越小，机构的传力性能越好，理想情况是,=,0,。,2,传动角,压力角的余角称为传动角。,+,=90,0,二、压力角和传动角FFtv1压力角 从动件,3,四杆机构的压力角及传动角,传动角,是连杆与从动件（摇杆）间所夹的锐角。,越小，,越大，机构的传力性能越好。,4,许用值,一般传动：,=40,0,即：,min,40,0,高速大功率传动：,=50,0,即：,min,50,0,四杆机构的压力角和传动角,机构运转过程中，传动角,（或压力角,）是变化的，为了保证机构能正常工作，常取最小传动角,min,大于或等于许用传动角,3四杆机构的压力角及传动角 传动角是连杆与,5,最大压力角及最小传动角的确定,机构在运动过程中，压力角是变化的，是从动构件位置的函数。,曲柄摇杆机构的最小传动角,min,出现在图中的曲柄与机架共线,时,的,其中一个,位置即,AB,或,AB,处。,四杆机构的压力角和传动角,5最大压力角及最小传动角的确定 机构在运动,三、死点位置,当摇杆主动时,在摇杆处于极限位置,C,1,D,和,C,2,D,时，连杆与曲柄两次共线，机构的该位置称为死点位置。,1,死点位置的,特性：,（1）不动。,（2）运动不定,三、死点位置 当摇杆主动时,在摇杆处于极限位置C1D和,2,克服死点位置的措施,（,1,）利用飞轮的惯性冲过死点位置。（缝纫机大带轮）,（,2,）使机构的死点错开。,3.,死点位置的应用,在曲柄摇杆机构中，只有以摇杆为主动件时才会出现死点位置，当以曲柄为主动件时，不存在死点问题。,钻床夹具的夹紧机构,V,型发动机机构,2克服死点位置的措施（1）利用飞轮的惯性冲过死点位置。（缝,第三节,铰链四杆机构的曲柄存在条件,一、曲柄摇杆机构,存在,曲柄的条件,如图：为使曲柄作整周转动，曲柄必须能顺利通过与机架共线的两个位置,AB,和,AB,。即必须在两次共线位置分别形成,BCD,和,BCD,。,在,BCD,中，根据三角形任意两边的长度之差必小于或等于第三边的长度。得：,铰链四杆机构的曲柄存在条件,第三节 铰链四杆机构的曲柄存在条件 一、曲柄,在,BCD,中，根据三角形任意两边长度之和必大于或等于第三边的长度。得：,（,3-3,）,（,3-4,）,（,3-5,）,（,3-6,）,联解式（,3-4,）、（,3-5,）、（,3-6,）得：,图,3-16,铰链四杆机构的曲柄存在条件,在BCD中，根据三角形任意两边长度之和,铰链四杆机构的曲柄存在条件为：,（,1,）曲柄摇杆机构中，曲柄为最短杆；,（,2,）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。,l,min,+l,max,l,其余,1,+l,其余,2,铰链四杆机构的曲柄存在条件为：lmin+lmax l,二、铰链四杆机构三种基本类型间的关系,当铰链四杆机构,满足曲柄存在条件时，,取不同杆为机架，即可得到不同形式的铰链四杆机构。,（,1,）若取最短杆为机架，该机构为双曲柄机构；,（,2,）若取最短杆的任一相邻杆为机架，该机构为曲柄摇杆机构；,（,3,）若取最短杆的相对杆为机架，该机构为双摇杆机构。,注意：在铰链四杆机构中，当最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和时，无论取那一杆为机架，该机构均为双摇杆机构。,二、铰链四杆机构三种基本类型间的关系 当铰链,第四节 铰链四杆机构的演化,一、演化为曲柄滑块机构,在铰链四杆机构中，铰链中心,C,的运动轨迹为,mm,圆弧，随着构件,3,的增长，,mm,弧越平直。当构件,3,无穷长时，,mm,圆弧变成直线，回转副转化为移动副，则曲柄摇杆机构演化成曲柄滑块机构。,1,演化过程,第四节 铰链四杆机构的演化 一、演化为曲,2,曲柄滑块机构的类型,（1,）对心曲柄滑块机构,滑块的导路中心线,mm,通过曲柄的回转中心,A,。该机构无急回特性。,（2,）偏置曲柄滑块机构,滑块的导路中心线,mm,与曲柄回转中心,A,的偏距为,e,。该机构具有急回特性。,曲柄滑块机构广泛用于内燃机、冲床、空气压缩机及往复式水泵等机械中。,2曲柄滑块机构的类型（1）对心曲柄滑块机构 滑,二、变换机构的机架,二、变换机构的机架,1,导杆机构,（,1,）演化方法,取曲柄滑快机构的曲柄为机架。,（,2,）结构特点,构成移动副的两个构件均为活动构件，滑快相对杆,4,滑动，并随杆,4,转动。故称为导杆机构。,（,3,）类型,1,）转动导杆机构,杆,2,与杆,4,均作整周转动。,2,4,1,3,1导杆机构（1）演化方法 取曲柄滑快机构的曲,六缸回转式油泵,1,机架；,2,连杆；,3,活塞；,4,转动导杆。,六缸回转式油泵1机架；2连杆；3活塞；,2,）摆动导杆机构,杆,4,只能作往复摆动，故称摆动导杆机构,摆动导杆机构具有急回特性。,滑快,3,对导杆,4,的作用力始终与导杆垂直，压力角,=0,0,传力性能最好。,1,2,3,4,F,v,3,4,2）摆动导杆机构 杆4只能作往复摆动，故称摆动,牛 头 刨 床,牛 头 刨 床,2,摇块机构,构件,1,和,4,均可作为主动件。工作时，构件,3,与,4,相对滑动，并一起绕,C,点转动。滑块,3,绕,C,点摆动，故称摇块机构。,C,卡车车厢自动翻转卸料机构,1,车身；,2,车厢；,3,液压缸；,4,推杆,曲柄摇块机构,2摇块机构 构件1 和 4 均可作为主动件。,3,移动导杆机构（定块机构）,一般取构件,1,为原动件，构件,2,绕,C,点往复摆动，构件,4,相对构件,3,作往复移动。,移动导杆机构,取曲柄滑块机构中的滑块为机架。,如：手压抽水机,1,2,3,4,3移动导杆机构（定块机构）一般取构件1为原动,三,、,演化成偏心轮机构,将图示机构中的回转副,B,（曲柄销）的半径扩大，直至超过曲柄,AB,的长度。则曲柄变成几何中心与回转中心不重合的圆盘，两中心间的距离称偏心距，等于曲柄长度。,由于演化后曲柄变成偏心轮，故称偏心轮机构。,偏心轮机构是通过扩大回转副而演化出的新机构。,偏心轮机构,三、演化成偏心轮机构 将图示机构中的回转副 B（,当曲柄摇杆机构及曲柄滑块机构的曲柄较短时，或曲柄销承载较大时，通常将曲柄用偏心轮代替。可增大轴径尺寸，提高其强度和刚度。,另外，当机构需安装在轴的中部时，（偏心轮与轴一体）便于安装整体式连杆，使结构简化。,偏心轮机构广泛用于冲床、剪床、锷式破碎机、内燃机等机械中。,当曲柄摇杆机构及曲柄滑块机构的曲柄较短时，或,四,、,平面四杆机构的演化关系,摆动导杆机构,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,曲柄滑块机构,导杆机构,摇块机构,定块机构,转动导杆机构,偏心轮机构,（改换机架）,（变回转副为移动副）,（改换机架）,（扩大回转副）,（改变构件尺寸）,四、平面四杆机构的演化关系 摆动导杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机,第五节 平面四杆机构的设计,平面四杆机构的设计主要是根据给定的工作要求，在满足几何条件、运动条件和动力条件情况下，选择机构的类型和确定机构各构件的几何尺寸。,一,、,设计类型,1,实现已知的运动规律,如：要求曲柄摇杆机构的曲柄等速回转，而摆杆摆动一定角度并急速返回。,2,实现已知的运动轨迹,如：电影放映机的过片机构,第五节 平面四杆机构的设计 平面四杆机构的设,二,、,设计方法,图解法、解析法、实验法,三,、,图解法设计,1.,按给定行程速比系数,K,设计,该方法用于设计具有急回运动性质的平面四杆机构，即：曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构。,一般设计方法：,1,）先根据工作要求确定行程速比系数,K,；,2,）根据机构在极限位置的几何关系，结合有关辅助条件，确定机构的运动简图及各构件的几何尺寸。,二、设计方法 图解法、解析法、实验法三、图解法设计1.按给,当曲柄摇杆机构的摇杆处于两极限位置时各构件间的尺寸关系。,摇杆处于极限位置时，曲柄与连杆共线。,极位夹角,当摇杆处于,C,1,D,位置时：,AC,1,=BC-AB (1),当摇杆处于,C,2,D,位置时：,AC,2,=BC+AB (2),联解（,1,）、（,2,）得：,AC,2,-AC,1,=2AB,AC,1,+AC,2,=2BC,偏置的曲柄滑块机构也满足上述关系。,当曲柄摇杆机构的摇杆处于两极限位置时各构件间,例,1,：,设计一曲柄摇杆机构，已知摇杆长度,l,摆角,，及行程速比系数,K,。设计此机构。,设计步骤：,2.,由给定的行程速比系数,K,，计算极位夹角,。,3.,选定固定铰链,D,的中心位置，根据摇杆长度,l,和摆角,作出摇杆的两个极限位置,C,1,D,和,C,2,D,。,1.,选取比例尺：,L,=Xmm/mm,例1：设计一曲柄摇杆机构，已知摇杆长度l,摆角,5.,作,C,1,C,2,N,=90,0,-,，使,C,2,N,与,C,1,M,交于,P,点。则,C,1,PC,2,=,。,4.,连接,C,1,C,2,，并作,C,1,M,C,1,C,2,。,6.,作,C,1,PC,2,的外接圆，在圆周上任选一点,A,作为曲柄与机架所组成铰链的中心。,7.,连接,AC,1,和,AC,2,，则,C,1,AC,2,=,C,1,PC,2,=,。,AC,1,和,AC,2,为曲柄与连杆两次共线的位置。,5.作C1C2N=900-，使C2N,8.,由机构在极限位置时各构件间的相互关系：,曲柄长度：,9.,以,A,为圆心，,l,1,为半径作圆，与,C,1,A,的延长线交于,B,1,点，与,AC,2,交于,B,2,点。,连杆长度：,l,2,=,B,1,C,1,=,B,2,C,2,机架长度：,l,4,=,AD,按比例作图，各构件长度等于图中尺寸,比例尺。,8.由机构在极限位置时各构件间的相互关系：,由于,A,点是在,C,1,PC,2,外接圆上任选的一点，故按,K,设计可得无穷多解。,A,点的位置不同，机构的传动角不同。为获得良好的传动性能，可按最小传动角或其它辅助条件确定,A,点的位置。,A,点沿圆周上移，机构的压力角最大值减小。,由于A点是在C1PC2外接圆上任选的一点，,例,2.,按给定的连杆两位置及其长度设计铰链四杆机构,在没有其它辅助条件下，有无穷多解。,2.,按给定的连杆长度和工作位置设计,图,3-20,按给定连杆两位置设计四杆机构,例2.在没,例,3,：,按给定的连杆三位置及其长度设计铰链四杆机构。,具有确定解。,图,3-21,按给定连杆三位置设计四杆机构,例3：按给定的连杆三位置及其长度设计铰链四杆,3.,实验法,图示为描绘连杆曲线模型的机构简图。,各杆长度可调节，连杆扩展成一块板，板上的孔代表连杆上的不同位置，当机构运动时，各点就绘出不同形状的轨迹曲线。,图,3-22,连杆曲线的绘制,3.实验法 图示为描绘连杆曲线模型的机构简图,连杆曲线图谱,平面连杆机构的连杆曲线是高阶曲线，设计时使连杆上某点实现给定的运动轨迹是十分复杂的，工程中常用连杆曲线图谱设计。有,7000,条连杆曲线可供选择。,图,3-23,四连杆机构分析图谱,连杆曲线图谱 平面连杆机构的连杆曲线是高阶曲线,图中以原动曲柄的长度为单位长度，其它各杆的长度以相对曲柄长度的比值表示。,图中每一条连杆曲线均由,72,根长短不等的线段组成，沿曲线测量相邻两线段间的距离，可得曲柄每转,5,0,时连杆上该点的位移。根据曲柄转速还可以计算该点位移的平均速度及加速度的近似值。,图谱的应用：,根据要求实现的运动轨迹，先从图谱中查取与其相似的连杆曲线及各构件的长度比值，再求出实际曲线与图谱曲线间的倍数关系，从而确定出各构件的实际尺寸。,图中以原动曲柄的长度为单位长度，其它各杆的长,
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