平面连杆机构及其设计(改).ppt

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1、常用的机构常用的机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构间歇运动机构间歇运动机构轮系轮系连杆机构连杆机构若干若干刚性构件刚性构件通过通过低副连接低副连接组组成的机构，称为连杆机构或低成的机构，称为连杆机构或低副机构。副机构。曲柄摇杆机构曲柄滑块机构（对心）牛头刨床连杆机构的主要优点：连杆机构的主要优点：（2）低副不易磨损而又易于加工）低副不易磨损而又易于加工连杆机构的主要缺点：连杆机构的主要缺点：（1）连杆机构作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难）连杆机构作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完成平衡。以完成平衡。（2）连杆机构较难准确地实现预期的运动规律，设计）连杆机构较难准确地实现

2、预期的运动规律，设计方法也较复杂。方法也较复杂。（1）能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律。）能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律。根据根据其构件间的其构件间的相对运动分相对运动分为平面或空间连杆机构。为平面或空间连杆机构。1 平面连杆机构类型及其应用平面连杆机构类型及其应用平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 根据构件数目分根据构件数目分为四杆机构、多杆机构为四杆机构、多杆机构。广泛应用的是平面四杆机构，而且它是构成和研究平面广泛应用的是平面四杆机构，而且它是构成和研究平面多杆机构的基础。多杆机构的基础。

3、本章主要讨论平面四杆机构本章主要讨论平面四杆机构。1 平面连杆机构类型及其应用平面连杆机构类型及其应用一、平面四杆机构的基本形式一、平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构铰链四杆机构1 平面连杆机构类型及其应用平面连杆机构类型及其应用1、曲柄滑块机构曲柄滑块机构2、导杆机构、导杆机构3、摇块机构、摇块机构4、定块机构、定块机构二、其它型式的平面四杆机构二、其它型式的平面四杆机构一、平面四杆机构的基本形式一、平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构铰链四杆机构连架杆连架杆机架机架连架杆连架杆连杆连杆能绕其轴线转能绕其轴线转360的的连架杆连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。连架

4、杆。曲柄曲柄摇杆摇杆连架杆连架杆曲柄摇杆机构按照两连架杆的运动形式的不同，按照两连架杆的运动形式的不同，可将可将铰链四杆机构分为：铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构ABCD耕地耕地料斗料斗DCAB耕地耕地料斗料斗DCAB特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB=CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行，连杆作平动连杆作平动BC=ADABDC摄影平台摄影平台ADBCBC天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构实例：实例：火车轮火车轮双摇杆机构双摇杆机构CABD

5、1234C3AB124eAB1234C对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构AB1234eCABD1234C1、曲柄滑块机构曲柄摇杆曲柄滑块机构曲柄摇杆机构中机构中转动副转化成移动副的转动副转化成移动副的演化演化二、其它型式的平面四杆机构二、其它型式的平面四杆机构曲柄滑块机构（对心）曲柄当滑块机构（偏心）对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构AB1234CAB1234eC还可以转化为还可以转化为双滑块机构双滑块机构1234ABC3AB124eAB1234eC2、导杆机构取曲柄滑块机构中不同的、导杆机构取曲柄滑块机构中不同的构件为机架的演化构件

6、为机架的演化BA1234C(a)曲柄滑块机构曲柄滑块机构(b)导杆导杆机构机构BA1234C(c)摆动摆动导杆导杆机构机构导杆导杆:组成移动副的两活动构件，组成移动副的两活动构件，画成杆状的构件称为画成杆状的构件称为导杆。导杆。回转导杆机构摆动导杆机构l1 l2 时，摆动导杆机构杆机构转动转动3、摇块机构取曲柄滑块机构中不同、摇块机构取曲柄滑块机构中不同 的构件为机架的演化的构件为机架的演化BA1234C(a)曲柄滑块机构曲柄滑块机构(b)摇块机构摇块机构A1234CB应用实例应用实例B234C1A自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构应用实例应用实例B34C1A2应用实例应用实例4A1B23C应用

7、实例应用实例13C4AB2应用实例应用实例A1C234B摇块机构摇块机构314A2BC4、定块机构取曲柄滑块机构中不同、定块机构取曲柄滑块机构中不同 的构件为机架的演化的构件为机架的演化BA1234C曲柄滑块机构曲柄滑块机构定块机构定块机构(移动导杆机构移动导杆机构)A234CB1手摇唧筒手摇唧筒手摇唧筒手摇唧筒这种通过选择不同构件这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机作为机架以获得不同机构的方法称为：构的方法称为：机构的倒置机构的倒置BC3214AABC32142 平面平面四杆机构的基本特性四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构有周转副的条件铰链四杆机构有周转副的条件四、机构的死点位置四、机构

8、的死点位置二、急回运动急回运动三、压力角和传动角压力角和传动角周转副：周转副：作整周转动的转动副作整周转动的转动副夹角范围：夹角范围：003600摆转副：摆转副：在一定范围转动的转动副在一定范围转动的转动副转动副转动副A、B夹角范围：夹角范围：3600转动副转动副C、D2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构有周转副的条件铰链四杆机构有周转副的条件周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副设设a d，连连架架杆杆1 1整整周周回回转转，必有两次与机架共线。必有两次与机架共线。a+b c+d a+c b+da+d b+c由由B2C2D可得：可得：由由B1C1D可得：

9、可得：b(d a)+cc(d a)+b将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得：即：即：杆杆1 1为最短杆为最短杆2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构有周转副的条件铰链四杆机构有周转副的条件周转副：周转副：A、B周转副周转副周转副周转副a ba c a d 即：即：杆杆1 1为最短杆为最短杆铰链四杆机构有周转副的条件：铰链四杆机构有周转副的条件：l）最短杆和最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和）最短杆和最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和,称为称为杆长条件杆长条件。2）组成周转副的两杆中必有一杆为最短杆）组成周转副的两杆中必有一杆为最短杆.a+b c+da

10、+c b+da+d b+ca ba c a d 当当满满足足杆杆长长条条件件时时，说说明明存存在在周周转转副副，当当选选择择不不同同的构件作为机架时，可得不同的铰链四杆机构。如：的构件作为机架时，可得不同的铰链四杆机构。如：曲柄摇杆曲柄摇杆、双曲柄双曲柄、双摇杆机构。双摇杆机构。BACDABCDABCD当最短杆为连架杆时，该铰链四杆机构成为以最短杆为机架，则得以最短杆的对边为机架，则得若最短杆和最长杆长度之和小于或等于其他两杆 长度之和，则若最短杆和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构。双曲柄机构。双曲柄机构。双摇杆机构。双摇杆机构。则无论取何杆为机架均得双摇杆机构。

11、则无论取何杆为机架均得双摇杆机构。二、急回运动急回运动曲柄摇杆机构中，曲柄摇杆机构中，原动件原动件AB以以等速转动等速转动B2C2B1C1(1)摇杆摇杆CD的两极限位置的两极限位置当当AB与与BC两次共线时，两次共线时，摇杆摇杆CD处于两极限位置。处于两极限位置。曲柄转角曲柄转角对应的时间对应的时间摇杆点摇杆点C的的平均速度平均速度极位夹角极位夹角 ：当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄位置线所夹的锐角。位置线所夹的锐角。A21C34BDabcd摆角摆角极位夹角极位夹角v1v2)1、急回运动、急回运动摇杆摇杆对应的时间对应的时间摇杆点摇杆点C的的平均速度平均速度

12、)曲柄转角曲柄转角则可见：)摇杆往复摆动摇杆点摇杆往复摆动摇杆点C的平均速度为的平均速度为v1和和v2当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为种运动特性称为急回运动急回运动。摇杆摇杆B2C2B1C1曲柄转角曲柄转角对应的时间对应的时间摇杆点摇杆点C的的平均速度平均速度A21C34BDabcd摆角摆角极位夹角极位夹角v1v2)工程上，把曲柄转工程上，把曲柄转过过1800+时，摇杆从时，摇杆从动件由动件由C1D摆到摆到C2D的过程，称为工作行的过程，称为工作行程；程；把曲柄

13、转过把曲柄转过1800-时，摇杆从动件由时，摇杆从动件由C2D摆回到摆回到C1D的过的过程，称为空回行程；程，称为空回行程；摇杆摇杆2.摇杆从动件的行程速度变化系数摇杆从动件的行程速度变化系数K：空回行程平均速度空回行程平均速度v2与工作行程平均速度与工作行程平均速度v1之之比。比。)n由公式可知，行程速比系数由公式可知，行程速比系数K随极位夹角随极位夹角增大而增大，换句话说，增大而增大，换句话说，值愈大，急回运动特性愈明显。值愈大，急回运动特性愈明显。n在很多机器中利用机构的急回特性在很多机器中利用机构的急回特性节省空回行程的时间，从而节省动力节省空回行程的时间，从而节省动力并提高了生产率。

14、如牛头刨床中用的并提高了生产率。如牛头刨床中用的导杆机构就起到了这种作用。导杆机构就起到了这种作用。平面四杆机构具有急回平面四杆机构具有急回运动运动的条件：的条件：（1）原动件作等速整周转动；）原动件作等速整周转动；（2）输出件作往复运动；）输出件作往复运动；（3）C1B1B2HC2偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构2AB134eCab,有急回特性。有急回特性。摆动导杆机构摆动导杆机构B2B1有急回特性。有急回特性。B1B2H ,无急回特性。无急回特性。314A对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构B2CabC1C2AB曲柄滑块机构中，原动件曲柄滑块机构中，原动件AB以以等速转动等速转动三、压力角与传

15、动角三、压力角与传动角 在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构 中驱使中驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受受 力点的速度方向线力点的速度方向线所夹的锐角。所夹的锐角。压力角：压力角：传动角：传动角：压力角的余角。压力角的余角。ACBDvBFvcFFtFn1ABCD234FvcaAB134Cb2越小，受力越好越小，受力越好。越大，受力越好越大，受力越好。由力的分解可以看出，沿着速度方向的有效分力FtFcos，垂直 Ft的分力 FnFsin，力 Fn只能使铰链 C、D对杆CD产生压力，希望它能越小越好，也就是Ft愈大愈好

16、，这样可使其传动灵活效率高。总而言之，是希望压力角越小越好。FtFcosFn Fsin2 平面平面四杆机构的基本特性四杆机构的基本特性FvB3B123AC?F B132C2aAB134Cbvc画出压力角画出压力角 v由上面分析可知，传动角由上面分析可知，传动角愈大愈大(愈小愈小)对传动愈有利。对传动愈有利。所以为了保证所设计的机构具有良好的所以为了保证所设计的机构具有良好的传动性能，通常应使最小传动角传动性能，通常应使最小传动角min400，在传递力矩较大的情况下，应使在传递力矩较大的情况下，应使min500。在具体设计铰链四杆机构时，一定要校在具体设计铰链四杆机构时，一定要校验最小传动角验最

17、小传动角min是否满足要求。是否满足要求。当当 BCD 90BCD 90时，时，BCDBCD因此设计时一般要求因此设计时一般要求:minmin4040。当当 BCD BCD 9090时，时，180180-BCD-BCD当当BCDBCD最最小小或或最最大大时时，即即在在主主动动曲曲柄柄与与机机架架共共线线的的位置位置，都有可能出现都有可能出现minmin由于在机构运动过程中，由于在机构运动过程中，角是变化的，角是变化的，minmin出现的位置出现的位置：四、机构的死点位置四、机构的死点位置死点：死点：当机构处于传动角当机构处于传动角（或压力角（或压力角）的位置的位置B2C2vB踏板踏板缝纫机主运

18、动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB 不不管管在在主主动动件件上上作作用用多多大大的的驱驱动动力力，都都不不能能在在从从动动件件上产生有效分力的机构位置，称为机构的上产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置死点位置。Ft=Fcos =Fcos90=0Fn=Fsin =Fsin90 =FB2C2vB踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB n对于传动机构在死点位置时，驱动从动件对于传动机构在死点位置时，驱动从动件的有效回转力矩为零，可见机构出现死点的有效回转力矩为零，可见机构出现死点对于传动是很不利的。对于传动是很不利的。n在实际设计中，应该采取措施在实际设计中，应该

19、采取措施使其能顺利地通过死点位置。使其能顺利地通过死点位置。B2C2vB踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB 死点的避免：死点的避免：1 1、利用惯性通过死点、利用惯性通过死点n缝纫机借助于带轮的惯性通过死点。n 单缸四冲程内燃机借助飞轮的惯性通过死点位置；2 2、利用机构错位排列通过死点、利用机构错位排列通过死点如图所示的蒸汽机车车轮联动机构，如图所示的蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组左右车轮两组联动联动机构中，曲柄机构中，曲柄AB与与AB位置错开位置错开900。n机构中死点位置并非总是起消极作用。在工程实际中，也常利用死点位置来实现一定工作要求。n例如飞机的起落架

20、机构飞机着陆时机构处于死点位置，从而便于支承飞机。ABDC利用死点位置利用死点位置飞机起落架飞机起落架工件工件PABCD1234工件工件ABCD1234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具 T 0ABCDFF 02aAB134Cbvc请思考：请思考：下列机构有没有死点位置？有的话，死点位下列机构有没有死点位置？有的话，死点位置在哪里；怎样使机构通过死点位置。置在哪里；怎样使机构通过死点位置。B123AC一、一、平面四杆机构设计平面四杆机构设计的主要任务的主要任务 根据机构所要完成的功能运动而提出的设计条件根据机构所要完成的功能运动而提出的设计条件（运动条件、几何条件和传力条件等），确定机构的（运动条件、

21、几何条件和传力条件等），确定机构的运动尺寸（一般又运动尺寸（一般又称为尺度综合称为尺度综合），画出机构运动简图。），画出机构运动简图。设计的问题概括成下述两个基本问题：设计的问题概括成下述两个基本问题：（2）实现已知轨迹问题）实现已知轨迹问题（1）实现已知运动规律问题）实现已知运动规律问题（1）实验法；）实验法；（2）几何法（作图法）；）几何法（作图法）；（3）解析法）解析法3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计二、二、平面四杆机构设计平面四杆机构设计的基本问题的基本问题实现连杆占有若干指定的位置。实现连杆占有若干指定的位置。使具有急回运动的从动件实现指定的行程速比系数。使具有急回运动的从动

22、件实现指定的行程速比系数。实现主动连架杆转角与从动连架杆转角之间指定的对应关系。实现主动连架杆转角与从动连架杆转角之间指定的对应关系。三、三、平面四杆机构设计平面四杆机构设计的方法的方法ABDC飞机起落架飞机起落架ABCDFF 0AB1C1DB2C2地面地面搅拌机机构搅拌机机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构鹤式起重机鹤式起重机双摇杆机构双摇杆机构 (一）按预定连杆位置设计四杆机构一）按预定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆两个位置给定连杆两个位置有唯一解。有唯一解。B2C2AD将将铰铰链链A、D分分别别选选在在B1B2，C1C2连连线线的的垂垂直直平平分分线线上上任任意意位置都能满足设计要求。位置都能

23、满足设计要求。b)给定连杆上铰链给定连杆上铰链BC的三个位置的三个位置有无穷多组解。有无穷多组解。ADB1C1四、四、设计设计实例实例(1)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构已知已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K，设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下：计算计算180(K-1)/(K+1);任取一点任取一点D D，作作腰长为腰长为CD 的的等腰三角形，夹角为等腰三角形，夹角为;作作C1FC1C2，作，作C2F使使C1C2F=90,两线交于两线交于P P;作作F F C1C2的外接圆，的外接圆，A A点必在此圆上。点必在此圆上。选定选定A A，设曲柄为设曲柄为a，连杆为连杆为b，以，以A A为圆心，

24、为圆心，A AC2为半径作弧为半径作弧 交于交于E,E,得：得：a=EC2/2 b=A=A C2EC2/2(二）按给定的行程速比系数二）按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构(2)曲柄滑块机构曲柄滑块机构已已知知 K K，滑滑块块行行程程 H H，偏偏距距e e，设计此机构设计此机构。计算计算 180180(K-1)/(K+1)(K-1)/(K+1)；作作C1 C2 H H；作射线作射线C2M，使使C1C2M=90，以以C2P P为直径作圆；为直径作圆；以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作射线C1N垂直于垂直于C1C2，作与作与C1

25、 C2平行且平行且偏距为偏距为e e的直线，交圆于的直线，交圆于A A或或A A，即为所求。，即为所求。l1=EC2/2l2=A=A C2EC2/2两条射线两条射线交交于于P P点点；ADmn=D3)导杆机构导杆机构分析：分析：与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任选任选D D作作mDnmDn，取取 A A点点，使使 得得 AD=d,AD=d,则则:a=dsin(a=dsin(/2)/2)。=Ad作角分线作角分线;已知：已知：机架长度机架长度d，K，设计此机构。设计此

26、机构。二、函数生成机构的设计二、函数生成机构的设计 设设计计要要求求 通通常常为为在在主主动动连连架架杆杆的的转转角角 和和从从动动连连架架杆杆的的转转角角 中中，选选定定有有限限个个角角位位置置 i与与 i 的的对对应应值值，以以满满足足传传动函数动函数 ()。设设计计特特点点 两两连连架架杆杆的的传传动动函函数数与与杆杆长长的的绝绝对对值值无无关关，仅与其相对值有关。仅与其相对值有关。设设计计时时，通通常常预预先先确确定定机机架架的的长长度度(即即确确定定两两个个固固定定铰铰链链的的位位置置)。机机构构的的待待求求参参数数为为两两连连架架杆杆的的长长度度(即即两两连连架架杆杆上上连接连杆铰

27、链的四个坐标分量连接连杆铰链的四个坐标分量)。设计关键设计关键 确定连杆确定连杆BC上活动铰链点上活动铰链点C的位置。的位置。应用原理应用原理 机构转化原理机构转化原理B 3C3C2B3 3 3E3 1B1 1E1 2B2 2E2(一一)函数生成机构设计的图解法函数生成机构设计的图解法按按两连架杆三组对应位置设计四杆机构两连架杆三组对应位置设计四杆机构已知机架长度已知机架长度d 和两连架杆三组对应位置和两连架杆三组对应位置设计步骤设计步骤 任意选定构件任意选定构件AB的长度的长度 连接连接DB2 将将DB2 绕绕D 旋转旋转 1 2得得B 2点点B 2AdD 连接连接DB3 将将DB3 绕绕D旋转旋转 1 3得得B 3点点 由由B1、B 2、B 3 三三点求圆心点求圆心C1C1 1 2 1 3本章重点：本章重点：1.四杆机构的基本形式、其它形式及应用；四杆机构的基本形式、其它形式及应用；2.曲曲柄柄存存在在条条件件、传传动动角角、压压力力角角、死死点点、急急回回特特性性：极极位位夹夹角角和和行行程程速速比比系系数数等等物物理理含含义义，并并熟熟练练掌握其确定方法；掌握其确定方法；3.掌掌握握按按连连杆杆二二组组位位置置、三三组组位位置置、行行程程速速比比系系数数设设计四杆机构的原理与方法。计四杆机构的原理与方法。