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1、第二章 平面连杆机构,1、平面连杆机构：,有许多构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。,2、平面连杆机构的优缺点：,优点：面接触耐磨损，制造简单，成本低， 承载能力大，便于润滑，寿命长；,缺点：设计比较复杂，不能精确实现复杂 的运动规律。,最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，称为平面四杆机构，它是组成多杆机构的基础。,1-1铰链四杆机构的基本型式和特性,一、铰链四杆机构的定义和基本型式,1、定义：所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。,2、组成：组成铰链四杆机构各杆名称（根据各杆与机架的相对位置而分）,机架： 固定件连架杆：与机架相联的构件 曲柄：能绕其轴线回转36
2、00的连架杆 摇杆：仅能绕其轴线往复摆动的连架杆 连杆： 不与机架相联的构件,3、型式：,按照两连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构分为三种形式：,a、曲柄摇杆机构：两连架 杆一个为曲柄，另一个 为摇杆。b、双曲柄机构：两连架杆 均为曲柄c、双摇杆机构：两连架杆 均为摇杆,二、曲柄摇杆机构及其特性,1、急回运动特性：,、定义： 所谓急回特性是指，有不少平面连杆机构，当主动曲柄作等速度转动时，作往复运动的从动件，在工作行程中有较慢的平均速度，而在回程时有较快的平均速度，这一性质即为急回特性。该特性主要用于提高生产率。,V2= C1C2/t1 从而得到 V2V1,、分析：上图所示曲柄摇杆机 构，设L
3、AB=L1，LBC=L2， LCD=L3，LAD=L4,运动过程中的两极限位置：,AB1位置：曲柄与连杆重叠共线， A、C之间距离为AC1=L2-L1,AB2位置：曲柄与连杆拉直共线， A、C之间距离为AC2=L2+L1,即：空回行程平均速度大于工作行程平均速度,令C1AC2= ，角是摇杆处于两极限位置时对应的曲柄所夹的锐角为极位夹角 C1DC2= ，角是摇杆在两极限位置间的夹角，为摇杆摆角,当曲柄从AB1到AB2时，转角1=180+，用时t1，对应摇杆从C1DC2D，摆角；,当曲柄从AB2到AB1时，转角2=180-，用时t2，对应摇杆从C1DC2D，摆角。,设曲柄AB杆的运动为给定的匀速运
4、动，则有1/t1=2/t2,即（180+）/t1= （180-） /t2 ，得出 t1t2,设摇杆从C1D到C2D，铰链C的平均速度为V1，,摇杆从C1D到C2D， 铰链C的平均速度为V2，,则有 V1= C1C2 /t1,、急回特性的表示：,引入行程速度变化系数K。,因此极位夹角可用行程速度变化的系数表示：,2、死点位置,在上述曲柄摇杆机构中(如右图)，如以摇杆3为原动件，而曲柄1为从动件，则当摇杆摆到极限位置C1D和CD2时，连杆2与曲柄1共线。若不计各杆的质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心A，此力对A点不产生力矩，因此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。,死点位置的应用实
5、例：,死点位置会使从动件出现卡死和运动不确定现象。 可利用惯性力或对从动曲柄施加外力来消除死点位置的不良影响。,3、压力角和传动角,定义：,作用在从动件上的驱动力F与该力作用点绝对速度Vc之间所夹的锐角称为压力角；压力角的余角为传动角（连杆与从动摇杆之间所夹的锐角）,意义：,是判断机构传力性能的标志。压力角越小，传动角越大，机构 的传力性能越好。,压力角（或传动角）值的确定：,机构运转过程中压力角是变化的，为了保证机构正常工作，必须规定最小传动角min的下限。一般机械取min400，大功率机械可取min500，小功率的控制机构和仪表min可略小于400。,对出现最小传动角min的位置分析如下：
6、,由上图中ABD和BCD可分别写出 BD2=L12+L42-2L1L4cos BD2=L22+L32-2L2L3cosBCD,由此可得：,cosBCD=（L22+L32-L12-L42+2L1L4cos）/2L2L3,当00时，得BCDmin；当1800时，得BCDmax。传动角是用锐角表示的。若BCD在锐角范围内变化，则如图27a所示，传动角BCD，显然，BCD即为传动角极小值，它出现在00时的位置。若BCD在钝角范围内变化。则如图27b所示，其传动角应表示为1800-BCD，显然，BCDmax对应传动角另一极小值，它出现在曲柄转角1800时的位置。综上所述可知，曲柄摇杆机构的最小传动角必出
7、现在曲柄与机架共线(00或1800)的位置。校核压力角时只需将00或1800代入上式，求出BCDmin和BCDmax，然后按下式,BCD (BCD为锐角时) 1800-BCD （BCD为钝角时）,求出两个，其中较小的一个即为该机构的min。,二、双曲柄机构及其特性,常见的双曲柄机构是平行四边形机构，或称平行双曲柄机构。,该机构容易出现运动不确定状态，可在主从动件曲柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构消除这种情况。,三、双摇杆机构,2-2 铰链四杆机构有整转副的条件,1、整转副定义：,两构件能相对转动3600的转动副为整转副。,2、铰链四杆机构有整转副的条件,假设左边机构有整转副，是曲柄摇杆
8、机构，各杆长度如图所示，杆1为曲柄，杆3为摇杆。,分析该机构的运动过程：,两个极限位置：,摇杆处于左右极限位置时曲柄与连杆两次共线,AB1位置：,曲柄与连杆一次共线，在三角形AC/D中，L4（L2-L1）+L3,L3（L2-L1）+L4,即 L4+L1L2+L3 L3+L1L2+L4,AB2位置：,曲柄与连杆二次共线，在三角形AC/D中，L2+L1L3+L4,将上述三个不等式两两相加可得：,L1L2 L1L3 L1L4,上述六个不等式表明杆1最短，在其余三杆中必有一杆为最长杆。,只要机构能越过这两个极限位置，曲柄1就可整周转动，、的变化范围是03600，而和的变化范围小于3600，因此A、B为
9、整转副，C、D不是整转副。,从以上分析可知，整转副存在的条件是：,最短杆与最长杆的长度之和小于等于其余两杆长度之和（杆长和条件）。,整转副存在的位置：,有最短杆与其邻边组成。,3、按杆长条件对铰链四杆机构进行分类：,（1）最短杆与最长杆的长度之和大于其他两杆长度之和，所有运动副均为摆动副，均为双摇杆机构。,（2）最短杆与最长杆的长度之和小于等于其他两杆长度之和，最短杆上两个转动副均为整转副。,取最短杆为机架双曲柄机构,取最短杆任一相邻杆为机架曲柄摇杆机构,取最短杆对面的杆为机架双摇杆机构,2-3 铰链四杆机构的演化,通过用移动副取代转动副、变更杆件长度、变更机架和扩大转动副等途径，还可以得到铰
10、链四杆机构的其他形式,1、扩大转动副形成偏心轮机构（偏心轮是回转副B扩大到包括回转副A而形成的）,2、转动副转化成移动副形成曲柄滑块机构（改变杆件长度）：,e ：偏距e0：偏置曲柄滑块机构e=0： 对心曲柄滑块机构,3、转化机架形成各种导杆机构、摇块机构、定块机构。,a图：曲柄滑块机构b图：导杆机构。 L1L2时，为转动导杆机构； L1L2时，为摆动导杆机构（图表2-16）； 导杆机构的传动角始终等于90，具有很好的传力性能。c图：摆动滑块机构（或称摇块机构）如下图的自卸货车。d图：定块机构（或称固定滑块机构）如筒抽水喞。,4、变更两杆件长度形成双滑块机构,5、多杆机构：有些多杆机构是有若干个
11、四杆机构组合扩展形成的,2-4 平面四杆机构的设计,平面四杆机构设计，主要是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。必要时应考虑机构的几何条件和动力条件（如最小传动角min）等。,设计中的两类问题：,1、按照给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）设计四杆机构,2、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构,解析法，几何作图法，实验法。,一、按照给定的行程速度变化系数设计四杆机构,1、曲柄摇杆机构的设计,已知条件：,摇杆长度L3，摆角和行程速度变化系数K,设计步骤如下 ：,(1) 由给定的行程速度变化系数K，按式(22)求出极位夹角,180（K-1）/（K+1）,设计方法：,(3) 连接Cl和
12、C2，并作C1M 垂直于C1C2。,(4) 作C1C2N90一，C2N与 C1M相交于P点，由图可见 C1PC2。,(5) 作PC1C2的外接圆，在此圆周 (C1C2和EF除外)上任取一点A作 为曲柄的固定铰链中心。连 AC1和AC2，因同一圆弧的圆周 角相等， 故C1AC2C1PC2。,(6) 因极限位置处曲柄与连杆共线，故AC1L2-Ll，AC2L2+Ll，从而得曲柄 长度L1=（AC2-AC1）/2。再以A为圆心和Ll为半径作圆，交C1A的延线于 B1，交C2A于B2，即得B1C1=B2C2=L2及AD=L4。,(2) 如图226所示，任选固定铰 链中心D的位置，由摇杆长度 L3和摆角作
13、出两个极限位置 C1D和C2D。,由于A点是PC1C2外接圆上任选的点所以若仅按行程速度变化系数K设计可得无穷多的解。A点位置不同，机构传动角的大小也不同，如欲获得良好的传动质量，可按照最小传动角最优或其他辅助条件采确定A点的位置。,2导杆机构,巳知条件：,机架长度L4、行程速度变化系数K。,由右图可知，导杆机构的极位夹角等于导杆的摆角，所需确定的尺寸是曲柄长度L1。,(1) 由已知行程速度变化系数K，按式(22)求得极位夹角也即是摆角,=180（K-1）/（K+1）,(2) 任选固定铰链中心C，以夹角作出导杆两极限位置Cm和Cn。,(3) 作摆角的平分线AC，并在线上取AC=L4，得固定铰链
14、中心A的位置。,(4) 过A点作导杆极限位置的垂线AB1(或AB2)即得曲柄长度L1=AB1,其设计步骤如下：,二、按照给定连杆位置设计四杆机构,铸造车间翻台振实式造型机的翻转机构。,已知条件：,连杆3的长度L3=BC及其两个位置B1C1和B2C2,要求确定连架杆与机架组成的固定铰链中心A和D的位置，并求出其余三杆的长度L1、L2和L4。,由于连杆3上B、C两点的轨迹分别为以A、D为圆心的圆弧，所以A、D必分别位于B1B2和C1C2的垂直平分线上。,(1)根据给定条件，绘出连杆3的两个极限位置B1B2和C1C2。,(2)分别连接B1和B2、C1和C2，并作直线B1B2和C1C2垂直平分线b12
15、、c12。,(3)由于A和D两点可在b12和c12两直线上任意选取，故有无穷多解。,在实际设计时还可以考虑其他辅助条件，例如最小传动角、各杆尺寸所允许的范围或其他结构上的要求等等。本机构要求A、D两点在同一水平线上，且ADBC。根据这一附加条件，即可唯一地确定A、D的位置，并作出所求的四杆机构AB1C1D。,若给定连杆三个位置，要求设计四杆机构，其设计过程与上述基本相同。如图229所示。由于B1、B2、B3三点位于以A为圆心的同一圆弧上，故运用已知三点求圆心的方法作BlB2和B2B3的垂直平分线，其交点就是固定铰链中心A。用同样方法，作ClC2和C2C3的垂直平分线，其交点便是另一固定铰链中心D。AB1C1D即为所求四杆机构。,
