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1、第二章,平面连杆机构及其设计,2-1 平面四杆机构的基本形式,一 平面连杆机构的特点和应用,1、平面连杆机构（planar linkage mechanism ）（低副机构）,由若干刚性构件用低副（转动副、移动副、 圆柱副、及螺旋副等）联结而成的机构；,至少包含一个不直接与机架相连的中间构件连杆。,1、平面连杆机构（低副机构）,一 连杆机构及其传动特点,共同特点：其原动件的运动都是要经过一个不 直接与机架相联的中间构件才能传动从动件。,连杆机构可分为空间连杆机构和平面连杆机构,一 连杆机构及其传动特点,(a)平面连杆机构 (b)平面连杆机构 (c)平面连杆机构,(c)平面连杆机构 (d)空间连
2、杆机构 (e)空间连杆机构,平面连杆机构的类型很多，单从组成机构的 杆件数来看就有四杆、五杆和多杆机构。一般的 多杆机构可以看成是由几个四杆机构所组成。,1、平面连杆机构（低副机构）,一 连杆机构及其传动特点,四杆机构是最简单的连杆机构。,一 连杆机构及其传动特点,平面四杆机构是平面连杆机构研究的基础。,2、特点, 其运动副为低副面接触，压强较小，承载能力高，便 于润滑，磨损少，几何形状较简单，便于加工制造。,优点：, 从动件能实现各种预期的运动规律。,一 连杆机构及其传动特点, 实现多种运动规律和轨迹要求。,缺点：, 运动链较长，积累误差较大，降低机械效率。, 连杆及滑块的质心都在作变速运动
3、，产生动态 不平衡，惯性力难于用一般的平衡方法加以消 除，增加机构的动载荷。,2、特点,一 连杆机构及其传动特点, 不易精确实现各种运动规律和轨迹要求。,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,连架杆(Side link),机架(Frame),连架杆,连杆(Coupler),A,B,C,D,能绕其轴线转360的连架杆。,能绕其轴线作往复摆动的连架杆。,曲柄(Crank)：,摇杆(Rocker):,连架杆,A、B周转副。,C、D摆动副。,一 连杆机构及其传动特点,按照两连架杆的运动形式的不同，可将 铰链四杆机构分为：,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,
4、1 曲柄摇杆机构(Crank-rocker linkage),在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。反之也可。,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,1 曲柄摇杆机构(Crank-rocker linkage),车窗刮水器机构,脚踏砂轮机构,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,飞剪,搅拌器,2 双曲柄机构(Double-crank linkage),在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为 双曲柄机构。,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,正平行四
5、边形机构,2 双曲柄机构,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,汽车车门开启机构,反平行四边形机构,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,3 双摇杆机构(Double-rocker linkage),铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,3 双摇杆机构,飞机起落架,夹紧机构,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,鹤式起重机,3 双摇杆机构,风扇机构：分别装在构件1、2上的蜗杆、蜗轮相对运动从而带动摇杆AB摇动。,二 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构,等腰梯形机构,在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则成为等腰梯形机构。等腰梯形机构可用
6、作轮式车辆的前轮转向机构，在车辆转弯时，与两前轮固联的两摇杆摆角不相等，以实现车辆四个车轮都在地面上作纯滚动。,3 双摇杆机构,2-2 平面连杆机构的演化,1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）,L3,偏置曲柄滑块机构,e 0,对心曲柄滑块机构,还可以转化为双滑块机构,曲柄移动导杆机构,L2,e=0,双滑块机构,1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）,1、转动副转化成移动副（改变构件的形状和尺寸）,2. 机架置换,双曲柄机构,双摇杆机构,(a)曲柄滑块机构,2. 机架置换,曲柄滑块机构的应用,2. 机架置换,曲柄转动导杆机构,曲柄摆动导杆机构,导杆机构:,组成移动副的两活动构件
7、，,LBCLAB,LBCLAB,画成杆状的构件称为导杆，,画成块状的构件称为导块。,2. 机架置换,(b)曲柄导杆机构,C,自卸卡车翻斗装置,曲柄摇块机构在自卸卡车翻斗装置中的实际应用。当压力油进入 油缸3（摇块）时推动活塞杆4（导杆），使车厢（即构件1）绕轴线B 摆起，实现自动卸料。,(c)曲柄摇块机构,2. 机架置换,2. 机架置换,自卸卡车翻斗装置,(d)定块机构,2. 机架置换,手动抽水泵,3、改变运动副的尺寸,RBRAB,当曲柄的长度很短时，根据结构需要，可将其改成几何中心B不与回转中心A相重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮 。,1）设ad，当AB杆能绕A点作整 周回转时，AB杆应能占据A
8、B与AB 两个位。各杆的长度应满足：,(bc),(cb),则,由上式得：,即：AB（连架杆）杆为最短杆。,最短杆与最长杆的长度和小于 或等于其他两杆的长度和。,一、平面四杆机构曲柄存在的条件,2-3 平面四杆机构的基本特性,(bc),d -a b - c,(c b),d - a c - b,2）设da，同理,则,由上式得：,即：AD（机架）杆为最短杆。,最短杆与最长杆的长度和小于 或等于其他两杆的长度和。,一、平面四杆机构曲柄存在的条件,由此可得曲柄存在条件：,推论：1）若不满足条件(1)，,2）若满足条件(1) 则：,当最短杆是连杆时，是双摇杆机构（）；,当最短杆是机架时，是双曲柄机构；,当
9、最短杆是连架杆时，是曲柄摇杆机构；,1 ) 最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其他两杆的 长度和(必要条件） 。,2) 最短杆是机架或连架杆（充分条件）。,无曲柄存在，是双摇杆机构（ ）。,一、平面四杆机构曲柄存在的条件,解：图(a)，有： 30 + 70 40 + 55,例一：判断两图示机构类型, 该机构为双摇杆机构。,图(b)，有： 20 + 80 40 + 70，且最短杆为连架杆，, 该机构为曲柄摇杆机构。,LAB 20，100 LAB 120,例二：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,2. 设AB为最长杆,3. 设AB为之间杆,所以AB杆的取
10、值范围为：,1、对心式,2、 偏置式,a + e b,例三、曲柄滑块机构曲柄存在条件,若两连架杆均整周回转，则机架应最短，而LAD = LCD ，所以有:,例四、导杆机构曲柄存在条件,a b时，转动导杆机构；,a b时，摆动导杆机构。,牛 头 刨 床,二、急回运动和行程速比系数K,从动件运动到两极限位置时，曲柄之间所夹的锐角 称为极位夹角(Extreme Position Angle) （ ）。,当AB运动到与连杆重和共线位置AB1时，,摇杆运动到左极限C1D位置，,当AB运动到与连杆拉直共线位置AB2时，,摇杆运动到右极限C2D位置，,1、急回运动(Quick-return Motion),
11、二、急回运动和行程速比系数K (Quick-return Motion and Coefficient of Travel Speed Ratio),分析：,AB1AB2，,AB2AB1，,1、急回运动(Quick-return Motion),显然： 1 2 ，,1,C1DC2D，,，,t1 ，,V1；,= 1800+，,2,C2DC1D ，,，,t2 ，,V2；,= 1800 - ，,所以： t1 t2 ；,因为：C1C2弧长= C2C1弧长，,而 V1=C1C2/t1，,摇杆的这种运动性 质称为急回运动。,所以： V2 V1,V2=C2C1/t2，,平面四杆机构具有急回特性的条件：,（1
12、）原动件作等速整周转动；,（2）输出件作往复运动；,（3）,讨论：1）若0 ，,2）若= 0 ，,空回行程平均速度V2与工作行程平均速度V1之比， 称为行程速比系数，用K表示，则：,2、行程速比系数K (Cofficent of Travel Speed Ratio),K=,则K 1，,即V2 V1 ，,机构有急回运动；,则K = 1，,即V2 = V1 ，,机构无急回运动。,二、急回运动和行程速比系数K (Quick-return Motion and Coefficient of Travel Speed Ratio),对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,例 题,1.偏置曲柄
13、滑块机构,有急回特性。,例 题,只有使偏置方位、,输出件工作行程方向、,输出件具有急回特性。,曲柄转向、,正确匹配，就能保证：,结论：,有急回特性。,例 题,2.曲柄摆动导杆机构,0,牛头刨床,三、传动角与压力角,在不计重力、摩擦力、惯性力的条件下，机构中输出件所受主动力的方向线与该受力点的绝对速度方向线所夹的锐角。,压力角的余角，=900-。,1、压力角,2、传动角,例题：作出下列机构的压力角和传动角,= 900,导杆机构,偏置曲柄滑块机构,如何用压力角或传动角来表示机构的传力性能呢？,= Fsin,越小， 越大，则机构传力性能越好。,= Fcos,三、传动角与压力角,3、最小传动角的确定,
14、图示铰链四杆机构中，原动件为AB。各杆长度为：a、b、c、d。,由图可见， 与机构的BCD有关。,则,在ABD和BCD中，由余弦定理得：,三、传动角与压力角,讨论：,1）当BCD 900时，,即曲柄与机架重合共线时，机构将出现最小值。, =BCD，,则min =BCDmin ，,由公式可知，当 = 00时，有BCDmin 。,三、传动角与压力角,讨论：,2）当BCD 900时，, =1800-BCD，,则min =1800-BCDmax 。,由公式可知，当 = 1800时，有BCDmax 。,即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现最小值。,三、传动角与压力角,结论：,即,三、传动角与压力角,以AB
15、为原动件的曲柄摇杆机构，当曲柄和机架 处于两共线位置时，机构会出现最小传动角。,当=270时，min，则有max,例题：曲柄滑块机构的传动角,偏置曲柄滑块机构,E,最大压力角处于哪个行程好呢？,机构的最大压力角,结 论,只有使偏置方位、,输出件工作行程方向、,曲柄转向、,正确匹配，就能保证：,处于输出件的回程位置。,1死点,四、机构的死点位置(Dead Point Position),=0,=900,图示曲柄摇杆机构，摇杆CD为主动件，当机构处于连杆与从动曲柄共线的两个位置时，出现了传动角o。的情况。,主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，所以不能使构件AB转动而出现”顶
16、死”现象。,机构的此种位置称为死点。,四、机构的死点位置,机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。,1死点,自锁因为机构中存在摩擦而使其 保持原有的运动状态。,死点即使机构中不存在摩擦由于 o，机构不动。,死点与自锁两者有何不同？,1死点,四、机构的死点位置,2. 死点的利用：,地面,飞机起落架机构,四、机构的死点位置,飞机起落架机构,2. 死点的利用：,四、机构的死点位置,对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施 使其顺利通过。若以夹紧、增力等为目的，则机构的 死点位置可以加以利用。,3. 克服死点的方法,措施：,加装飞轮，增大惯性，使之闯过死点；,安装辅助连杆；,几组机构错位安装。,四、机构的死点位置,机构运动分析的任务、目的和方法,任务：在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定 机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加 速度和构件的角位移、角速度及角加速度。,2-4 平面机构的运动分析,目的：在设计新的机械或分析
