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1、机械设计基础第三章 平面连杆机构,第三章 平面连杆机构,第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化,第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几 个基本概念,第四节 平面四杆机构的设计,第一节 概述,第一节 概述,机构实例:内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪等。,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,产生动载
2、荷（惯性力），不适合高速。,设计复杂，难以实现精确的轨迹。,分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：如四杆机构、多杆机构。,本章重点内容是介绍四杆机构。,一、平面四杆机构的基本型式:,基本型式铰链四杆机构，构件间联接都是转动副。,名词解释：曲柄整周定轴回转的构件；,三种基本型式：,1、曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线、缝纫机踏板机构等。,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,曲柄,连杆,摇杆,第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄，1、3；,作用：
3、将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构,应用实例：如叶片泵、惯性筛等。,曲柄主动,设计：潘存云,设计：潘存云,旋转式叶片泵,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,实例：火车轮,特例：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,摄影平台,天平,播种机料斗机构,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,车门开闭机构,平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。,采用两组机构错开排列。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,（3）双摇杆机构,特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构、,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,风扇摇头机构、
4、,飞机起落架,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,(1)改变构件的形状和运动尺寸,二、四杆机构的演化形式,偏心曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=l sin,设计：潘存云,(2)改变运动副的尺寸,(3)选不同的构件为机架,偏心轮机构,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型插床,(3)选不同的构件为机架,(3)选不同的构件为机架,设计：潘存云,手摇唧筒,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念,铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构中是否存
5、在曲柄和有几个曲柄。,曲柄存在的条件：,最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和。,连架杆杆与机架中必有一杆为最短杆。,1.构件和条件：,2.最短杆条件:,一、铰链四杆机构存在曲柄的条件:,作者：潘存云教授,当满足构件和条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如 曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构。,1.平面四杆机构的极位,在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。,二、平面四杆机构的运动特性,两个极位间的夹角，称为最大摆角。,2.急回特性,当曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置
6、摆到C2D。,所花时间为t1,平均速度为V1,那么有：,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为V2,那么有：,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,设计：潘存云,180-,K称为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0，就有 K1,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,1.压力角和传动角,从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用表示。,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fsin,F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,三、平面
7、四杆机构的传力特性,=Fcos,当 90时，,设计时要求:min50,min出现的位置：,当 90时，,180-,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,当最小或最大时，都有可能出现min,设计：潘存云,2.止点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动。,避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“止点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,设计：潘存云,设计：潘存云,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,第四节 平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择 机构的类型；,尺
8、度综合确定各构件的尺度参数(长 度尺寸)。,设计方法：图解法、解析法、实验法,设计：潘存云,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,飞机起落架、函数机构。,设计：潘存云,设计：潘存云,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。,1、按给定的行程速比系数K设
9、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,设计：潘存云,一、图解法,设计：潘存云,设计：潘存云,2)导杆机构,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。,
10、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。,3)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,设计：潘存云,2、按预定连杆位置设计四杆机构,1)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。,2)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,设计：潘存云,设计：潘存云,按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,二、实验法,设计：潘存云,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B,C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹
11、为一条 封闭曲线。,设计目标:就是要确定一组杆长参数,使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,连杆曲线,设计：潘存云,设计：潘存云,三、解析法,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1 coc+l2 cos=l3 cos+l4,l1 sin+l2 sin=l3 sin,if(i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令：l1=1,代入移项得：l2 cos=l4 l3 cos cos,则化简为：cocP0 cos P1 cos()P2,代入两连架杆的三组对
12、应转角参数，得方程组：,l2 sin=l3 sin sin,coc1P0 cos1 P1 cos(1 1)P2,coc2P0 cos2 P1 cos(2 2)P2,coc3P0 cos3 P1 cos(3 3)P2,可求系数:P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,将相对杆长乘以任意比例系数，所得机构都能满足转角要求。若给定两组对应位置，则有无穷多组解。,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,代入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45=P0cos50+P1cos(50-45)+P2,l1=1,l4=-l3/P1=1.442,l2=(l42+l32+1-2l3P2)1/2=1.783,l3=P0=1.553,
