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1、连杆机构及其特点 平面连杆机构的类型及应用 平面连杆机构的基本知识 平面四杆机构的设计,本章教学内容,本章教学要求,了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点; 了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用； 明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数等概念； 对传动角、死点、运动连续性等有明确的概念； 了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。,重点： 曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数； 平面四杆机构设计的一些基本方法。,难点： 平面四杆机构最小传动角的确定； 平面铰链四杆机构运动连续性的判断； 根据已知条件设计平面四杆机构。,第
2、八章 平面连杆机构及其设计,8-1 连杆机构及其传动特点,一. 连杆机构,共同特点原动件通过不与机架相连的中间构件传递到从动件上。,连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。,不与机架相连的中间构件 连杆（Linkage）,具有连杆的机构连杆机构,连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为,优点： 连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击； 运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造； 在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律； 可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。 缺点： 由于运动积累误差
3、较大，因而影响传动精度； 由于惯性力不好平衡而不适于高速传动； 设计方法比较复杂。,二、连杆机构的特点,8-2 平面四杆机构的类型和应用,四杆机构各部分的名称：,机构命名：,原动件名 + 输出构件名,（也可以几何特点命名）,一、全转动副四杆机构（铰链四杆机构）基本型式,1. 曲柄摇杆机构 (Crank-Rocker Mechanism),铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,功能：,应用实例：,飞机起落架机构,缝纫机脚踏板机构,雷达天线俯仰机构,抽油机机构,应用实例：,搅拌机构,拉胶片机构,剪板机,碎石机,2. 双曲柄机构 (Double-Crank
4、 Mechanism),两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构,功能：,平行四边形机构特性： 两曲柄同速同向转动 连杆作平动,特例：若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。,应用实例：,惯性筛机构,机车车轮联动机构,应用实例,升降机构,播种机料斗机构,升降车,台灯伸展机构,应用实例,逆平行（反平行）四边形机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）,3. 双摇杆机构 (Double-Rocker Mechanism),两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构,功能：,应用实例：,鹤式起重机,应用实例：,推土机铲斗机构,电风扇摇头机构,构件2为机架曲柄摇杆机构,二、含有一个移动副的四杆机构演化型式I,
5、曲柄摇杆机构,偏置曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲线导轨曲柄滑块机构,1. 曲柄滑块机构 (Slider- Crank Mechanism),功能：,应用实例：,压力机,雨伞,发动机,应用实例：,空气压缩机,应用实例：,送料装置,筛分机,2. 导杆机构 (Crank-Shaper Mechanism),摆动导杆机构 导杆只能在一定的角度内摆动,回转导杆机构 导杆能作整周转动,功能,应用实例,回转柱塞泵,早期的飞机发动机,牛头刨床,3. 曲柄摇块机构(Rock-Slider Mechanism),功能：,应用实例,自卸车,4. 直动导杆机构 (Fixed-Slider Mechanism),功
6、能：,应用实例,手动抽水机,三、含有两个移动副的四杆机构演化型式II,对心曲柄滑块机构,正弦机构,双滑块机构,从动件3的位移与原动件1的转角成正比：,移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来,1. 正弦机构,从动件3的位移与原动件1的转角成正比,应用实例,压缩机,缝纫机进针机构,2. 双滑块机构,3. 双转块机构,小结,平面四杆机构的演化方式,1、改变构件的形状和相对尺寸：转动副移动副,对心曲柄滑块机构,双滑块机构,偏心轮机构,曲柄滑块机构,2、改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮,3、选用不同构件为机架倒置法,机构的倒置：选运动链中不同的构件作机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。,8
7、-3 有关平面四杆机构的基本性质,运动特性 1.曲柄存在条件 2.急回特性 3.运动连续性,动力特性 1.压力角、传动角 2.死点,一、铰链四杆机构曲柄存在的条件 Grashoff定理,若使AB能够整周回转，必须使得以圆上任一点为中心，以杆长b为半径所形成的圆与圆有交点，即：,亦即：,B1、B2点为形成周转副的关键点。,在B1C1D中 a +d b +c (1),在B2C2D中,若： d a，则有： a +c d +b (2) a +b d +c (3),若： a d，则有： c +d a +b (4) b +d a+c (5),最短杆两端的转动副均为周转副；其余转动副为摆转副。,当铰链四杆机
8、构满足杆长条件时，,讨论,1）最短杆的邻边杆为机架时,3）最短杆的对边杆为机架时,l1+l2+l3 l4?,小结,2）最短杆为机架时,当铰链四杆机构不满足杆长条件时双摇杆机构（无周转副）,解1：,lmin=r； lmax=CD+e,思考：对心曲柄滑块机构有曲柄的条件？,二、急回运动特性(Quick return property),1. 概念,极位夹角 当输出构件在两极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角。,极位输出构件的极限位置,摆角 两极限位置所夹的锐角,原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的现象急回运动(Quick-return),2.
9、急回运动,急回运动机理,a)曲柄转过,所用时间：,b)曲柄转过,所用时间：,c)设两过程的平均速度为V1、V2：,回程速度大于正行程速度。,3. 行程速比系数K,为表明急回运动程度，用行程速度变化系数K(time ratio) 来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度比，即,讨论： 当0时，机构具有急回运动特性； K ，急回运动特性愈显著。,对心曲柄滑块机构 =0， K=1，无急回运动,偏置曲柄滑块机构 0， K1，有急回运动,例：曲柄滑块机构,摆动导杆机构,0， K1，有急回运动,急回运动特性的应用,三、四杆机构的压力角与传动角,压力角与传动角,压力角 (Pressure an
10、gle)不考虑摩擦时，机构输出构件上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。,传动角 (Transmission angle)压力角的余角,机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。,() F 机构传动越有利,一般要求：,2. 最小传动角的位置,连接BD，在ABD中：,曲柄摇杆机构,在BCD中：,若此式为极值，则需 取极值，即,结论：,曲柄与机架共线时，出现最小传动角。,例：标出机构在图示位置的压力角与传动角,四、死点(Dead point), 机构传动角 = 0 (= 90)的位置,当机构处于死点位置时，整个机构无法运动，但在外界微小扰动力的作用下，会出现运动不确定现象。 以
11、往复运动构件为主动件的机构，通常存在死点。, = 90,当输出构件与连杆共线时，机构出现死点。,特别注意： 机构有无死点与原动件选取有关,曲柄滑块机构的死点位置,曲柄摇杆机构的死点位置,1、死点位置,2、机构通过死点采取的措施,对于传动机构来讲，死点是不利的，应采取措施使机构能顺利通过死点位置。,利用惯性, 缝纫机脚踏板机构,使各组机构的死点相互错开排列,机车车轮联动机构,3、死点的利用,工程实践中，常利用死点来实现特定的工作要求。,飞机起落架机构,工件夹紧机构,注意！,机构不能运动的三种情况的区别： 死点、自锁、F0,死点 不计摩擦时，机构传动角 = 0 (= 90)的特 殊位置。利用惯性或
12、其它方法，机构可以通过该位置。,自锁 计入摩擦时，驱动力方向满足一定几何条件而使机 构无法运动的现象，具有方向性。,F0 运动链为桁架。,五铰链四杆机构的运动连续性,1. 运动连续性当主动件连续运动时，从动件能否连续实现给定的各个位置的运动。,2. 可行域 当曲柄AB连续转动时，摇杆CD的摆动范围或,3. 不可行域由和所决定的范围,可行域,不可行域,可行域,不可行域,运动不连续问题有： 错位不连续 错序不连续,4. 错位不连续不连通的两个可行域内的运动不连续。,5. 错序不连续原动件按同一方向连续转动时，连杆不能按顺序通过给定的各个位置,图中，要求连杆依次占据B1C1、B2C2、B3C3，当A
13、B沿逆时针转动可以满足要求，但沿顺时针转动，则不能满足连杆预期的次序要求。,铰链四杆机构的运动连续性,小结,曲柄存在条件,急回特性及行程速比系数,或：,四杆机构传动角、压力角及死点,() F 机构传动越有利,曲柄与机架共线时，出现最小传动角,错位不连续 错序不连续,8-4 平面四杆机构的设计,一、平面连杆设计的基本问题,1. 平面连杆机构设计的基本任务 根据给定的设计要求选定机构型式； 确定各构件尺寸，并要满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。 2. 平面连杆机构设计的三大类基本命题 满足预定运动的规律要求 满足预定的连杆位置要求 满足预定的轨迹要求,（1）满足预定运动的规律要求 要求两连架
14、杆的转角能够满足预定的对应位置关系； 要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确地或近似地满足预定的运动规律要求。,满足预定运动的规律要求机构示例对数计算机构,近似再现函数 y = log x的平面四杆机构,（3）满足预定的轨迹要求,设计时要求在机构运动过程中，连杆上某点能实现预定的轨迹。(又称为轨迹生成机构的设计),机构示例鹤式起重机,机构示例搅拌机机构,3. 设计方法: 1）解析法 2）图解法 3）实验法,二、用图解法设计四杆机构,1. 按给定的行程速比系数K设计四杆机构实现给定运动要求,2. 按连杆预定位置设计四杆机构实现给定连杆位置（轨迹）要求,3. 按两连架杆预定的对应位置设计
15、四杆机构实现给定连架杆位置（轨迹）要求,1. 按给定的行程速比系数K设计四杆机构,曲柄摇杆机构 设计要求：已知摇杆的长度CD、摆角及行程速比系数K。 设计过程：,计算极位夹角：,选定机构比例尺，作出极位图：,联C1C2，过C2 作C1M C1C2 ；另过C1作 C2C1N=90- 射线C1N，交C1M于P点；,以C1P 为直径作圆I，则该圆上任一点均可作为A铰链，有无穷多解。,设曲柄长度为a，连杆长度为b，则:,错位不连续问题,A铰链不能选定在FG弧段,欲得确定解，则需附加条件： (1)给定机架长度d； (2)给定曲柄长度a； (3)给定连杆长度b,(2)给定曲柄长度a的解：,作图步骤：,(3)给定连杆长度b的解：,作图步骤：,证明：,曲柄滑块机构 已知条件：滑块行程H、偏距e和行程速比系数K 设计过程：,有无穷多解,设曲柄长度为a，连杆长度为b，则:,摆动导杆机构,对于摆动导杆机构,由于其导杆的摆角 刚好等于其极位夹角，因此，只要给定曲柄长度LAB (或给定机架长度LAD)和行程速比系数K就可以求得机构。,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 = d sin(/
