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1、第8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(Linkage)的组成和分类由若干个杆件通过低副连接而组成的机构称为连杆机构，又称为低副机构。原动件连杆(中间构件)从动件几个例子:,1 假肢膝关节p25,2 收放式折叠支架 p27,3 引擎油门控制装置,4 飞剪机 p46,分类:平面连杆机构：所有构件均在同一平面或在相互平行的平面内运动的连杆机构。空间连杆机构：所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构。如并联机构。根据所含杆数分 四杆机构，六杆机构等,二、连杆机构的特点(1)低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，磨损小。(2)其运动副元素多为平面或
2、圆柱面，制造比较容易，结构简单,工作可靠。(3)可以实现不同的运动规律和特定轨迹要求。改变构件的相对长度 连杆上的不同点,三.连杆机构的缺点：1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时也使机械效率降低。2）连杆和滑块的质心做变速运动，所以连杆机构所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速运动。,四.应用连杆机构常用于以下场合：1)用于受力较大的挖掘机。(破碎机)2)用于实现各种不同的运动规律要求。(惯性筛)3)可以实现给定轨迹要求。(搅拌机),平面四杆机构的应用广泛，而且是研究多杆机构的基础。本章
3、重点讨论平面四杆机构的有关基本知识和设计问题。,应用实例：,内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械 手爪、开窗户支撑、开关门机构、折叠伞、折叠床、制动操作机构等。,特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,82 铰链四杆机构的类型和应用,一、平面四杆机构的基本类型及应用基本型式铰链四杆机构：全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。其他四杆机构都是其演化型式。,名词解释：曲柄作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,雨刷。,连杆作平面运动
4、的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360度相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,曲柄,连杆,摇杆,设计：潘存云,设计：潘存云,（2）双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将等速回转转变为等速或变速回转。,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,应用实例：如惯性筛、磨碎机等。,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,实例：火车轮,特例1：平行四边形机构,特征：两连架杆等长且平行 两曲柄同速同方向转动 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,平行四边形机构在共线位置出现运
5、动不确定。,采用两组机构错开排列。,特例2：反平行四边形机构:两对相对杆长度相等但不平行 特点：长边为机架，两曲柄转向相反 短边为机架，两曲柄转向相同,设计：潘存云,设计：潘存云,反平行四边形机构,-车门开闭机构,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(两摇杆长度相等)汽车转向机构,、风扇摇头机构、起重吊车、钻床夹具,转向时汽车各轮纯滚动的条件：,梯形转向机构,转向条件:所有车轮形成一个转动中心.,B,L,内、外导向轮的转速：外内。,2.内外驱动轮的转速：外内。（靠差速器保证）,二、平面四杆机构的演化型式,由平面四
6、杆机构的基本形式演化而来满足运动要求改善受力满足结构设计演化方法有四种：,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、改变构件形状和运动尺寸,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,举例,2、改变运动副尺寸,当曲柄的实际尺寸很短并传递较大的动力时，可将曲柄做成几何中心与回转中心距离等于曲柄长度的圆盘，即改变运动副尺寸,形成偏心轮机构。,设计：潘存云,偏心轮机构,偏心轮机构实质,举例：真空泵,3 选不同的构件为机架,设计：潘存云,设计：潘存云,牛头刨床,应用实例:,小型刨床,3 选不同的构
7、件为机架,摇块 机构,设计：潘存云,设计：潘存云,3 选不同的构件为机架,手摇唧筒,这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：,机构的倒置,(a)曲柄滑块机构;(b)转动导杆机构;(c)摆动滑杆摇块机构;(d)移动滑杆定块机构。,其他机构演化：选不同的构件为机架,双转块机构应用,4、运动副元素的逆换将运动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件之间的相对移动，但却能演化成不同的机构。如摆动导杆机构和曲柄摇块机构。这两种机构的运动特性是相同的。将2,3的包容关系逆换:,曲柄摇块,摆动导杆机构,四杆机构的型式虽然多种多样，但根据演化的概念，可为我们归类研究这些四杆机构提供方便；我们也
8、可根据演化的概念，设计出型式各异的四杆机构。,83 平面四杆机构的基本知识,设计：潘存云,平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。,杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4 l1)+l3,则由BCD可得：三角形任意两边之和大于第三边,则由BCD可得：,l1+l4 l2+l3,l3(l4 l1)+l2,AB为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和,一、铰链四杆机构有曲柄的条件,l1+l2 l3+l4,l4-l1,将以上三式两两相加得：l1 l2,l1 l3,l1 l4,l1+l3 l2+l4,设计：潘存云,2.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。,可知：当满足杆长条件时，其
9、最短杆参与构成的转动副都是周转副。而其余的转动副则是摆转副。,曲柄存在的条件：,1.最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和,此时，铰链A为周转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。,称为杆长条件。,即：A,B为周转副C,D为摆转副,作者：潘存云教授,当满足杆长条件时，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。,因此，四杆机构有曲柄的条件是：各杆的长度应满足杆长条件（前提），且最短杆为连架杆或机架。当最短杆为连架杆时，机构为曲柄摇杆机构。当最短杆为机架时则为双曲柄机构。满足杆长条件的四杆机构中，当最短杆为连杆
10、时，为双摇杆机构。如果铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转副，此时无论以何杆为机架，均为双摇杆机构。例等腰梯形机构,Y,双摇杆机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,以最短杆相邻杆为机架,以与最短杆相对的杆为机架,以最短杆为机架,N,如果四杆机构两相邻杆两两相等，则为泛菱形机构p117,泛菱形机构有三个周转副，一个摆转副,泛菱形机构当以短杆为机架时，为双曲柄机构,泛菱形机构当以长杆为机架时，为曲柄摇杆机构,泛菱形机构当相邻两杆重合时，为二杆机构,例：折叠架,设计：潘存云,二、急回运动和行程速度变化系数,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。,当
11、曲柄以逆时针转过180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。,所花时间为t1,平均速度为V1,那么有：,曲柄摇杆机构 3D,此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。,180,设计：潘存云,当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D位置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为V2,那么有：,180-,因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。用以下比值表示急回程度,称K为行程速度变化系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要 0，就有 K1,所以可通过分析机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。,设计新
12、机械时，往往先给定K值，于是:,在曲柄摇杆机构中，当曲柄等速回转情况下，通常把摇杆往复摆动速度快慢不同的运动称为急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用从动件空回行程平均速度v2和工作行程平均速度v1的比值K来衡量，称为行程速度变化系数。K 1K=v2/v1=(180+)/(180-)急回可减少空行程时间，提高劳动生产率,摆动导杆机构有无急回特性？,偏置曲柄滑块机构有无急回特性？,行程速度变化系数 K 与极位夹角间的关系为：越大,K越大,急回性质越显著对心曲柄滑块机构:=0,K=1,无急回特性偏置曲柄滑块机构:0,K1有急回特性摆动导杆机构:0，有急回特性,摆角=极位夹角,对心曲柄滑块机构有
13、无急回特性？,行程速度变化系数在工程上的应用：p118,双曲柄机构的行程速度变化系数K：p118,设计：潘存云,当BCD90时，BCD,三、压力角与传动角和死点位置,压力角：若不考虑机构中各运动副的摩擦力及构件的重力和惯性力的影响，从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:min50,min出现的位置：,当BCD90时，,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F=Fcos,F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,为了保证机构良好的传力性能,
14、设计：潘存云,由余弦定律有：B1C1Darccosl22+l32-(l4-l1)2/2l2 l3,B2C2Darccosl22+l32-(l4+l1)2/2l2 l3,若B1C1D90,则,若B2C2D90,则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,曲柄滑块机构,主动曲柄处在与滑块移动方向两次垂直位置之一时,出现最小传动角。,曲柄为主动件，曲柄滑块机构最小传动角在哪？,滑块为主动件，曲柄滑块机构最小传动角在哪？,对于导杆机构，曲柄为主动件时传动角为（）滑块对导杆的作用力方向始终垂直于导杆，其传动角恒为90
15、度。,设计：潘存云,设计：潘存云,机构的死点位置,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：,“死点”,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。,摆动导杆机构死点位置？,偏置曲柄滑块机构死点位置？,对心曲柄滑块机构死点位置？,对心曲柄滑块机构，滑块为主动件时，死点位于曲柄与连杆两次共线位置偏置曲柄滑块机构，滑块为主动件时，死点位于曲柄与连杆两次共线位置摆动导杆机构，导杆为主动件时，死点位于导杆与曲柄两次垂直位置,
16、极位与死点是机构的同一位置，原动件不同。,死点位置指从动件的传动角等于零，压力角等于90度时机构所处的位置。机构处于死点位置，驱动从动件的有效回转力矩为零，此时机构不能运动在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件，曲柄与连杆两次共线时，从动件曲柄的传动角为零，机构此时处于死点位置。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄AB为主动件，曲柄与连杆两次共线时，摇杆处于两极限位置称返回位置。极位与死点是机构的同一位置，原动件不同。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄AB为主动件，曲柄与机架两次共线位置时，出现最小传动角。,机构处于极位位置，由于从动件速度接近零，所以可以获得较大的增力效果。例：p121拉铆机,四、铰链四杆机构的连杆
17、曲线,应用：摄影机抓片机构,连杆曲线尖点处瞬时速度为零,应用：步行机器人腿部机构,有的连杆曲线具有对称性,对称连杆曲线具有一段非常近似圆弧或直线的线段,双摇杆机构的连杆曲线常应用于生成近似直线,应用：p123,五、铰链四杆机构的运动连续性,铰链四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个位置的问题。可行域、不可行域、错位不连续:从动件不能在两个不连通的可行域内连续运动。错序不连续:原动件按同一方向转动时，连杆不能按顺序通过给定的各个位置。在设计四杆机构时，必须检查所设计机构是否满足运动连续性要求。,例8.1 p124,84 平面四杆机构的设计,一、连杆机构设计的基本问题
18、,机构选型根据给定的运动要求选择机 构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长度 尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,设计：潘存云,三种设计要求：,1)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,设计：潘存云,设计：潘存云,飞机起落架,三种设计要求：,2)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、仪表。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,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
19、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,三种设计要求：,3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法,二、作图法设计四杆机构,1、按连杆预定位置设计四杆机构,1）已知活动铰链中心的位置,2）已知固定铰链中心的位置,例8.2 p127,设计：潘存云,1、按连杆预定位置设计四杆机构,1）已知活动铰链中心的位置(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
20、定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，可得无穷多组解。一般还应该考虑其它辅助条件，例如，满足合理的结构要求，使机械在运转中的最小传动角最大，等等。,2）已知固定铰链中心的位置设计活动铰链位置机构倒置:设改取四杆机构的连杆为机架，则原机构中的固定铰链A、D将变为活动铰链，而活动铰链B、C将变为固定铰链。这样，就将已知固定铰链中心的位置设计四杆机构的问题转化成了已知活动铰链中心的位置设计四杆机构的问题。,(a).已知两个连杆位置，找活动铰链位置,(b).已知三个连杆位置，找活动铰链位置,已知:固定铰链中心A、D的位置，及在运动过程中连杆BC占据的两个位
21、置确定：两活动铰链中心BC的位置。,已知:固定铰链中心A、D的位置，及在运动过程中连杆BC占据的三个位置确定：两活动铰链中心BC的位置。p127图8-48,例8.2,二、作图法设计四杆机构,1、按连杆预定位置设计四杆机构,1）已知活动铰链中心的位置,2）已知固定铰链中心的位置,2、按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,3)、按两连架杆多对对应角位移设计,2)、按两连架杆三对对应角位移设计,1)、按两连架杆两对对应角位移设计,2、按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,已知：四杆机构机架长度d，原动件和从动件沿某方向依次转过对应的角度设计此四杆机构。方法：机构倒置：若改取连架杆CD为机架，则构件A
22、B变为连杆，在此情况下，只要找出新连杆AB相对新机架CD运动时的活动铰链A、B的位置，应用已知连杆的预定位置设计四杆机构的方法求解即可。,1).按连架杆两预定的对应位置设计,2).按两连架杆三个对应位置设计四杆机构例:下图所示铰链四杆机构，已知机架长度d，该四杆机构的两连架杆应满足的三组对应位置为,机构倒置方法:取CD为机架,则AB为连杆,找出活动铰链B的位置,则应用“由活动铰链位置求固定铰链位置”的方法。P221图8-48选取固定铰链中心A、D的位置适当选取原动件AB的长度，任取第一位置AB1，再取AB2、AB3机构倒置方法:取C1D为机架。连接B2D、B3D，且绕D转、，得到B2、B3 做
23、B2B3、B1B2垂直平分线，交点C1则AB1C1D为所求四杆机构,3)、按两连架杆多对对应位置设计,设计：潘存云,设计：潘存云,3、按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,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。,按预定的运动轨迹设计四杆机构,设计：潘存云,连杆曲线图谱,4、按给定的急回要求设计四杆机构,1)曲柄摇杆机构,O,2,A C2=l2-l1,A C1=l1+l2,设计：潘存云,1)曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长
24、，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,讨论：由于A点可在C1PC2的外接圆周的弧C1PC2上任意选取，所以，若仅按行程速度变化系数K来设计，可以得到无穷多组解。因此，在未给出其它附加条件的情况下，如欲获得良好的传动质量，可按照传动角最优或其它辅助条
25、件来确定A点的位置。,2)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,O,2,A C2=l2-l1,A C1=l1+l2,设计：潘存云,2)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 C2H,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 C2EC2/2,3)导杆机构,已知：机架长度d，K，设计此机构。,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。,
26、=,设计：潘存云,设计：潘存云,3)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。,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。,三、解析法设计四杆机构,四、四杆机构的优化设计,1、解析法按预定连杆位置设计四杆机构,2、解析法按预定运动轨迹设计四杆机构,3、解析法按预定运动规律设计四杆机构,(1)、按预定两连架杆对应位置设计四杆机构,(2)、按期望函数设计四杆机构,(3)、按急回运动要求设计四杆机构,85 多杆机构,二、多杆机构的类型,一、多杆机构的功用,本章重点：,1.四杆机构的基本形式、演化及应用；,2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速度变化系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.掌握按连杆二组位置、三组位置、连架杆三组对应位置、行程速度变化系数设计四杆机构的原理与方法。,
