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1、第三章第三章第三章第三章 平面连杆平面连杆平面连杆平面连杆机构及其设计机构及其设计机构及其设计机构及其设计31 平面四杆机构的基本型式33 铰链四杆中曲柄存在的条件32 平面四杆的其它演化型式34 平面四杆的主要工作特性35 用图解法设计平面四杆机构由若干刚性构件用低副联接而成的由若干刚性构件用低副联接而成的机构机构称为连杆机构称为连杆机构31 平面四杆机构的基本型式及其演化连杆机构可分为 空间连杆机构和 平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构平面连杆机构平面连杆机构一、平面四杆机构的基本型式一、平面四杆机构的基本型式平面连杆机构的基本型式是平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构铰链四杆机构其余四
2、杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的二二 杆杆三杆三杆, 不可能运动不可能运动.铰链四杆机构：铰链四杆机构：31 平面四杆机构的基本型式结构特点：结构特点：四个运动副均为转动副四个运动副均为转动副组成：组成：机架、连杆、连架杆机架、连杆、连架杆机架：机架：固定不动的构件固定不动的构件AD连架杆：连架杆：直接与机架相连的构件直接与机架相连的构件AB、CD连杆：连杆：不与机架相连的构件不与机架相连的构件BC曲柄：曲柄：能作整周转动的连架杆能作整周转动的连架杆摇杆：摇杆：不能作整周转动的连架杆不能作整周转动的连架杆1B2C31B2C34AD连杆连杆连架杆连架杆连
3、架杆连架杆机架机架1234ABCD曲柄曲柄摇杆摇杆( (摆杆摆杆) )( (周转副周转副) )( (摆转副摆转副) ) 铰链四杆机构铰链四杆机构机架机架连架杆连架杆曲柄曲柄连架杆连架杆摇杆摇杆连杆连杆周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副 1、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构二、铰链四杆机构的分类和应用实例二、铰链四杆机构的分类和应用实例曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构结构特点：结构特点：连架杆连架杆1为曲柄，为曲柄，3为摇杆为摇杆运动变换：运动变换：转动转动摇动摇动举例：举例：搅拌器机构、搅拌器机构、雷达天线机构雷达天线机构1234 2、双曲柄机构双曲柄机构车门开闭机构车门开闭机构摄影平台升摄影平
4、台升降机构降机构惯性筛机构惯性筛机构机车车轮驱动机构机车车轮驱动机构 双曲柄机构双曲柄机构结构特点：二连架杆均为曲柄结构特点：二连架杆均为曲柄运动变换：转动运动变换：转动转动，通常二转速不相等转动，通常二转速不相等举例：振动筛机构举例：振动筛机构特殊特殊双曲柄机构双曲柄机构平行四边形机构平行四边形机构结构特点：结构特点：二曲柄等速二曲柄等速运动不确定问题运动不确定问题车门开闭机构车门开闭机构反平行四边形机构反平行四边形机构结构特点：结构特点：二曲柄转向相反二曲柄转向相反 3、双摇杆机构双摇杆机构双双摇杆机构摇杆机构 结构特点：结构特点：二连架杆均为摇杆二连架杆均为摇杆运动变换：运动变换：摆动摆
5、动摆动摆动举例举例: : 鹤式起重机鹤式起重机特殊机构特殊机构等腰梯形机构等腰梯形机构实例实例: : 汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构32 平面四杆机构的演化型式所有的四杆机构都是由四杆机构的基本形式演化来得。所有的四杆机构都是由四杆机构的基本形式演化来得。1 1、改变运动副的类型、改变运动副的类型改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副e改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸e0偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构1B24AC3对心式曲柄滑块机构 变2,3构件形状r 1B4A32C 正弦机构ss=lABsin2C33C2r1B4A2 2、改变运动副的
6、尺寸、改变运动副的尺寸对心式曲柄滑块机构1B24AC3h=2lAB偏心轮机构4C231BA B副扩大3 3、选不同构件作机架、选不同构件作机架A41A4曲柄滑块机构曲柄滑块机构1B2C32作机架作机架3B2C曲柄摇块机构曲柄摇块机构 液压驱动筒液压驱动筒车箱举升机构车箱举升机构1BA21BA2AA41B2C3曲柄滑块机构曲柄滑块机构1B24C3移动导杆机构移动导杆机构.C41BA21BA21BA23手动唧筒机构手动唧筒机构3作机架应用C234C234A41B2C3曲柄滑块机构作机架 A41B2C3导杆机构C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234转
7、动导杆机构lBC lAB，导杆AC整周转动C234C234C234C234AB123C4lBC L(其余两杆长度之和其余两杆长度之和)时时 双摇杆机构双摇杆机构ABCDabcd小小 结：结：二、曲柄滑块机构有曲柄的条件二、曲柄滑块机构有曲柄的条件ababemn构件构件a能通过能通过m点的条件是：点的条件是：曲柄滑块机构有曲柄的条件：曲柄滑块机构有曲柄的条件：三、导杆机构有曲柄的条件三、导杆机构有曲柄的条件有曲柄，该机有曲柄，该机构是摆动导杆构是摆动导杆机构。机构。有曲柄，该机有曲柄，该机构是转动导杆构是转动导杆机构。机构。有曲柄，该机有曲柄，该机构是转导杆机构是转导杆机构。构。结论：结论：导杆
8、机构总导杆机构总是有曲柄的是有曲柄的ABCDabcd例：例：a=120mm，b=280mm，c=360mm，AD为机架，为机架，求求d的取值范围。的取值范围。（1）曲柄摇杆机构；）曲柄摇杆机构；（2）双摇杆机构；（）双摇杆机构；（3）双曲柄机构。）双曲柄机构。解解（1）最短杆为连架杆，且满足杆长条件）最短杆为连架杆，且满足杆长条件a）d为最长杆，为最长杆，dc=360mm, a+db+c，db+c-a=520mm, 360mmd520mmb） c为最长杆，为最长杆，120mmd360mm， a+cb+d，da+c-b=200mm，200mmd360mm机构为曲柄摇杆机构时，机构为曲柄摇杆机构时
9、， d的取值范围是：的取值范围是：200mmd520mm（3）最短杆为机架，且满足杆长条件）最短杆为机架，且满足杆长条件d120mm，d+ca+b，da+b-c=40mm，机构为双曲柄机构时，机构为双曲柄机构时， d的取值范围是：的取值范围是：0d40mm（2）机构为双摇杆机构时，）机构为双摇杆机构时， d的取值范围是：的取值范围是： 40mmd520mm。又据多边形封闭原则又据多边形封闭原则:da+b+c=760所以所以d的取值范围是：的取值范围是： 40mmd200mm 或或 520d t2 , v2 v1u 急回急回特性特性u 行程速度变化系数行程速度变化系数 K急回特性的应用例。慢快K
10、=1, =0,无急回特性无急回特性牛头刨工作要求2、急回特性、急回特性设曲柄匀速转动设曲柄匀速转动急回特性的应用举例aBbACa)aBbACeb)aBbACec)d)aCABb0a+bC2b-aC1a+bC2b-aC1C2C2问题讨论：下列机构有无急回特性？若有，标出极位夹角。二、二、 压力角、传动角压力角、传动角压力角：压力角：力力F F的作用线与力作用点绝对速度的作用线与力作用点绝对速度V V所夹的锐角所夹的锐角 传动角：传动角：压力角的余角压力角的余角称为称为传动角传动角在其它条件不变的情况下压力角在其它条件不变的情况下压力角越越小小，作功，作功W W越大越大压力角是机构传力性能的一个重
11、要指标，它是力的利用率大小压力角是机构传力性能的一个重要指标，它是力的利用率大小的衡量指标。的衡量指标。F有效分力有效分力有害分力有害分力ABCDabcdFFtFn曲柄摇杆机构的压力角：曲柄摇杆机构的压力角：设连杆与摇杆夹角为设连杆与摇杆夹角为ABCDabcdFFtFn min 的位置的位置： 曲柄与机架两共线位置之一曲柄与机架两共线位置之一最小传动角位置最小传动角位置对对 min 的要求的要求： min 40大功率机械： min 50三、机构的死点位置三、机构的死点位置所谓死点位置就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于所谓死点位置就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于9090 时时机构所
12、处的位置。即从动杆与连杆重合的位置机构所处的位置。即从动杆与连杆重合的位置1. 死点位置死点位置DabdccabA如何确定机构的如何确定机构的死点位置？死点位置？分析分析B、C点的压力角点的压力角死点位置的危害死点位置的危害： 机构或顶死，而不能运动； 或出现运动不确定。u 死点：机构运动时出现传动角 =00 的位置。B1C1B2C24ABCD231=00=00B1C=00C2B2=00u 克服死点的措施 利用惯性力 相同机构错位排列GGEFEF蒸汽机车车轮联动机构BAC摇杆为主动件摇杆为主动件滑块为主动件滑块为主动件曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）无死点存在无死点存在
13、DA因为连杆与摇杆不会重合因为连杆与摇杆不会重合曲柄摇杆机构（曲柄摇杆机构（摇杆为主动件摇杆为主动件）AB与与BC共线时共线时或者或者机构有死点存在机构有死点存在DabdccabA曲柄滑块机构（曲柄滑块机构（曲柄为主动件曲柄为主动件）e无死点存在无死点存在曲柄滑块机构（曲柄滑块机构（滑块为主动件滑块为主动件）有死点存在有死点存在e2. 2. 死点位置的应用死点位置的应用飞机起落架飞机起落架夹具夹具飞机起落架机构飞机起落架机构=00折叠家具机构折叠家具机构=00火车轮火车轮3. 3. 避免死点位置的危害避免死点位置的危害加虚约加虚约束的平束的平行四边行四边形机构形机构下列机构的曲柄存在条件a b
14、aBbACb)aBbACec)a b-ed)aCABb1. 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和；最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和；2. 机架和两连架杆中必有最短杆。机架和两连架杆中必有最短杆。ABCDabcda)小结：小结：导杆机构总有曲柄导杆机构总有曲柄minaBbACeb)aBbACa)Abb minmin标出下列机构在图示位置的压力角传动及最小传动角min.c)aCABb 00; 900.ababemnmax四、运动的连续性四、运动的连续性1 1、连杆机构的运动连续性：是指连杆机构在运动过程中，能、连杆机构的运动连续性：是指连杆机构在运动过程中，能否连续实现给定的各
15、个位置。否连续实现给定的各个位置。2 2、机构的可行域及不可行域：、机构的可行域及不可行域： 及为机构的可行域机构的可行域3 3、错位不连续：在连杆设计时，不能要求其从动件在两个不、错位不连续：在连杆设计时，不能要求其从动件在两个不连通的可行域内连续运动连通的可行域内连续运动4 4、错序不连续：在连杆机构的运动、错序不连续：在连杆机构的运动过程中，其连杆所经过的给定过程中，其连杆所经过的给定位置一般是有顺序的。当原动位置一般是有顺序的。当原动件按同一方向连续转动时，件按同一方向连续转动时，若其连杆不能按顺序若其连杆不能按顺序通过给定的各个位置，这也是一种运动不连续通过给定的各个位置，这也是一种
16、运动不连续C2B1AC1DB2BC35 用图解法设计平面四杆机构一、四杆机构设计的基本问题一、四杆机构设计的基本问题四杆机构四杆机构连杆曲线连杆曲线 1) 1) 满足预定的运动规律要求满足预定的运动规律要求: : 要求原动件运动规律一定的条件下，从动件满足预定的运动规律要求。（解析法、图解法）2) 2) 满足预定的轨迹要求满足预定的轨迹要求: : 要求连杆上某些点的轨迹能符合预 定的要求，称为轨迹机构设计。（实验法、解析法）3) 3) 满足预定的连杆位置要求满足预定的连杆位置要求: : 要求连杆能顺序地实现一些给定位置，称为导引机构设计。 （图解法、解析法）u 根据给定的运动要求，选定机构的类
17、型；根据给定的运动要求，选定机构的类型；u 确定各构件的尺度参数；确定各构件的尺度参数；u 检验是否满足结构运动和动力条件；检验是否满足结构运动和动力条件；（如：运动副结构曲柄存在条件最小传动角运动连续性等。）（如：运动副结构曲柄存在条件最小传动角运动连续性等。） *设计任务：飞机起落架机构要求实现机轮放下和收起两个位置。铸造翻砂机构要求实现两个翻转位置。1、 实现构件给定的位置（连杆位置、连架杆位置）实现构件给定的位置（连杆位置、连架杆位置）（实现刚体导引）（实现刚体导引）鹤式起重机搅拌器机构要求连杆上某点能生成近似直线轨迹要求连杆上某点按搅拌材料生成某种轨迹2、 实现给定的运动轨迹（轨迹生
18、成问题）实现给定的运动轨迹（轨迹生成问题）搅拌器机构图解法思路：（4）利用其他辅助条件完成设计。（3）利用几何关系寻找问题的关键；（2）将运动条件转化为几何条件；（1）将已知的几何条件尽可能画出；二图解法设计二图解法设计四杆机构设计IIIIII1. 按给定连杆位置设计四杆机构1) 刚体作连杆， 选定其上二 活动铰链， 即定连杆长 lBC，定比例 尺l作图；2) 活动铰链相 对于固定铰 链的运动轨 迹为圆；要点要点3) 用三点定心 法确定二固 定铰链D,C。B1B2B3C2C3C14) 计算待求杆长lAB=AB l m;lCD=CD l m;lAD=AD l m;DA二图解法设计二图解法设计四杆
19、机构设计问题讨论问题讨论:u 连杆尺寸及三个位置确定后有唯一解；连杆尺寸及三个位置确定后有唯一解；u 二位置设计，无穷解。二位置设计，无穷解。可添加其它条件，可添加其它条件， 如机构尺寸传动角大小有无曲柄等。如机构尺寸传动角大小有无曲柄等。u 四个位置设计，四个位置设计，BC不能任意选定。但总不能任意选定。但总 可以在连杆上找到一些点。可以在连杆上找到一些点。u五个位置设计，可能有解，可能无解。五个位置设计，可能有解，可能无解。u 工程要求：实现两连架杆的一系列对应位置。321321E1E2E3F1F2F3D即，已知机架长lAD和两连架杆对应位置，设计四杆机构（求其它三杆长）问题。u 与刚体导
20、引问题的比较u 思路 先定一个连架 杆的长度。B1B2B3A倒置ABCDABCD 已知二固定铰 链和一个活动 铰链，求另一 活动铰链，或 已知两杆长， 求另两杆长。 转化机构，使 DF成为机架， 成为刚体导引。-12-132.按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构要点要点B1C1B2C2ADC1：B1C1B2C2ADC2：思路：思路：先定一个连架杆的长度先定一个连架杆的长度转化机构，使转化机构，使C1D成为机架，成为成为机架，成为刚体导引机构刚体导引机构以以CD为机架时所观察到的为机架时所观察到的AB2C1D 相当于把以相当于把以AB为机架时为机架时所观察到的所观察到的AB2C2D位置刚化，以位
21、置刚化，以D为轴转了一个角度得到的为轴转了一个角度得到的此时，此时，AB2由连架杆变为连杆，由连架杆变为连杆，故利用刚化反转法原理可故利用刚化反转法原理可将已知将已知连架杆两位置的设计问题连架杆两位置的设计问题转化为转化为已知连杆两位置的设计问题已知连杆两位置的设计问题B2C2 AB1C1DB2AC2已知已知: 二固定铰链和一个活动铰链，求另一活动铰链，二固定铰链和一个活动铰链，求另一活动铰链，或已知两杆长，或已知两杆长，求求:另两杆长另两杆长C1：u 作图法dB1B2B3C1ADB2B3b12b23123123a未知杆长lBC = lB1C1 mlCD = lC1D mu 问题讨论 给定BC
22、杆后只有确定解； 两组对应位置问题无穷多解，可加其它条件; 四组对应位置问题BC不能任意给定。 注意问题 二连架杆的实际转向与反转方向；B1B2101212AD10E1E2E31313B312B2 12B3C1设计铰链四杆机构设计铰链四杆机构, ,实现连架杆三对对应位置实现连架杆三对对应位置. .铰链四杆机构铰链四杆机构 ABAB1 1C C1 1D D 为所求为所求. .3. 按急回特性要求设计四杆机构3. 按急回特性要求设计四杆机构3. 按急回特性要求设计四杆机构u 工程要求：设计满足给定的行程速比系数K的四杆机构u 要点：掌握极位夹角及其与K的关系u 思路：A, C1, C2三点所在圆和
23、 角之关系。给定摇杆长，从动件行程900- u 问题：A C1, AC2, AB, BC长度 关系。AC1=BC-ABAC2=BC+ABAB=(AC2-AC1)2根据条件，只有D, C1, C2确定，A点待定。如何确定A点?B1C11B2C24ABCD231oA3. 按急回特性要求设计四杆机构 按急回特性设计铰链四杆机构900- r=B2C2r=EFu 作图方法B2C2o已知：lCD, , K。曲柄摇杆机构其它三杆长度lAB, lBC, lAD。比例尺C1DAEFBC未知杆长lAB = AB ul mmlBC = BC ul mmlAD = AD ul mm u 问题讨论 无其它条件，有无穷多
24、解； 有其它条件，如最小传动角 要求时，要检验最小传动角。 无穷多解为简单解析计算提 供了机会。如确定A点一个特殊位置，用AC1C2求解。B1 按急回特性设计铰链四杆机构B2C21） 给定给定 K、 、LCDABCD O2 2 = = 180K- -1K+ +1 分析分析.900 - - B1ADC1 按急回特性设计铰链四杆机构C2DC1900 - - 2 2 OAEBCAC1=BC- -ABAC2=BC+ +ABAB = AC2- -AC12BC = AC2+AC12曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 ABCDABCD 为所求为所求. . 设计设计. .以以 m mL =作图作图. .lAB= m m
25、LAB = 、 lBC= m mLBC = . = = 1800 =K- -1K+ +1 按急回特性设计铰链四杆机构按急回特性设计铰链四杆机构2） 给定给定 K、 、LCD 、 g g .C2DC1 ABCC3B3g gming g2 2 g gminA0 分析分析. . 按急回特性设计铰链四杆机构 设计设计. .C2DC1 2 g g A0AC3B3g gming gmin 须不小于须不小于 g g .900- 已知：滑块行程H, 行程速比系数K思路：C1C2c12o从动件受力点二极限位置C1C2与曲柄回转中心A所在之圆。作法同曲柄摇杆机构有偏距e要求时解数受限。 按急回特性设计曲柄滑块机构
26、C1C2S2 2 按给定的 K、S 值,设计曲柄滑块机构SADBCee若给定若给定 K、S、e .AB = AC2- -AC12BC = AC2+AC12思路： 已知：机架长lAC, 行程速比系数KB1B2特点：特点：DA 按急回特性设计导杆机构C1C2S2 2 按给定的 K、S 值,设计曲柄滑块机构SADBCee若给定若给定 K、S、e .AB = AC2- -AC12BC = AC2+AC12小结小结:u 曲柄存在条件 杆长条件 最短杆条件u 急回特性 极位夹角 行程速度变化系数1. 运动特性u 压力角和传动角u 死点2. 传力特性要求：u 正确理解和掌握平面机构 工作特性的有关概念；u
27、用有关工作特性检验机构 的运动和传力性能；u 运用有关概念设计性能优 良的机构。 铰链四杆机构铰链四杆机构机架机架连架杆连架杆曲柄曲柄连架杆连架杆摇杆摇杆连杆连杆周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副小结：小结：B1C11B2C24ABCD23112v2v1u 极位夹角极位夹角 1 = C1 = 1 t1 =1800 + 2 = 1 t2 =1800 - t1 t2 , v2 v1u 急回急回特性特性u 行程速度变化系数行程速度变化系数 K急回特性的应用例。慢快K=1, =0,无急回特性无急回特性牛头刨工作要求急回特性急回特性四杆机构的演化：四杆机构的演化： 1 .改变运动副的类型；
28、改变运动副的类型； 2 .改变运动副的尺寸；改变运动副的尺寸； 3 . 选不同构件作机架；选不同构件作机架； 4 .运动副元素逆换。运动副元素逆换。 不同类型的四杆机构，其传递和变换运动的特点不同，不同类型的四杆机构，其传递和变换运动的特点不同，传递和变换力的特性不同。正确选择平面四杆机构的类型，传递和变换力的特性不同。正确选择平面四杆机构的类型，可以达到不同的运动和力的传递和变换的要求。可以达到不同的运动和力的传递和变换的要求。4AD123曲柄摇杆机构23C4AB1摆动导杆机构23C4AB1曲柄摇块机构A1B24C3移动导杆机构.A41B2C3转动导杆机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构4AD1
29、234AD123BC双曲柄机构4AD123BC双摇杆机构双转块杆机构双滑块机构1B4A32正弦机构4C231BA偏心轮机构4A1B32下列机构的曲柄存在条件a baBbACb)aBbACec)a b-ed)aCABb1. 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和；最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和；2. 机架和两连架杆中必有最短杆。机架和两连架杆中必有最短杆。ABCDabcda)minaBbACeb)aBbACa)Abb minmin标出下列机构在图示位置的压力角传动及最小传动角min.c)aCABb 00; 900.ababemnmax例例1.如图示刨床走刀机构中，原动件如图示刨床走刀机构中，原动件AC作匀速转动，作匀速转动，lAB=100mm，试求：试求：(1)设刨刀的行程速比系数设刨刀的行程速比系数 ，求满足，求满足K=2时，构件时，构件BC的的长度长度lBC；(2)当给定刨刀的最大行程当给定刨刀的最大行程 =hmax=660mm， H=170mm，试求构件试求构件AD，DE的长度的长度lAD，lDE；(3)求该机构运动中的最大压力角求该机构运动中的最大压力角max。解：由题意可知由题意可知AC逆时针转动逆时针转动（1）（2）（3）maxD1E1HhmaxBA
