第八章连杆机构的及其设计

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1、机电工程学院,机 械 原 理,2,第八章 连杆机构的及其设计,81 连杆机构及其传动特点,82 平面四杆机构的类型和应用,83 平面四杆机构的基本知识,84 平面四杆机构的设计,内容提要,3,1.应用实例,81 连杆机构及其传动特点,内燃机、搅拌机、输送机、椭圆仪、机械手爪、牛头刨床、开窗、车门、机器人、折叠伞等。,2. 定义（连杆机构或称低副机构） 由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。特征是：,有一作平面运动的构件，称为连杆.,4,3. 分类： 分为空间连杆机构和平面连杆机构,平面连杆机构,5,空间连杆机构,6,4. 连杆机构的特点（优缺点） 优点： 1）采用低副：面接触、承载大、便于润

2、滑、不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,3）连杆曲线丰富。可满足不同要求。,缺点： 1）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,2）产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。,3）设计复杂，难以实现精确的轨迹。,7,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释： 曲柄(crank)作整周定轴回转的构件；,连杆(coupler)作平面运动的构件；,连架杆(side link)与机架相联的构件；,摇杆(rocker)作定轴摆动的构件；,周转副能作360 相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动

3、副。,曲柄,连杆,摇杆,82 平面四杆机构的类型和应用,1. 平面四杆机构的基本型式,8,有三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism),特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周连续回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线.输送机 拉胶片,9,雷达天线俯仰机构 曲柄主动,缝纫机踏板机构,10,11,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,应用实例：如火车轮、 惯性筛等。,12,旋转式叶片泵,13,14,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行， 连杆作平动且始终与机架平行，两曲柄以相同速度 同向转动。,摄影平台

4、,天平,播种机料斗机构,15,返回,16,反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行。,-车门开闭机构,注：平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,火车轮,17,（3）双摇杆机构(double crock mechanism),特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,风扇、起重机 炉门 炉门1起落架 夹紧机构,18,19,20,21,22,23,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,24,(1) 改变构件的形状和运动尺寸,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构 (slider-crank mechanism),双滑块机构,正弦机构,

5、=l sin ,2.平面四杆机构的演化型式,25,(2)改变运动副的尺寸（偏心轮机构）,26,(3)选不同的构件为机架（情况1）,（导杆4作摆动）,（导杆4作转动）,27,摆动（对心）导杆机构,转动（回转）导杆机构,28,牛头刨床(摆动导杆机构),应用实例:,29,30,(3)选不同的构件为机架（情况二）,31,(3)选不同的构件为机架（情况三）,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,32,平面四杆机构具有周转副可能存在曲柄。,b(d a)+ c,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,a+d b + c,c(d a)+ b,AB为最短杆, a+b c

6、+ d,83 平面四杆机构的基本知识,1.平面四杆机构有曲柄的条件,d- a,设ad,且连架杆a能整周回转，则必有两次与机架共线, a+ c b + d,若设ad，同理有： da, db, dc,AD为最短杆,将以上三式两两相加得： a b, ac, ad,33,（2）最短杆为连架杆或机架 (即组成该周转副的两杆之一）,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。,曲柄存在的条件：,（1）最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为周转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。,称为杆长条件。,34,曲柄摇杆机构运动特点的观察,特点：曲柄与连杆出现一

7、次共线、一次重合,(avi),35,特点： 1. 摇杆与连杆均未出现重合(或共线)现象； 2. 固定铰链均为整周回转铰链；连杆上两活动铰链均为非整周回转铰链。,双曲柄机构运动特点的观察,(avi),36,双摇杆机构运动特点的观察,满足杆长条件,37,不满足杆长条件,38,（1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。 a：以最短杆的相邻杆为机架为曲柄摇杆机构 b：以最短杆为机架为双曲柄机构 c：以最短杆的相对杆为机架为双摇杆机构,分析说明（判断机构类型的步骤）,最短杆为连架杆,最短杆为机架,最短杆为连杆,39,双曲柄,曲柄摇杆,双摇杆,铰链四杆运动链,40

8、,（2）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。,41,推广到曲柄滑块机构 a. 对心式,a + LAD b + LCD,a b,b. 偏置式,a + LAD b + LCD 而：LAD = LCD + e,所以：a + e b,42,(2) 推广到导杆机构,若两连架杆均整周回转，则机架应最短，而LAD = LCD ，所以有: a b时，摆动导杆机构。,(avi),43,例题：如图1所示的四杆机构中，各构件的长度分别为BC=60mm, CD=30mm, AD=40mm, 问：通过调整AB杆的长度，能否得到双曲柄机构？为什么？,通过调整AB杆的长度，不能得到双曲柄

9、机构. 这是因为四杆机构在满足有整转副存在的条件下，必须以最短杆为机架，才能得到双曲柄机构。 而在本题中ADCD， 故无论AB如何变化，均不能得到双曲柄机构。,44,例2：判断图示两个铰链四杆机构的类型,解：对图(a)，有： 30 + 70 40 + 55 该机构为双摇杆机构。 对图(b)，有： 20 + 80 40 + 70， 且机架为最短杆的相邻杆， 该机构为曲柄摇杆机构。,45,例3：若要求该机构为曲柄摇杆机构，问AB杆尺寸应为多少？,解：1.设AB为最短杆 即 LAB+11060+70,LAB20,2.设AB为最长杆 即 LAB+60110+70,110 LAB120,3.设AB为中间

10、杆 即 110+60LAB+70,100LAB 110,所以AB杆的取值范围为：LAB 20，100LAB120,46,例题4： 在图示铰链四杆机构中，各杆长度分别为,=28mm，,=52mm，,=50mm，,=72m,若取,为机架，该机构将演化成何种类型的机构?为什么?请说明这时 C 、D,两个转动副是周转副还是摆转副?,47,当主动曲柄等速转动时，作往复运动的从动件，在工作行程有较慢的平均速度，而在回程有较快的平均速度。这种运动性质称为急回运动。,2. 急回运动与行程速比系数,48,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位.,(1) 当曲柄以逆时针转过180

11、+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1 , 平均速度为V1 , 那么有：,180,此两处曲柄之间的所夹的锐角 称为极位夹角 摇杆之间的夹角称 为摆角 （C1DC2）,49,作者：潘存云教授,(2) 当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D位置摆到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 , 那么有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,急回特性一般意义：在曲柄等速回转的情况下，从动件往复运动速度并不相等，这种现象称为机构的急回特性。,B2,50,K为行程速比系数,2)且越大，K值越大，急回性质越明显。,说明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回运动。K的取值范围：1K3.,3

12、)设计新机械时，往往先给定K值，于是:,51,急回作用的意义： 1.机构的急回作用，在机械中常被用来节省空回行程的时间，以提高劳动生产率。例如在牛头刨床中采用摆动导杆机构就有这种目的。 急回作用有方向性，当原动件的回转方向改变，急回的行程也跟着改变。故在牛头刨床等设备上都用明显的标志标出了原动件的正确回转方向。 2.对某些颚式破碎机，采用快进慢退。 3.有些设备正反行程均在工作，故无急回要求如：雷达天线俯仰转动时不应有急回现象,52, 对心式曲柄滑块机构,结论：对心式曲柄滑块机构无急回特性。, 偏置式曲柄滑块机构,结论：偏置式曲柄滑块机构有急回特性。,推广到曲柄滑块机构:,53,推广到导杆机构

13、:,结论：有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即,54,3.压力角和传动角,(1)压力角(pressure angle)： 从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:min40- 50,切向分力: F= Fcos,法向分力: F”= Fcos, F,对传动有利。,= Fsin (+ =90),(2)传动角(transmission angle) 可用的大小来表示机构传力性能的好坏。,(Vc),55,当BCD90时， BCD,(3)min出现的位置：,当BCD90时，,180- BCD,可以证明：min出现的位置是曲柄与机架两次共线位置之一。,当BCD最小或最大时， 都有可能出

14、现min,(Vc),56,证明：由余弦定律有： (第一次共线) B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a),B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc),若B1C1D90,则,若B2C2D90, 则,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共线),57,推广曲柄滑块机构最小传动角的确定:曲柄与滑块导路垂直的两位置之一。,导杆机构最小传动角的确定,结论：导杆机构传动角衡等于90 ，即压力角a恒等于0 。,58,4.机构的死点位置,(1)定义 摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时

15、机构不能运动.,称此位置为：,“死点”,0,0,0,59,2). 死点位置的确定 在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合时，机构处于死点位置。 曲柄摇杆机构中曲柄为主动件时,结论：无死点位置存在,60, 曲柄摇杆机构中摇杆为主动件时,结论：当a= 90(=0)时，即连杆与曲柄出现共线和重合时，机构出现死点位置。,61, 双曲柄机构和双摇杆机构,结论：双曲柄机构无论哪个曲柄做原动件，都无死点位置存在；双摇杆机构无论哪个摇杆做原动件，都有死点位置存在；,(avi),62,63,机构是否出现死点的判断： 若原动件作往复运动，则一定会出现死点位置；其处于连杆与从动件共线和重合之处。,导杆机构（曲柄为主动件）,导杆机构（摇杆为主动件）,FB1,64,3)避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构;,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,65,钻孔夹具,飞机起落架,4)利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,66,极位与死点的异同： 相同点：都是机构中曲柄和连杆共线的 位置， 不同之处： 在于极点出现在曲柄为原动件时，而死点 出现在以摇杆为原动件，曲柄为从 动件时。,67,例题1. 在图示铰链四杆机构中，各杆长度分别为,=28mm，,=5