四杆机构设计【研究荟萃】

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1、设计：潘存云,一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1) 曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K， 设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形 腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1 ，连杆为l2 ，则:,以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得： l1 =EC1/ 2 l2 = A C1EC1/ 2,A C2=l2- l1,= l1 =( A C1A C2)/ 2,C2C1P=90,交于P;,A C1= l1+l2,1,相关专业,设计：潘存云,设计：潘存云,2) 导杆机构

2、,分析： 由于与导杆摆角相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄 a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d, 则: a=dsin(/2)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,2,相关专业,设计：潘存云,3) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。,计算: 180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射线C1O 使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，A C1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2 O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1 =EC2/ 2,l2 = A C2EC

3、2/ 2,3,相关专业,设计：潘存云,二、按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,4,相关专业,刚化反转法,以CD杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当于把以AD为机架时观察到的ABCD的位置刚化，以D轴为中心转过 得到的。,低副可逆性； 机构在某一瞬时，各构件相对位置固定不变，相当于一个刚体，其形状不会随着参考坐标系不同而改变。,5,相关专业,第 1 步：选B点，以 I 位置为参考位置，DF1 为机架,第 2 步：用刚化反转法求出 B

4、2、B3 的转位点,第 3 步：做中垂线，找C1 点,第 4 步：联接AB1C1D,6,相关专业,7,相关专业,教学基本要求,2. 能根据四杆机构存在曲柄的条件，熟练判断铰链 四杆机构的基本类型。,1.了解组成铰链四杆机构的各构件的名称，熟悉铰 链四杆机构的等基本概念。,3. 掌握按行程速比系数和给定连杆位置设计四杆机 构的作图法 。,8,相关专业,重点与难点分析,本章重点：平面四杆机构的基本特性及其设计； 本章难点：用作图法设计四杆机构 。,1.极位夹角：机构中从动摇杆处于两极限位置时，原动曲柄的相应两位置之间所夹的锐角。,，表示机构具有急回特性，且极位夹角愈大，机构的急回运动就愈显著，所以

5、，要判断一个机构是否有急回特性，就要找出极位夹角。,9,相关专业,例如，一个对心曲柄滑块机构，因其极位夹角 机构就没有急回特性；但一个偏置曲柄滑块机构，因其极位夹角 ，机构就有急回特性；摆动导杆机构的摆角与其极位夹角相等，它有急回特性，但转动导杆机构就没有急回特性 。,2.压力角与传动角：在四杆机构中，当不计摩擦时，主动件通过连杆作用在从动件上的力的作用线与其受力点出的速度方向之间所夹的锐角，称为机构在此位置的压力角，而把压力角的余角，即连杆与从动摇杆所夹的锐角，称为传动角。,10,相关专业,它们常用来衡量机构的传动性能。传动角愈大，即压力角愈小，机构的传动性能愈好，效率愈高。,多数机构运动中

6、的传动角是变化的。为了使机构传动质量良好，一般规定机构的最小传动角 。为了检查机构的最小传动角，需要确定最小传动角的位置。通过分析可知：曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两位置之一；曲柄滑块机构的最小传动角出现在曲柄与导路垂直的位置；导杆机构在任何位置最小传动角都等于90o。,11,相关专业,3. 死点：当机构出现传动角 时，其压力角=90o，作往复运动的原动件通过连杆作用于从动曲柄上的力恰好通过从动件的转动副中心，致使从动件不能转动，机构的这种位置，称为死点位置。在曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中，若以摇杆或滑块为主动件，则曲柄与连杆共线的位置，就是死点位置。,注意：死点、自锁与机构

7、自由度小于等于零的区别。自由度小于等于零，表明机构中各构件间不可作相对运动；死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可,12,相关专业,借助惯性或采用机构错位排列的方法，使机构能顺利通过死点位置而正常运转；而自锁是指机构在考虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的几何条件时，虽然机构的自由度大于零，但机构仍无法运动的现象。,4. 平面四杆机构的作图法：用作图法设计四杆机构是根据设计要求及各铰链之间相对运动的几何关系通过作图来确定四个铰链的位置。,根据不同的设计要求，作图法设计四杆机构可分为三种类型。,13,相关专业,1）按给定的行程速比系数K设计四杆机构 （重点）,已知：行程速比系数K，摇杆

8、CD的长度lCD ，摇杆的 摆角，设计此四杆机构。,设计的实质是：确定曲柄的固定铰链中心A 的位置，进而定出其余三杆长度。,设计方法是：先根据行程速比系数K 由公式 求出极位夹角，根据几何条件作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D；由C1、C2点各作与C1C2 连线夹角为 的直线相交于O点；以O点为圆心，OC1为半径画圆，A 点即在此圆上，可由其它附加条件确定。,14,相关专业,2）用作图法按两连架杆预定的对应位置 设计四杆机构,设计方法是：此类问题刚固反转法进行设计 （重点）,15,相关专业,3）按预定的连杆位置设计四杆机构：,设计方法是：此类问题可用求圆心法来解决，即作铰链B各位置点连线B1

9、B2 、B2B3的中垂线，两中垂线的交点即为固定铰链中心A。同理，作铰链C各位置点连线C1C2、 C2C3的中垂线，两中垂线的交点即为固定铰链中心D。,已知：连杆BC的三个预定位置B1C1、B2C2和B3C3,设计的实质是：求固定铰链中心的位置,若仅给定连杆BC的两个预定位置，则设计的四杆机构有无穷多解。,16,相关专业,典型例题分析,例2-1 在图2-1a 所示的铰链四杆机构中，已知各杆长度为lAB =20mm，lBC=60mm，lCD=85mm， lAD=50mm ，,1、试判断该机构是否有曲柄； 2、判断此机构是否存在急回特性？若存在，试确定其极位夹角，并估算行程速比系数 ； 3、若以构

10、件AB为主动件，画出机构的最小传动角的位置； 4、在什么情况下机构存在死点位置？,图2-1,17,相关专业,解：1、因为lAB+lCD=20+85=105mm lBC+lAD=60+50=110mm 且连架杆AB为最短杆,故，AB杆就是曲柄，该机构是曲柄摇杆机构,2、取比例尺=1mm/mm ，作摇杆CD处在两个极限位置时的机构位置图 AB1C1D 和 AB2C2D ，如图 b 所示。图中，C1 AC2 为极位夹角。,由图中量得：=59o,故该机构有急回特性。,故，可求得：K= ( 180o+ ) / ( 180o ) = ( 180o + 59o) / ( 180o - 59o) = 1.98

11、,3、若以曲柄AB为主动件，则机构在曲柄AB与机架AD共线的两个位置之一存在最小传动角min,由图可得：min= BCD =15o,4、当以摇杆CD为主动件，则从动件AB与连杆BC共线的两个位置AB1C1D和AB2C2D，即为机构的死点位置。,18,相关专业,自 测 试 题,一、 判断题（正确：T，错误：F）,1.平面连杆机构是低副机构，其接触处压强较小，因此适用于受力较大的场合。,2.铰链四杆机构通过机架的转换，就一定可以得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。,3.铰链四杆机构如有曲柄存在，则曲柄必为最短构件 。,4.在曲柄滑块机构中，当曲柄为主动件时，机构没有死点 。,答 案,19,相

12、关专业,5.在摆动导杆机构中，当曲柄为主动件时，曲柄在任何位置时其传动角均相同 。,6.极位夹角 0 的四杆机构，一定有急回特性。,7.在曲柄滑块机构中，只有当曲柄与滑块导路垂直时，传动角才可能出现最小值。,8.传动角就是连杆与从动件的夹角。,9.连杆机构任一位置的传动角与压力角之和恒等于90o。,10.从传力效果来看，传动角越大越好，压力角越小越好。,答 案,20,相关专业,二、填空题,1.平面连杆机构是构件用_连接而成的机构，当平面四杆机构的运动副都是_ ，则称为铰链四杆机构。,2.铰链四杆机构的三种基本形式是_、 _和_ 。它们是按照_来确定的。,3.铰链四杆机构中，固定不动的杆称为_

13、_ ，不与机架直接连接的杆称为_ ，用转动副与机架连接的杆称为_。,4.机构处于死点位置时，其传动角等于_，压力角等于_。,21,相关专业,5.平行四边形机构的极位夹角=_ ,它的行程速比系数K_。,6.铰链四杆机构演化成其它形式的四杆机构常有三种方法，它们是_、_和_。,7.一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成_机构。,8.曲柄为主动件的曲柄摇杆机构中，当从动摇杆处于两极限位置时，_在该位置所夹的锐角，称为极位夹角。,9.铰链四杆机构中，_角越大，对机构的传动越有利。,22,相关专业,10.死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可借助_或采用_的方法使机构能顺利通过死点位置而正常运

14、转。,三、选择题,1.下面 不是平面连杆机构的优点。,A. 运动副是面接触，故压强小、耐磨损； B. 运动副制造简单，容易获得较高的制造精度； C. 容易实现多种运动形式的转换； D. 容易精确地实现预定的运动规律。,答 案,23,相关专业,2.四杆长度不等的双曲柄机构，若主动曲柄作连续匀速转动则从动曲柄将_。,A. 匀速转动 B. 间歇转动 C. 周期变速转动 D. 往复摆动,3.平行双曲柄机构，当主动曲柄作匀速转动，则从动曲柄将_。,A. 匀速转动 B. 间歇转动 C. 周期变速转动 D. 往复摆动,答 案,24,相关专业,A. 改变导杆长度 B. 改变曲柄长度 C. 改变机架长度 D.

15、改变曲柄转速,4.改变摆动导杆机构导杆摆角的有效方法是_。,5.杆长不等的铰链四杆机构，若以最短杆为机架，则是_机构。,A. 曲柄摇杆机构 B. 双曲柄机构 C. 双摇杆机构 D. 双曲柄机构或双摇杆机构,答 案,25,相关专业,6.当曲柄摇杆机构的原动曲柄位于_时，机构的传动角最小。,A. 曲柄与连杆共线的两个位置之一 B. 曲柄与机架相垂直的位置 C. 曲柄与机架共线的两个位置之一 D. 摇杆与机架相垂直时对应的曲柄位置,7.铰链四杆机构的压力角是指，在不计摩擦情况下，连杆作用于_上的力与该力作用点的速度间所夹的锐角。,A. 主动件 B. 从动件 C. 机架 D. 连架杆,答 案,26,相关专业,A. 2 个 B. 3 个 C. 4 个 D. 5 个,A. 90 B. 45 C. 60 D. 30,10.下列机构中：1) 对心曲柄滑块机构、2) 偏置曲柄滑块机构、3) 平行双曲柄机构、4) 摆动导杆机构、5) 曲柄摇杆机构，当原动件均为曲柄时，上述_机构有急回运动特性。,9.摆动导杆机构的行程速比系数K=2， 则该机构的摆角为_。,8. 有一对心曲柄滑块机构，曲柄长为100mm，则滑块的行程是_。,A. 50mm B. 100mm C. 200mm D. 400mm,答 案,27,相关专业,一、判断题 T