机械设计基础课件第三章精编版

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1、机械设计基础,国家级精品课程教材,电子工业出版社,主编：唐林虎 副主编：张亚萍等,第三章 平面连杆机构,第三章 平面连杆机构,3.1 概述,1,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,2,3.3 平面四杆机构的演化形式,3,3.4 平面连杆机构的基本特性,4,3.5 平面连杆机构的设计,5, 3.6 平面多杆机构简介,6,第三章 平面连杆机构,1,2,3,4,6,课后习题答案,第三章 平面连杆机构,教学要求 （1）掌握平面四杆机构的基本形式、应用及演化； （2）掌握平面四杆机构的基本特性，理解急回特性、行程速比因数、传动角、压力角、死点位置等概念； （3）掌握铰链四杆机构曲柄存在的条件； （4）

2、掌握四杆机构的设计方法。 重点与难点 重点：平面四杆机构的基本形式、应用及基本特性； 难点：平面四杆机构类型的判断及设计方法。,3.1 概述,连杆机构是用转动副和移动副将构件相互联接而成，用以实现运动变换和动力传递的机构。 连杆机构按各构件间相对运动性质的不同，可分为空间连杆机构和平面连杆机构两类。平面连杆机构是由若干构件通过低副（转动副或移动副）联接而成的平面机构，又称为平面低副机构。,平面连杆机构的优点： （1）能够进行多种运动形式的转换。 （2）运动副一般均为低副。两构件之间为面接触，接触表面是圆柱面或平面，单位面积上的压力较小，制造容易，磨损较慢，可承受较大载荷。 （3）具有丰富的连杆

3、曲线。,3.1 概述,平面连杆机构的缺点： （1）连接处的间隙造成的积累误差较大，机械效率较低。 （2）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。 （3）设计方法比较复杂，难以实现精确的轨迹。 平面连杆机构应用于各种机器和仪器中，如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。本章着重介绍平面四连杆机构的类型、基本特性和设计方法。,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构 。,连杆,连架杆,连架杆,机架,构件名称： （1）机架：机构中固定不动的构件AD。 （2）连架杆：与机架相连的构件AB和CD。 （3） 连杆：不与机架直

4、接连接的构件BC。,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,（1）曲柄摇杆机构,（2）双曲柄机构,（3）双摇杆机构,连架杆,曲柄：能绕轴线作整周回转运动的连架杆。,摇杆：只能在某一角度(小于360)内摆动的连架杆。,因此，铰链四杆机构又根据其连架杆运动形式的不同，分为以下三种基本类型：,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,3.2.1曲柄摇杆机构,两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构。,运动特点： 若选曲柄为主动件，则该机构可将曲柄的回转运动转变为摇杆的往复摆动。 若选摇杆为主动件，则该机构可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周回转运动。,动态演示,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,

5、破碎机的破碎机构,缝纫机的驱动机构,应用实例：,动态演示,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,3.2.2双曲柄机构,两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。 1.普通双曲柄机构,运动特点： 主动曲柄等速回转一周，从动曲柄变速回转一周，从动曲柄的角速度在一周中有时小于主动曲柄的角速度，有时大于主动曲柄的角速度。,普通双曲柄机构,动态演示,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,应用实例：,惯性筛,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,2.平行双曲柄机构,运动特点： 两曲柄的回转方向相同，且角速度时时相等。,应用实例：,机车联动机构,路灯检修车升降机构,平行双曲柄机构,动态演示,动态演示,3.2 平面连杆

6、机构的基本类型和应用,3.反向双曲柄机构,运动特点： 两曲柄反向不等速。,应用实例：,车门启闭机构,反向双曲柄,动态演示,动态演示,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,3.2.3双摇杆机构,两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。,运动特点： 两摇杆均可作为主动件。当主动摇杆摆动时，通过连杆带动从动摇杆摆动。,应用实例：,双摇杆机构,港口起重机,动态演示,动态演示,3.2 平面连杆机构的基本类型和应用,电风扇摇头机构,汽车前轮转向机构,3.3 平面四杆机构的演化形式,在实际机械中，还广泛采用着其他多种形式的四杆机构。这些机构可认为是由四杆机构的基本类型演化而成的。 其演变的方法有： （1）改变构件的

7、形状、长度。 （2）改变运动副的尺寸。 （3）选不同构件为机架等。,较为常用的演化机构有： 曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构、定块机构等。 它们均属于滑块四杆机构，即含有移动副和转动副的四杆机构。,3.3 平面四杆机构的演化形式,曲柄滑块机构是由曲柄、连杆、滑块及机架组成。是在曲柄摇杆机构的基础上，采用了改变构件尺寸和形状的方法而得到的另一种平面连杆机构，常用作回转运动与往复直线运动之间的转换。,3.3.1 曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,圆弧导轨曲柄滑块机构,3.3 平面四杆机构的演化形式,若滑块移动导路中心通过曲柄转动中心，则称为对心曲柄滑块机构；若不通过曲柄转动中心，则称为偏置曲柄滑块机构，

8、e为偏心距。,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,动态演示,动态演示,3.3 平面四杆机构的演化形式,应用实例：,机构示意图 机构简图 内燃机中的曲柄滑块机构 1-曲轴；2-连杆；3-活塞,机构示意图 机构简图 压力机中的曲柄滑块机构 1-工件；2-滑块；3-连杆；4-曲轴；5-齿轮,3.3 平面四杆机构的演化形式,3.3.2 导杆机构,曲柄滑块机构,转动导杆机构（l1l2）,若改选曲柄滑块机构中的构件AB为机架，则构件AC将绕A转动，而滑块将以构件AC为导轨，沿该构件相对移动，并一起绕A点转动，构件AC称为导杆，而由此演化成的四杆机构称为导杆机构。,摆动导杆机构（l1l2）,改选AB为机架,

9、动态演示,动态演示,3.3 平面四杆机构的演化形式,应用实例：,简易刨床的主运动机构,动态演示,牛头刨床的主运动机构,3.3 平面四杆机构的演化形式,3.3.3 摇块机构,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构中，如改选与滑块铰接的构件BC为机架，使滑块只能摇摆不能移动，则将演化成摇块机构，,改选BC为机架,摇块机构,应用实例：,自卸汽车的翻斗机构,动态演示,动态演示,3.3 平面四杆机构的演化形式,3.3.4 定块机构,将曲柄滑块机构中的滑块改为机架，将演化成定块机构。,应用实例：,手动唧筒,曲柄滑块机构,改选滑块为机架,动态演示,定块机构,3.4 平面连杆机构的基本特性,平面连杆机构具有传递和变换各种

10、运动，实现力的传递和变换的功能，前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。,3.4.1 运动特性,1铰链四杆机构存在曲柄的条件 铰链四杆机构中有曲柄的前提是运动副中必有整转副存在。 影响平面铰链四杆机构中曲柄存在的因素有： （1）构成四杆运动链的各构件长度。 （2）运动链中选取的机架与其它构件的相对位置。,下面以曲柄摇杆机构为例，讨论铰链四杆机构曲柄存在的条件。,3.4 平面连杆机构的基本特性,设曲柄摇杆机构各杆的杆长分别为a、b、c、d，设da，在杆AB绕转动副A转动过程中，要使A成为整转副，则AB应能占据与机架AD重叠和拉直共线的两个特殊位置AB1和AB2，即可构成B

11、1C1D和B2C2D。,根据三角形两边之和大于第三边这一几何关系，并结合机构运动的特点，可得：,将上式两两相加，得：ac；ab；ad,3.4 平面连杆机构的基本特性,故四杆机构有曲柄的条件为： （1）最短杆与最长杆的长度之和应小于其他两杆长度之和； （2）连架杆或机架中必有一最短杆。,曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构,根据上述结论，可得出以下推论： （1）当lmin+lmaxl+ l时： 若以最短杆的相邻构件为机架，该机构为曲柄摇杆机构。 若以最短杆为机架，该机构为双曲柄机构。 若以最短杆相对的构件为机架，该机构为双摇杆机构。,3.4 平面连杆机构的基本特性,l1，l2，l3，l4,lma

12、x+lminl+l,lmin为连架杆吗？,曲柄摇杆机构,lmin为机架吗？,双曲柄机构,双摇杆机构,N,N,N,Y,Y,Y,铰链四杆机构基本类型的判别流程可用下面框图表示：,（2）当lmin+lmaxl+ l时： 则无论取哪个构件为机架，均无曲柄存在，只能为双摇杆机构。,3.4 平面连杆机构的基本特性,2急回运动特性,（1）曲柄摇杆机构分析 曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为原动件。在曲柄以等角速度1逆时针转动一周的过程中，两次与连杆共线。,此时C1D和C2D为摇杆的两个极限位置，简称极位。其夹角称为最大摆角。曲柄与连杆两次共线位置间所夹的锐角为极位夹角。 当主动件曲柄AB以等角速度1逆时针旋转，从

13、动件在正行程（行程）C1D至C2D和反行程（回程）C2D至C1D时C点的平均线速度分别为 和 ，所需时间为t1和t2 ，对应曲柄的转角分别为1=+和2=-，显然有t1t2，即摇杆(回程)的速度大于行程的速度。,3.4 平面连杆机构的基本特性,（2）急回运动特性 构件返回速度大于推进速度的现象称为急回运动特性。,（3）行程速比因数 通常用 与 的比值K来描述急回特性，K称为行程速比因数。,0，K1，有急回特性； 越大，K越大，急回特性越明显； 越小，K越小，急回特性越不明显； =0时，K=1，机构无急回特性。,机构有无急回特性， 急回特性是否显著， 取决于机构的极位 夹角,3.4 平面连杆机构的

14、基本特性,除曲柄摇杆机构外，偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构等也都具有急回特性。,偏置曲柄滑块机构,摆动导杆机构,3.4 平面连杆机构的基本特性,3.4.2 传力特性,1压力角和传动角 （1）压力角 力F与受力点的速度vc方向之间所夹的锐角，称为压力角。,（2）传动角 压力角的余角。,Ft= Fcos Fn= Fsin,有效分力,有害分力,压力角越小，或传动角越大，则力F在vc方向的有效分力越大，机构的传力性能越好。 因此，压力角或传动角的大小是衡量机构传力性能的重要标志。,3.4 平面连杆机构的基本特性,（3）机构具有良好传力性能的条件 传动角随机构的不断运动而相应变化，为保证机构有较好的传力

15、性能，应控制机构的最小传动角min。一般可取min40，重载高速场合取min50。,（4）最小传动角min的确定 曲柄摇杆机构的min 在曲柄整转一周的过程中，当曲柄转到与机架共线的两个位置时，传动角将出现极值和，其中较小者即为最小传动角min。,3.4 平面连杆机构的基本特性,曲柄滑块机构的最大压力角max 若机构的主动件为曲柄AB，从动件为滑块C，在曲柄与滑块导路垂直时，=max。,摆动导杆机构的最小压力角min 构件3作用于导杆4上的力F和导杆4上的C点速度VC4都始终垂直于AC，压力角始终为0，传力性能最好。,曲柄滑块机构的max,摆动导杆机构的min,3.4 平面连杆机构的基本特性,

16、2死点位置 不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置。 （1）死点位置举例,曲柄摇杆机构的死点位置,摆动导杆机构的死点位置,曲柄滑块机构的死点位置,3.4 平面连杆机构的基本特性,（2）死点位置的克服 当死点位置的存在对机构运动不利时，应尽量避免出现死点，克服死点位置的方法有：,采用机构死点位置错位排列的办法，以保持从动曲柄的转向不变。,利用飞轮惯性,采用加大从动件惯性的方法，靠惯性帮助通过死点。,3.4 平面连杆机构的基本特性,（3）死点位置的利用 在实际工程应用中，有许多场合是利用死点位置来实现一定工作要求的，例如：,工件夹紧机构,飞机起落架,动态演示,动态演示,3.5 平面连杆机构的设计,3.5.1 连杆机构设计的基本问题,连杆机构设计可归纳为下列两类问题： （1）按