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1、第8章 平面连杆机构,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化 8.2 平面连杆机构的工作特性 8.3 图解法设计平面连杆机构,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,8.1.1 平面连杆机构的组成 图8.2所示的平面铰链四杆机构是由平面转动副连接起来的封闭平面四杆系统，被固定的杆4称为机架杆，不直接与机架相连的杆2称为连杆，与机架相连的杆1和杆3称为连架杆。凡是能做整周回转运动的连架杆称为曲柄，只能在小于360范围内往复摆动的连架杆称为摇杆。 8.1.2 平面连杆机构的基本类型 平面铰链四杆机构根据其两连架杆的运动形式不同，可分为双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构三种基本形式。
2、,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,8.1.3 平面铰链四杆机构中存在曲柄的条件 平面铰链四杆机构是否存在曲柄，与其各构件相对尺寸的大小及取哪个构件作机架有关。 设图8.6所示的平面铰链四杆机构各杆的长度分别为、。如果杆1为曲柄，则在回转过程中，它必须存在如图8.6所示的三个位置。 根据三角形两边之和大于第三边的几何关系可得如下公式。 （1）由图8.6（）可得即 （2）由图8.6（b）可得（）即 （3）由图8.6（c）可得（）即,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,当运动过程中出现四杆共线情况时，上述不等式变成等式，因此，以上三个不
3、等式可改写为 （81） （82） （83） 将上式各式两两相加，即得 ， ， （84） 由式（84）可知，杆1（即）为最短杆，且为机架或连架杆，其余三杆中必有一杆为最长杆。由式（81）、式（82）和式（83）可知，最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,这就是平面铰链四杆机构中存在曲柄的条件。上述两个条件必须同时满足，否则机构中不存在曲柄。 根据平面铰链四杆机构中存在曲柄的条件可知：当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，只能得到双摇杆机构。当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和且最短杆为机架时得
4、到双曲柄机构；当最短杆的相邻杆为机架时得到曲柄摇杆机构；当最短杆的对面杆为机架时得双摇杆机构。 8.1.4 平面铰链四杆机构的演化 平面铰链四杆机构的演化形式有曲柄滑块机构、曲柄摇块机构和导杆机构等。,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,1.曲柄滑块机构 对于图8.7（）所示的曲柄摇杆机构，当曲柄转动时，点沿圆弧做往复运动，若圆弧的曲率半径（即摇杆的长度）趋向于无穷大，则点的运动将转变为沿直线的往复移动，演化成曲柄滑块机构，曲柄回转中心至滑块移动导路中心线的垂直距离称为偏距，用来表示，若0，如图8.7（b）所示，该曲柄滑块机构称为对心曲柄滑块机构；若0，如图8.7
5、（c）所示，该曲柄滑块机构称为偏置式曲柄滑块机构。 曲柄滑块机构能把回转运动转换为往复直线运动，或将往复直线运动转换为回转运动，因此广泛应用于内燃机、往复式压缩机和冲床等机械上。,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,2.曲柄摇块机构 在图8.7（b）所示的对心曲柄滑块机构中，若取构件2作机架，即得到如图8.8所示的曲柄摇块机 构。在该机构中，滑块3与机架2形成回转副，被称为摇块，当构件1为主动件做回转运动时，导杆4相对摇块3移动，并带动摇块3一起绕点摆动。这种机构广泛用于摆缸式内燃机和液压驱动装置等机械中。 3.定块机构 在图8.7（b）所示的对心曲柄滑块机构中，
6、若取构件3作机架，即得到如图8.9所示的定块机构。这种机构常用于手动抽水泵和抽油泵中。,上一页,下一页,返回,8.1 平面连杆机构的组成、基本类型和演化,4.导杆机构 在图8.7（b）所示的对心曲柄滑块机构中，若取构件1作机架，即得到如图8.10所示的导杆机构。 当12时（如图8.10（），机架是最短构件，它的相邻构件2与导杆4均做整周回转，称为移动导杆机构；当12时（如图8.10（），机架不是最短构件，它的相邻构件导杆4只能来回摆动，称为摆动导杆机构。导杆机构常用于牛头刨床、插床等机械中。 5.偏心轮机构 在平面四杆机构中，若需曲柄很短或要求滑块行程较小时，通常都把曲柄做成盘状，因圆盘的几何
7、中心与转动中心不重合也称为偏心轮，即得到如图8.11所示的偏心轮机构。这种机构常用传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机等机械中。,上一页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,8.2.1 压力角和传动角 在设计平面四杆机构时，不仅要满足预期运动规律的要求，而且应具有良好的传力性能以提高机械效率。 在如图8.12所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，工作件则为摇杆。 如果不计重力、惯性力和摩擦力，由连杆所传递的驱动力，必然沿连杆的轴线作用在摇杆的点上。将力分解为沿点速度方向的分力和沿方向的分力。其中是推动摇杆摆动的有效分力，而是对铰链的径向压力，只能增加摩擦阻力矩。由图可见（85） （86）,下一
8、页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,显然，角越大则径向压力也越大，而有效分力就越小。角称为机构在该位置的压力角，它是作用在工作件摇杆上点的力与点速度之间所夹的锐角，可作为机构传力性能的标志。 压力角的余角是连杆与摇杆两轴线所夹的锐角，角越大则有效分力越大，有害分力越小，对机构传动越有利，因此，角称为机构在该位置的传动角。在连杆机构中由于传动角便于观察，所以常用来检验机构的传力性能。在机构运动时其压力角和传动角都是在不断变化的，为保证机构有较好的传力性能，应使机构的最小传动角不小于某一规定数值。通常取40，对于高速和重载的机器取50。,上一页,下一页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,
9、为了便于检验，必须找出机构在什么位置可能出现最小传动角。由分析图8.12所示的曲柄摇杆机构可知，曲柄摇杆机构的最小传动角将出现在曲柄与机架共线的两个位置之一。 8.2.2 死点 在图8.13所示的曲柄摇杆机构中，如果以摇杆3作主动件，通过摇杆3的往复摆动带动曲柄回转，当摇杆3摆到两个极限位置时，即从动曲柄与连杆共线的两个位置之一时，出现了机构的传动角0、压力角90的情况。这时连杆对从动曲柄的作用力恰好通过其回转中心，不能推动曲柄转动。机构的这种位置称为死点。此外，机构在死点位置时由于偶然外力的影响，也可能使曲柄转向不定。,上一页,下一页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,死点对于传动机构是
10、不利的，为使机构能顺利通过死点而正常运转，一般采用安装飞轮以加大从动件的惯性，利用惯性来使从动件通过死点，例如缝纫机上的大带轮就起到飞轮的作用，利用惯性来使从动件通过死点；也可采用机构错位排列的方法使从动件通过死点，例如多缸活塞式内燃机，将死点位置相互错开，从而使曲轴始终获得有效的驱动力矩。 当然死点也有它有用的一面，例如图8.14（）所示的夹具机构就是利用死点进行工作的。当工件被夹紧后，成一直线，机构处于死点位置，即工件的反力很大，夹具也不会自行松开，如图8.14（b）所示。,上一页,下一页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,8.2.3 急回特性 在图8.13所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄
11、是主动件，摇杆是工作件。曲柄每回转一周有两次与连杆重叠共线的位置11和曲柄与连杆延伸共线的位置22。这时摇杆的两个位置1和2为极限位置，叫做摇杆的最大摆角。主动曲柄在摇杆处于两个极限位置时所夹的锐角称为极位夹角。 若曲柄以等角速度顺时针转动，当曲柄自1位置转过（180）到达2位置时，摇杆则从左边极限位置1摆过角到达右边极限位置2，所需时间为1，点的平均速度为1。当曲柄继续转过（180）到达1位置时，摇杆从2摆回到1，所需时间为2，点的平均速度为2。,上一页,下一页,返回,8.2 平面连杆机构的工作特性,显然，12而21。机构工作件的这种返回行程速度大于工作行程速度的特性为急回特性。 为了表示工
12、作件往复运动时急回的程度，常用2与1的比值来描述，称为行程速比系数。即 从动件回程平均速度从动件工作平均速度12212112180180,上一页,返回,8.3 图解法设计平面连杆机构,8.3.1 按两连架杆的对应位置设计四杆机构 图8.15所示为已知连杆的长度和它占据的三个预定位置11、22和33，要求设计此铰链四杆机构。 由于连杆的长度已知，而、既是连杆上运动副的中心，又是连架杆上活动端运动中心，所以机构运动时，连杆运动副上中心、必将分别在圆弧和圆弧上作圆周运动，此圆弧的圆心即为两连架杆与机架相连的运动副中心和。如果运动副和的位置已经确定，则该机构各杆的长度即可求得。所以按给定三个连杆位置设
13、计四杆机构，实质上是已知圆弧上三点确定圆心的问题。,下一页,返回,8.3 图解法设计平面连杆机构,8.3.2 用反转法按连杆预定的位置设计四杆机构 在图8.16所示的平面四杆机构中，已知原动件和机架的长度，连架杆和的两组对应位置1、1和2、2（即两对应摆角1、1和2、2）。试设计此四杆机构。 分析：此机构设计实质上是要求定出连杆和摇杆的长度，关键是求出连杆与摇杆相连的铰链的位置。 由前述可知，当连杆占据每一个位置时，两连架杆都相应地有一组对应位置或一组对应的转角、，根据相对运动的原理，机构在运动时，无论取哪个杆为机架，各杆的相对运动的性质不变。因此，若取杆为机架杆，就可以将该问题转化为按两连架
14、杆预定的位置设计四杆机构了。,上一页,下一页,返回,8.3 图解法设计平面连杆机构,在图8.16所示的平面四杆机构中，机构在第一位置时，形成四边形11；在第二位置时，形成四边形22。为了求出杆相对于杆的位置，令杆固定在1位置（假设为机架），则杆对1的第一相对位置为1。第二位置可以这样求，今将22刚化，并将其绕点按逆时针方向转过（12）角度，使2和1重合，则杆2转到2。因为1121，故知1点必在12中垂线12。铰链的转动中心可在中垂线12上任意取。铰链中心定出后，其他两杆长度也就确定了，显然有无穷多解。这种转化的方法，称为反转法。,上一页,下一页,返回,8.3 图解法设计平面连杆机构,8.3.3 按给定的行程速比系数设计四杆机构 已知曲柄摇杆机构的行程速比系数、摇杆的长度及摆角，试设计此四杆机构。分析：如图8.18所示，为已有的曲柄摇杆机构，当摇杆处于夹角为的两极限位置1和2时，曲柄则应处于与连杆共线的两个位置1和2，且其夹角为。由、1、2三点所确定的圆上，弧12所对应的圆心角必为2。,上一页,返回,图 8.2,返回,图 8.6,返回,图 8.7,返回,图 8.8,返回,图 8.9,返回,图 8.10,返回,图 8.11,返回,图 8.12,返回,图 8.13,返回,图 8.14,返回,图 8.15,返回,图 8.16,返回,
