第三章平面连杆机构及其设计

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1、第三章第三章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计本章重点：本章重点：平面四杆机构的类型、平面四杆机构的类型、基本知识和设计。基本知识和设计。本章难点：本章难点：平面四杆机构的设计。平面四杆机构的设计。3-1 平面连杆机构的特点及设计的基本问题平面连杆机构的特点及设计的基本问题一、平面一、平面连杆机构连杆机构：由低副联接而成的机构。由低副联接而成的机构。二、平面连杆机构的特点：二、平面连杆机构的特点：1、优点：、优点：面接触面接触承载能力强，便于润滑寿命长；承载能力强，便于润滑寿命长；低副低副形状简单，易加工，易于操纵机构。形状简单，易加工，易于操纵机构。2、缺点：、缺点：（1）只能近似实

2、现给定的运动规律）只能近似实现给定的运动规律;（2）设计复杂；）设计复杂；（3）只适合速度较低的场合。）只适合速度较低的场合。三、平面连杆机构设计的基本问题三、平面连杆机构设计的基本问题 四、设计方法：四、设计方法：选型设计选型设计尺寸设计尺寸设计 连杆机构的构件数目连杆机构的构件数目 运动副类型与数目运动副类型与数目 转动副中心之间的距离转动副中心之间的距离 移动副位置尺寸移动副位置尺寸1、实现构件给定位置、实现构件给定位置2、实现已知运动规律、实现已知运动规律3、实现已知运动轨迹、实现已知运动轨迹1、图解法、图解法 2、解析法、解析法 3、实验法、实验法 课外实践作品课外实践作品仿生尺蠖机

3、构仿生尺蠖机构所有运动副均为所有运动副均为转动副转动副的平面四杆机构。的平面四杆机构。(含有含有0个移动副个移动副)3-2 平面四杆机构的基本型式与演化平面四杆机构的基本型式与演化一、铰链四杆机构一、铰链四杆机构1A423CBD整转副：整转副：二构件相对运动为整周转动二构件相对运动为整周转动 A摆动副：摆动副：二构件相对运动不为整周转动二构件相对运动不为整周转动 D曲柄：曲柄：作整周转动的连架杆作整周转动的连架杆 1摇杆：摇杆：非整周转动的连架杆非整周转动的连架杆 34 机架机架1，3 连架杆连架杆 定轴转动定轴转动2 连杆连杆 平面运动平面运动 固定不动固定不动铰链四杆机构铰链四杆机构的基本

4、形式的基本形式:（根据连架杆不同运动形式分）（根据连架杆不同运动形式分）（1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构双曲柄机构（3）双摇杆机构双摇杆机构雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构缝纫机机构缝纫机机构正平行四边形机构正平行四边形机构鹤式起重机机构鹤式起重机机构ADCB2143ADCB12344A1B2D3C曲柄曲柄 偏心轮偏心轮偏心轮机构偏心轮机构 曲柄为偏心轮结构的连杆结构曲柄为偏心轮结构的连杆结构偏心距偏心距曲柄长曲柄长1、扩大转动副扩大转动副偏心轮机构偏心轮机构应用应用：多用于曲柄销承受较大冲击、曲柄较短、需安装在直多用于曲柄销承受较大冲击、曲柄较短、需安装在直轴中部的机器。轴中部

5、的机器。二、铰链四杆机构的演化二、铰链四杆机构的演化 DABCDBA12341234CK cK cB1A324CB241ACe32、转动副转化成移动副、转动副转化成移动副 曲柄滑块机构曲柄滑块机构（偏距（偏距e）e0，偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构e=0，对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构冲床、内燃机、冲床、内燃机、空压机、空压机、曲柄压力机曲柄压力机等。等。(1)(2)导杆机构导杆机构导杆整周转动导杆整周转动 转动导杆机构转动导杆机构导杆只作摆动导杆只作摆动 摆动导杆机构摆动导杆机构导杆导杆 3 作用：对滑块起导路作用作用：对滑块起导路作用牛头刨床牛头刨床、插床等、插床等(3)摇块机构摇块机

6、构自卸卡车车厢自卸卡车车厢的举升机构等的举升机构等摇块摇块 3 绕绕C点摇摆点摇摆(4)定块机构定块机构（又名移动导杆机构）（又名移动导杆机构）手摇唧筒机构手摇唧筒机构等等定块定块 3 固定不动固定不动四杆机构含有一个移动副四杆机构含有一个移动副曲柄滑块机构曲柄滑块机构导杆机构导杆机构摇块机构摇块机构定块机构定块机构四杆机构含有二个移动副四杆机构含有二个移动副正弦机构正弦机构正切机构正切机构双转块机构双转块机构双滑块机构双滑块机构转动副转动副移动副移动副(1)正弦机构正弦机构 (曲柄移动导杆机构曲柄移动导杆机构)缝纫机的刺布机构缝纫机的刺布机构等等移动构件移动构件 2、3 sin3ABlS(3

7、)双转块机构双转块机构 (十字滑块联轴节十字滑块联轴节)(2)正切机构正切机构移动构件移动构件 2、3 tan3 lS(4)双滑块机构双滑块机构（椭圆仪椭圆仪）连杆连杆BC连线上的任一点轨迹为以连线上的任一点轨迹为以A为中心的椭圆。为中心的椭圆。其中，中点其中，中点D的轨迹是以的轨迹是以A为圆心的圆。为圆心的圆。3、更换机架更换机架 构件构件3为机架为机架 定块机构定块机构(d)构件构件4为机架为机架 曲柄滑块机构曲柄滑块机构(a)构件构件1为机架为机架 转动导杆机构转动导杆机构(b)构件构件2为机架为机架 摇块机构摇块机构(c)教材中所示不同形式的四杆机构教材中所示不同形式的四杆机构四杆机构

8、含有四杆机构含有1个移动副个移动副曲柄滑块、导杆曲柄滑块、导杆摇块、定块摇块、定块四杆机构含有四杆机构含有2个移动副个移动副正弦、正切正弦、正切双转块、双滑块双转块、双滑块四杆机构含有四杆机构含有0个移动副个移动副曲柄摇杆、双曲柄曲柄摇杆、双曲柄 (曲柄主动曲柄主动)曲柄摇杆、双摇杆曲柄摇杆、双摇杆 (摇杆主动摇杆主动)更换机架更换机架更换机架更换机架更换机架更换机架转动副变移动副转动副变移动副3-3 平面四杆机构曲柄存在条件及特性平面四杆机构曲柄存在条件及特性一、平面四杆机构曲柄存在条件一、平面四杆机构曲柄存在条件 1、铰链四杆机构整转副存在条件、铰链四杆机构整转副存在条件（1）最短杆与最长

9、杆的长度之和小于或等于其余两杆的）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的 长度之和（称为杆长条件）；长度之和（称为杆长条件）；（2）组成该整转副的两构件之一为最短杆。）组成该整转副的两构件之一为最短杆。证明：证明：不失一般性，以图中的转动副不失一般性，以图中的转动副A为例，证明转动副为例，证明转动副A成为整转副的条件。成为整转副的条件。Bba1A2dC3cD4A1CB2dD4B1abcAD4B2C2abdc在机构运动的任一位置，若令在机构运动的任一位置，若令f=lBD，则由三角形的边角关系：，则由三角形的边角关系：b+cf，b+cfmax=a+d，(B在在B1处处)|bc|f，|bc|f

10、min=|da|（B在在B2处）处）若若ad，则，则|da|=ad d+bc+ad+cb+ad+ac+b且且 d=min铰链四杆机构曲柄存在条件铰链四杆机构曲柄存在条件(类型判定类型判定)：双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构杆长之和条件杆长之和条件N双摇杆机构双摇杆机构Y最短杆为连架杆最短杆为连架杆最短构件为机架最短构件为机架最短杆对边的为机架最短杆对边的为机架YY2BCe1C2B1AabE2 2、曲柄滑块机构曲柄存在条件、曲柄滑块机构曲柄存在条件 直角直角 AC1E：AC1AE b-ae ba+e曲柄存在的条件曲柄存在的条件:ba+e 偏置偏置 ba 对心对心(

11、e=0)直角直角 AC2E：AC2AE a+be ba-e二、平面四杆机构工作特性二、平面四杆机构工作特性(1)机构的机构的急回运动急回运动特性特性 原动件作匀速转动，从动件相对机架作往复运动的机构，原动件作匀速转动，从动件相对机架作往复运动的机构，从动件正行程和反行程的平均速度不相等的特性。从动件正行程和反行程的平均速度不相等的特性。BCDAC21CB12B12曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄曲柄AB1AB2，摇杆摇杆C1DC2D，曲柄曲柄AB2AB1，摇杆摇杆C2DC1D，正行程正行程：反行程反行程：正行程慢，反行程快。正行程慢，反行程快。,1/11t,1/tCD,2/22t,2/tCDCDC

12、Dtt1212 1、行程速度变化系数、行程速度变化系数(2)行程速度变化系数行程速度变化系数1v输出从动件v输出从动件）慢行程的平均速度（）快行程的平均速度（慢快K21801802121180180212112ttttKCDCD11180KK可见：可见：越大，急回特性越显著越大，急回特性越显著。(a)(a)偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构：AeB2B1C12C慢行程121(3)其它具有急回特性的机构其它具有急回特性的机构CB1B2A12(b)(b)摆动导杆机构摆动导杆机构：往复式运动机械中，为提高劳动生产率，要求工作行往复式运动机械中，为提高劳动生产率，要求工作行程慢，非工作行程快。程慢，非工

13、作行程快。如：如：牛头刨床机构牛头刨床机构，刨时的速度回刀的速度，刨时的速度回刀的速度(4)急回机构的应用急回机构的应用2、压力角和传动角压力角和传动角AB2BDCC2C11BnPPPtcvminmaxcosPPtsinPPn90(1)压力角压力角 从动件上某点的受力方向从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。夹的锐角。(2)传动角传动角压力角余角压力角余角平面连杆机构经常用平面连杆机构经常用衡量机构的传动质量衡量机构的传动质量(易于测量易于测量)有效分力有效分力 无效分力无效分力 ，对机构传动越有利，对机构传动越有利 Pt 对机构传动越有利对机构传

14、动越有利 反映力的有效利用程度反映力的有效利用程度 (4)传动角的计算传动角的计算 40min,90180,90(3)许用传动角许用传动角一般：一般：50min 传动角是原动件位置的连续函数。因此在机构运动的传动角是原动件位置的连续函数。因此在机构运动的一个周期中，一定存在一个周期中，一定存在最小传动角最小传动角 min。高速机构：高速机构：构件构件2、3的夹角的夹角3、死点位置、死点位置 90,0C1C2DPAB1B2(1)死点位置死点位置:对于曲柄摇杆机构，以摇杆对于曲柄摇杆机构，以摇杆CD为为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角时，机构的传动角

15、0，这时主动件这时主动件CD 通过连杆作用于从动件通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件使构件AB 转动的转动的“顶死顶死”现象，现象，机构的这种位置称为机构的这种位置称为“死点死点”。例2 曲柄滑块机构例3 摆动导杆机构例1 曲柄摇杆机构避免在死点位置起动。避免在死点位置起动。运转时，靠惯性冲过死点。运转时，靠惯性冲过死点。(2)死点的不利影响：死点的不利影响：运动不确定运动不确定卡死卡死(3)克服死点的方法：克服死点的方法：(4)死点的利用：死点的利用：飞机起落架机构飞机起落架机构和和工件夹紧机构工件夹紧机构等。等。3-4 平

16、面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 图解法图解法ABCD固定铰链固定铰链 A、D：活动铰链活动铰链 B、C：圆心圆心 圆或圆弧圆或圆弧BiCii=1、2、NEiFi图解设计问题图解设计问题作图求解各铰链中心的位置问题。作图求解各铰链中心的位置问题。各铰链间的运动关系：各铰链间的运动关系：图解设计的基本原理图解设计的基本原理 接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆相对于新机架的各个位置，即实现了相对于新机架的各个位置，即实现了机

17、构的倒置机构的倒置。这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。置问题了。这种方法又称为这种方法又称为反转法反转法。为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作新机架新机架，而将其相对的杆视为，而将其相对的杆视为新连杆新连杆。机构的倒置原理机构的倒置原理1、已知连杆的三个或二个、已知连杆的三个或二个位置设计位置设计四杆机构四杆机构AD1BB23BC12CC3 B点绕点绕A点点、C点绕点绕D点定轴转动点定轴转动 连接连接B1B2、B2B3；作作B1B2、B2B3垂直平分线交于

18、垂直平分线交于A点；点；连接连接C1C2、C2C3；作作C1C2、C2C3垂直平分线交于垂直平分线交于D点。点。给出给出B、C三个位置，三个位置，A、D位置唯一位置唯一给出给出B、C二个位置，二个位置，A、D位置无穷位置无穷 （需加其他条件方可获得唯一解）（需加其他条件方可获得唯一解）目的：求解出铰链目的：求解出铰链A和和D。2、按给定两连架杆的位置设计四杆机构、按给定两连架杆的位置设计四杆机构 目的：求解出铰链目的：求解出铰链C。引入转换机架的思想，采用反转法求得。引入转换机架的思想，采用反转法求得。作作DE1B2 DE2B2，得，得B2；作作DE1B3 DE3B3，得，得B3；作作B1B2

19、、B2B3的垂直平分线，的垂直平分线，交点就是所求交点就是所求C1。连杆长度：连杆长度：b=ul B1C1 摇杆长度：摇杆长度：c=ul D1C13、按给定的行程速比系数、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构已知：摇杆已知：摇杆CD长度、摆角长度、摆角、行程速比系数、行程速比系数K；目的：确定铰链目的：确定铰链A,曲柄长曲柄长a和连杆长和连杆长b。由由(1)式算出极位夹角式算出极位夹角；任选任选D的位置，按已知条件作出的位置，按已知条件作出 摇杆极限位置摇杆极限位置DC1和和DC2;作作C2C1OC1C2O90 得得C1O与与C2O交点交点O;以以O为圆心，为圆心，OC1为半径作辅助

20、圆，为半径作辅助圆，A点在圆弧上任选。点在圆弧上任选。11180KK（1）baablablACAC,21ABCCDCM实现给定点的运动轨迹实现给定点的运动轨迹实验法实验法设计时确定设计时确定:1、各杆的长度比例。、各杆的长度比例。2、描绘连杆曲线的点的位置、描绘连杆曲线的点的位置图谱法图谱法本本 章章 知知 识识 点点平面四杆机构类型平面四杆机构类型曲柄存在条件曲柄存在条件压力角和传动角压力角和传动角机构死点和急回特性机构死点和急回特性平面四杆机构的尺寸综合平面四杆机构的尺寸综合Question?杆件数目？杆件数目？运动副类型？运动副类型？连杆机构类型？连杆机构类型？雷达天线俯仰机构返回机构缝

21、纫机机构返回机构正平行四边形机构返回机构双摇杆机构返回机构双摇杆机构双摇杆机构鹤式起重机鹤式起重机曲柄滑块机构曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构返回机构返回急回曲柄压力机曲柄压力机导杆机构导杆机构返回机构返回急回摇块机构返回摇块机构自卸卡车车厢自卸卡车车厢返回摇块机构手摇唧筒机构返回定块机构缝纫机针返回正弦机构十字滑块联轴节十字滑块联轴节正切机构正切机构椭圆仪椭圆仪飞机起落架返回工件夹紧机构返回给定位置设计给定位置设计炉门炉门翻型机翻型机返回返回偏心泵机构契贝谢夫四足机器人契贝谢夫四足机器人 它是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处在曲线的直线段时则着地静止不动，而另一对角足则处在曲线段作迈足运动，从而可实现类似动物的足行运动。