平面连杆机构的设计.

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1、第五章 平面连杆机构的设计 51 连杆机构及其传动特点 52 平面四杆机构的类型和应用 53 有关平面四杆机构的一些基本知识 54 平面四杆机构的设计 内容提要 1 1.应用实例 51 连杆机构及其传动特点 内燃机、鄂式破碎机机构、鹤式起重 机、牛头刨床、车门、机械手爪、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。特点是：运动件的运动都要经过 一个机架直接相连的中间构件才能传动 从动件。 2 3. 分类： 分为空间连杆机构和平面连杆机构 平面连杆机构 3 空间连杆机构 4 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

2、润滑、 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。 5 本章重点内容是介绍平面四杆机构 5. 命名（常以构件数命名） 四杆机构、多杆机构（齿凸连组合压力机 ）。 6 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

3、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副。 曲柄 连杆 摇杆 52 平面四杆机构的类型和应用 1. 平面四杆机构的基本型式 机架 7 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 。 如雷达天线等。 8 A B C 1 2 4 3 D A B D C 1 2 4 3 雷达天线俯仰机构 曲柄主动 缝纫机踏板机构 2 1 4 3 摇杆主动 3 1 2 4 9 10 （2）双曲柄机构 特征：两个曲柄 作用：将等速回转

4、转变为等速或变速回转。 应用实例：如火车轮、 惯性筛等。 A B D C 1 2 3 4 E 6 振动筛机构 3 1 11 A BC D 耕地 料斗 D C A B 作者：潘存云教授 耕地 料斗 D C A B 实例：火车轮 特例：平行四边形机构 AB = CD 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。 BC = AD A B D C 摄影平台 作者：潘存云教授 A D B C 作者：潘存云教授 BC 天平 播种机料斗机构 12 返回 13 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 反向 F AE D G

5、 B C A B E F D C G 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 14 （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、飞机起落架、夹紧机构 15 A B D C E 特例：等腰梯形机构汽车转向机构 C B A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 电机 A B D C E A B D C E 电机 A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 电机 A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 A B D C 16 (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

6、摇杆机构曲柄滑块机构 (slider-crank mechanism) 双滑块机构 正弦机构 s=l sin l 2.平面四杆机构的演化型式 17 偏心曲柄滑块机构 返回返回 18 对心曲柄滑块机构 返回返回 19 双滑块机构 返回返回 20 (2)改变运动副的尺寸（偏心轮机构） 21 22 (3)选不同的构件为机架（情况1） 导杆机构 摆动导杆机构 转动导杆机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C （导杆4作摆动） （导杆4作转动） 23 摆动导杆机构 转动导杆机构 24 牛头刨床( 摆动导杆机构) 应用实例: A B D C 1 2 4 3 C2 C1 2

7、5 26 应用实例 B 2 3 4 C 1 A 自卸卡车举升机构 (3)选不同的构件为机架（情况二） 应用实例 B 3 4 C 1 A 2 应用实例 4A 1 B 2 3 C 应用实例 1 3 C 4 A B 2 应用实例 A 1 C 2 3 4 B 导杆机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄滑块机构 3 1 4 A 2 B C 曲柄摇块机构 3 1 4 A 2 B C 27 (3)选不同的构件为机架（情况三） 3 1 4 A 2 B C 直动滑杆机构 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 B C 3 2 1 4 A A B C 3 2 1 4 28 a

8、 b d c C B AD 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 + d 83 有关平面四杆机构的一些基本知识 1.平面四杆机构有曲柄的条件 C” a b d c AD d- a 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 29 （2）连架杆或机架之一(组成该周转副的两杆之一）为最 短杆。 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

9、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。 A B C D a b c d 30 曲柄摇杆机构运动特点的观察 特点： 曲柄与 连杆出 现一次 共线、 一次重 合 (avi) 31 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) 32 33 （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

10、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 34 机架1 机架2 机架3 机架4 双曲柄 曲柄摇杆 双摇杆 曲柄摇杆 铰链四杆运动链 35 36 （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。 37 例：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 t2 V2 V1 急回特性：在曲柄等速回转的情况下，从动件往急回特性：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复运动速度并不

11、相等，这种现象称为机构的急回 特性。特性。 B2 42 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)设计新机械时，往往先给定K值，于是 : 43 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

12、如：雷达天线俯仰转动时不应有急回现象 44 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: B1 C1 B A C B2 C2 A B C B1 C1 C2 B2 45 推广到导杆机构: C1 C2 B A C 结论：有急回特性，且极位 夹角等于摆杆摆角，即 46 F F F” 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。 =

13、Fsin (+ =90) A B C D C D B A F F” F (2)传动角(transmission angle) 可用的大小来表示机构传力性能的好坏。 (Vc) 47 F F F” 当BCD90时， BCD (3)min出现的位置： 当BCD90时， 180- BCD 可以证明：可以证明：此位置此位置 一定是：曲柄与机一定是：曲柄与机 架两次共线位置之架两次共线位置之 一。一。 A B C D C D B A F F” F 当BCD最小或最大时， 都有可能出现min (Vc) 48 C1 B1 a b c d D A 证明：由余弦定律有： (第一次共线) B1C1Darccosb2

14、+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a) B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc) 若B1C1D90,则 若B2C2D90, 则 1B1C1D 2180-B2C2D (8-7b) 1 minB1C1D, 180-B2C2Dmin C2 B2 2 (第二次共线) 49 F 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： 此时机构不能运动. 称此位置为： “死点” 0 0 F 0 50 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 VB FB FC VC Ca DA B M

15、 C 结论：无死点位置 存在 51 曲柄摇杆机构中摇杆为主动件时 DA B C 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 。 M FCVC a VB FB BC1 52 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) 53 54 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 VB3 FB3 A B D 1 2 3 4 VB2 FB2 A B D 1 2 3 4 VB2 FB2 VB1 55 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（