机械设计基础11平面连杆机构.ppt

第11章 平面连杆机构, 11.1 铰链四杆机构 11.1.1 铰链四杆机构的类型及应用 11.1.2 铰链四杆机构类型的判别 11.2 具有一个移动副的平面四杆机构 11.2.1 曲柄滑块机构 11.2.2 曲柄滑块机构 11.3 偏心轮机构和平面多杆机构 11.3.1 偏心轮机构 11.3.2 平面多杆机构 11.4 平面四杆机构的运动特性 11.4.1 曲柄摇杆机构的运动特性 11.4.2 曲柄滑块机构的运动特性 11.4.3 曲柄摆动导杆机构的运动特性 11.5 曲柄摆动导杆机构的运动特性 11.5.1 按给定的连杆长度和位置设计平面四杆机构 11.5.2 按给定的行程速度变化系数设计平面四杆机构 本章习题, 11.1 铰链四杆机构 11.1.1 铰链四杆机构的类型及应用,根据连架杆的不同运动形式，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本类型。 1曲柄摇杆机构 两个连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构，如图11.1所示。其中构件1是曲柄，构件3是摇杆。,图11.1 铰链四杆机构,图11.2 雷达天线俯仰角调整机构图, 11.1.1 铰链四杆机构的类型及应用,2双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。在图11.4所示的惯性筛机构中，由构件1、2、3、6构成的铰链四杆机构为双曲柄机构。主动件曲柄1匀速转动，从动曲柄3则作周期性变速回转运动，通过连杆4使筛子在往复运动中具有所需的加速度，从而达到筛分物料的目的。,图11.4 惯性筛机构,2双曲柄机构 在铰链四杆机构中，若对边的长度相等而且平行,该机构称为平行四边形机构。如图11.5所示，不论以哪个构件为机架，平行四边形机构都是双曲柄机构。,3双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。图11.9所示的鹤式起重机中的四杆机构即为双摇杆机构。当主动件摆动时，从动摇杆也随之摆动，而且可以通过设计找到连杆上某点的运动轨迹近似为水平直线。,图11.5 平行四边形机构,图11.9 鹤式起重机, 11.1.2 铰链四杆机构的类型及应用,1 曲柄存在的条件 在图11.11所示的铰链四杆机构中，各杆长度分别为 、 、 、 ，杆1、杆3为连架杆、杆2为连杆、杆4为机架，如果连架杆1能作整周回转，即为曲柄，那么1必须能顺利通过与机架4共线的两个位置和。,当曲柄处于 位置时，形成 ，可得,处于位置时 ，形成 ，可得,， ，,由分析表明，在铰链四杆机构中，连架杆1成为曲柄的条件如下：(1)连架杆1是最短杆(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。,图11.11 铰链四杆机构曲柄存在条件的分析, 11.1.2 铰链四杆机构的类型及应用,2铰链四杆机构类型的判断 若最短杆与最长杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和，则 (1) 当最短杆为连架杆时，该机构是曲柄摇杆机构。 (2) 当最短杆为机架时，该机构是双曲柄机构。 (3) 当最短杆为连杆时，该机构是双摇杆机构。 若最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，因机构中不可能有曲柄存在，故不论取任何构件为机架，都是双摇杆机构。 若构件的长度具有特殊的关系，如不相邻的杆长两两分别相等，该机构不论以哪个杆件为机架，都是双曲柄机构(平行四杆机构或反向双曲柄机构)。, 11.2 具有一个移动副的平面四杆机构, 11.1.2 铰链四杆机构的类型及应用,在图11.12(a)所示的曲柄摇杆机构中，摇杆3上C点的运动轨迹是以D为圆心、CD长为半径的圆弧 。若杆3长度增至无穷大，则如图11.12(b)所示，C点轨迹变为直线 。于是摇杆3演化为直线运动的滑块，原曲柄摇杆机构中的转动副演化为图11.12c所示的曲柄滑块机构。,若点C运动轨迹A正对曲柄转动中心，则称为对心曲柄滑块机构如图11.12(c)所示；若C点运动轨迹 的延长线与曲柄转动中心A之间存在偏距e如图11.12(d)所示，则称为偏置曲柄滑块机构 。, 11.1.2 铰链四杆机构的类型及应用,导杆机构可以看成是通过改变曲柄滑块机构中的固定构件演化而来的。演化后能在滑块中作相对移动的构件图11.14(b)、(c)、(d)中的构件4称为导杆。根据导杆的运动特征，导杆又分为四种类型。 1曲柄转动导杆机构,在图11.14(b)中，以杆1为机架，由于杆的长度 ，因此杆2和杆4都可以作整周转动。这种具有一个曲柄和一个能作整周转动导杆的四杆机构称为曲柄转动导杆机构。 图11.15所示的小型刨床机构简图中，采用的就是由杆1、2、3、4组成的曲柄转动导杆机构。,(a) 曲柄滑块机构 (b) 曲柄转动导杆机构,图11.15 曲柄转动导杆机构在小型刨床机构中的应用,2 曲柄摆动导杆机构 在图11.14(b)中，如果杆的长度 ，那么机构演化成图11.16(a)所示的曲柄摆动导杆机构。图11.16(b)所示为曲柄BC摆动导杆机构在电器开关中的应用。当曲柄处于图示位置时，动触点4和静触点1接触，当BC偏离图示位置时，两触点分开。,(a) 曲柄摆动导杆机构,(b) 曲柄摆动导杆机构在电器开关中的应用,图11.16 曲柄摆动导杆机构,3移动导杆机构 在图11.14(c)中，以构件3为机架，便得到移动导杆机构。图11.17(b)所示的抽水唧筒就是移动导杆机构的应用实例。,(c) 移动导杆机构 d) 摆动导杆滑块机构 图11.14 曲柄滑块机构向导杆机构的演化,a) 移动导杆机构 (b) 抽水唧筒,图11.17 移动导杆机构的应用实例,4摆动导杆滑块机构 在图11.14(d)中，以杆2为机架，便得到摆动导杆滑块机构。图11.18所示的汽车自动卸料机构用的就是摆动导杆滑块机构。,(a) 摆动导杆滑块机构 (b) 汽车自动卸料机构 图11.18 汽车自动卸料机构, 11. 3 偏心轮机构和平面多杆机构, 11.3.1 铰链四杆机构的类型及应用,偏心轮机构实际上也是由铰链四杆机构演化而来的。 在图11.19(a)所示的曲柄摇杆机构中，回转副B是由曲柄上的销轴与连杆上的轴孔所组成的，当曲柄AB的长度较小，而销轴上又要承受较大载荷时，将销轴直径加大，则连杆的轴孔也必须相应地加大。当曲柄的销轴直径加大到大于曲柄AB的长度时，则连杆的轴孔B就形成了环状，曲柄AB变成为一个仍然绕点转动而几何中心为B的圆盘(也就是偏心轮)，如图11.19(b)所示。虽然结构形状改变了，但由于杆件AB、BC、CD、AD的长度均未改变，因此各构件间的相对运动关系均未改变。点B到A点的距离称为偏心距，它等于曲柄的长度。这种偏心轮机构适用于曲柄短、受力大的场合。,(a) 曲柄摇杆机构 (b) 偏心轮机构, 11.3.2 平面多杆机构,平面四杆机构是平面连杆机构的基本形式。在实际应用中，常将多个平面四杆机构组合在一起，构成平面多杆机构，以满足各种不同的工作要求。图11.4所示的惯性筛机构便是由构件1、2、3、6组成的双曲柄机构和由构件3、4、5、6组成的曲柄滑块机构组合而成的六杆机构，图11.15也是平面多杆机构的应用实例。, 11. 4 平面四杆机构的运动特性, 11.4.1 曲柄摇杆机构的运动特性,1急回特性 在图11.20所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄AB为主动件并作整周转动时，摇杆CD作往复摆动。当曲柄AB转到 的位置时，摇杆CD达到右极限 位置，曲柄与连杆拉直共线；当曲柄转到位置时，摇杆达到左极限位置，曲柄与连杆重叠共线。从动件摇杆处于两极限位置时，曲柄对应两个位置所夹的锐角称为极位夹角。,当曲柄沿顺时针方向以等角速度 由位置 转到 时，其转角 ，所用时间为 ，与此同时，摇杆由位置 摆到 ，其摆角为 ，C点的平均速度 ；当曲柄继续由位置 转到时 ，其转角为 ，所用时间为 ，这时摇杆由位置 摆到 ，摆角仍为 ，C点的平均速度 ；显然 。,图11.20 曲柄摇杆机构的急回特性,图11.20 曲柄摇杆机构的急回特性,摇杆由位置 摆到 这一过程称为工作行程，摇杆由位置摆到这一过程称为返回空行程。通常把摇杆返回空行程速度大于工作行程速度这一运动特性，称为急回特性。为了表示急回特性的相对程度，引入行程速度变化系数K，即,(11.4),显然， 值越大，机构急回特性越显著。 值与极位夹角 有关。越大， 值越大；当 时， ，机构无急回特性。由以上分析可以看出，曲柄摇杆机构有急回特性的条件是：极位夹角 不等于0。由式(11.4)可得极位夹角,K,K,K,2压力角和传动角, 11.4.1 曲柄摇杆机构的运动特性,在图11.21所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB是主动件。忽略各杆的质量、惯性力和运动副中的摩擦力，则连杆BC是二力共线的构件。从动件CD上C点的受力方向和该点的速度方向之间所夹的锐角 ，称为机构在该点处的压力角。,将力F分解为相互垂直的两个分力Ft和Fn，Ft的方向与铰链C点的速度方向vc一致，Fn的方向沿着CD杆的方向并与Ft的方向垂直，则有,图11.21 曲柄摇杆机构的压力角和传动角,式中：Ft推动从动件CD运动的有效力，对从动件产生有效转矩； Fn铰链附加压力，加速铰链的摩擦磨损，是有害力。, 11.4.1 曲柄摇杆机构的运动特性,2压力角和传动角,为了便于度量和分析，工程上常用压力角的余角 来分析机构的传力性能，称为传动角。显然， 越大，机构的传力性能越好。在机构的运动过程中，传动角 的大小是变化的。为了保证机构具有良好的传力性能，需要限制最小传动角 ，以免传动效率过低或机构出现自锁。对于一般机械，通常应使 ；对于高速和大功率传动机械，应使 。,对于曲柄摇杆机构，可以证明，在曲柄与机架拉直共线或重叠共线的两个位置之一，是机构的最小传动角 。, 11.4.1 曲柄摇杆机构的运动特性,3死点,在图11.20所示的曲柄摇杆机构中，以摇杆3为主动件，曲柄1为从动件，机构将摇杆的往复运动转变为曲柄的整周转动。当摇杆3依次摆到两个极限位置C1D和C2D时，曲柄1与连杆2共线，摇杆3通过连杆2施加在曲柄1上的力正好通过曲柄的转动中心A，该力对A点不产生转矩，因此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点。由此可见，机构有无死点决定于从动件与连杆能否共线。,图11.22 零件夹紧机构 1夹头 2零件 3手柄, 11.4.2 曲柄摇杆机构的运动特性,1急回特性,图11.23(a)所示的对心曲柄滑块机构，由于极位夹角 ，即 ，滑块3的工作行程和返回行程平均速度相等，所以机构无急回特性。而图11.23(b)所示的偏置曲柄滑块机构，因其极位夹角 时，K1，所以机构有急回特性。,(a) 对心曲柄滑块机构 (b) 偏置曲柄滑块机构 图11.23 曲柄滑块机构的急回特性, 11.4.2 曲柄摇杆机构的运动特性,2死点位置,在图11.23所示的曲柄滑块机构中，如以滑块3为主动件，当滑块3移动到两个极限位置时，连杆2与从动曲柄1处于共线位置，即机构处于死点位置。为使机构通过死点位置，也可采用图11.24所示机构死点位置错位排列的方法。这种方法常用在多缸发动机中。,图11.24 死点位置错开的曲柄滑块机构, 11.4.2 曲柄摇杆机构的运动特性,3传动角,在曲柄滑块机构中，当曲柄为主动件而滑块为从动件时，最小传动角 出现在曲柄垂直于滑块导路的瞬时位置：对心曲柄滑块机构如图11.25(a)所示，当曲柄AB转到AB1和AB2位置时，两次出现最小传动角 ；而偏置曲柄滑块机构如图11.25(b)所示，只有当曲柄AB转到AB1位置时，机构才出现最小传动角。,图11.25 曲柄滑块机构的最小传动角, 11.4.3 曲柄摆动导杆机构的运动特性,1急回特性 在图11.26所示的曲柄摆动导杆机构中，当曲柄BC转动一周，两次与导杆AC垂直时，导杆摆到两个极限位置时的 ，K1，所以机构具有急回特性。,2传动角 在图11.26中，因为滑块3对从动导杆4的作用力方向恒与杆4垂直，即传动角 始终等于90，所以导杆机构的传力性能最好。,图11.26 曲柄摆动导杆机构的急回特性, 11. 5 平面四杆机构的图解法设计, 11.5.1 按给定的连杆长度和位置设计平面四杆机构,1按照给定连杆的三个位置设计铰链四杆机构,如图11.27所示，当给定连杆BC的长度lBC及其三个位置B1C1、B2C2和B3C3时，设计此机构的实质是确定两个固定铰链中心A和D的位置。观察机构的运动可知，连杆上B、C两点的运动轨迹分别是以A、D为圆心的圆弧B1B2B3和C1C2C3，所以铰链中心A必然位于B1B2和B2B3的垂直平分线b12和b23的交点上，铰链中心D必然位于C1C2和C2C3的垂直平分线c12和c23的交点上。因此,这种机构的设计步骤为： (1) 选取适当的比例尺 ，取 ，绘出给定连杆的三个位置B1C1、B2C2和B3C3。 (2) 分别作B1B2和B2B3的垂直平分线b12和b23，其交点即铰链A的中心位置。 (3) 用同样的方法确定铰链D的中心位置。 (4) 联结AB1C1D,得到所求铰链四杆机构在第一个位置时的机构运动简图。该机构各杆的长度分别为： ， ， 。, 11.5.1 按给定的连杆长度和位置设计平面四杆机构,2按照给定连杆的两个位置设计铰链四杆机构,给定连杆的长度lBC及其两个位置B1C1、B2C2，其设计过程与上述基本相同。但由于过B1、B2两点的圆有无穷多，故铰链A的中心位置可以在B1B2的垂直平分线b12上任意选取，铰链D的中心位置也是如此。因此，设计结果有无穷多个。设计时通常还要考虑一些附加条件，如满足最小传动角的要求，或给定机架的长度和方位等。,图11.27 按照给定连杆的三个位置设计铰链四杆机构, 11.5.2 按给定的行程速度变化系数设计平面四杆机构,1曲柄摇杆机构,已知条件：行程速度变化系数K、摇杆的长度lCD及其摆角 。 设计分析：设计的实质是确定固定铰链中心A的位置(如图11.20所示)，以便定出其他三杆的长度lAB、lBC和lAD。摇杆在两极限位置时，A点与C1、C2点连线之间的夹角即为极位夹角 。因此，如图11.28所示，只要过C1、C2两点作一个圆，使圆弧C1C2所对的圆周角为 ，那么在优弧C1PC2 上任取一点作为固定铰链中心A，都能满足设计要求。,2偏置曲柄滑块机构, 11.5.2 按给定的行程速度变化系数设计平面四杆机构,已知条件：行程速度变化系数K、偏距e和滑块的行程H。 设计分析：把偏置曲柄滑块机构的行程H视为曲柄摇杆机构无限长时C点摆过的弦长,应用上述方法可求得满足要求的偏置曲柄滑块机构。,图11.29 按照行程速度变化系数设计曲柄滑块机构,本章习题,1. 根据图11.30中的尺寸(mm)，判断下列各机构分别属于铰链四杆机构的哪种基本类型。,图11.30 习题1图,2. 在偏置曲柄滑块机构中，已知极位夹角 。问该机构的返回行程平均速度 是工作行程平均速度 的几倍?,3. 在图11.31所示脚踏砂轮的曲柄摇杆机构中，已知踏板CD需在水平位置上下各摆10。且 ， 。试用图解法求曲柄和连杆的长度 和 。,4. 试设计一个用于夹紧的铰链四杆机构。已知连杆长度 ，它的两个位置如图11.32所示，要求到达夹紧位置 时，机构处于死点位置，且摇杆 位于 的垂直方向。,图11.31 习题3 图,图11.32 习题4图,5. 一曲柄摇杆机构，已知曲柄、连杆、摇杆和机架的长度分别为 ， ， ， 。试用图解法求其行程速度变化系数和最小传动角。,6. 试设计一曲柄摇杆机构。已知行程速度变化系数K=1.2，摇杆的长度 ，摆角 ，要求固定铰链中心A和D在同一水平线上。,7. 设计图11.33所示的铰链四杆机构。已知摇杆长度 ，机架长度 ,行程速度变化系数K=1.5，摇杆的一个极限位置与机架夹角 。,图11.33 习题7图,8. 试设计图11.34所示曲柄滑块机构。已知行程速度变化系数K=1.5，滑块行程H=50mm，偏距e=20mm。,图11.34 习题8图,