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1、 7-1 连杆机构及其特点 7-2 平面连杆机构的类型及应用 7-3 平面连杆机构的基本知识 7-4 平面四杆机构的设计 7-5 多杆机构,第七章 平面连杆机构及其设计,工程常用机构之一。,由若干构件通过低副连接组成的平面机构（又称低副机构）。,定义：,7-1 连杆机构及其特点,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：由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；由于惯性力不好平衡而不适
2、于高速传动；设计方法比较复杂。,7-1 连杆机构及其特点,四杆机构：由四个构件组成的平面连杆机构。结构最简单，应用最广泛。是多杆机构的基础。,本章重点：,四杆机构的基本类型、特性及常用设计方法。,7-1 连杆机构及其特点,六杆机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,平面四杆机构,铰链四杆机构,含移动副的四杆机构,全部用转动副组成的平面四杆机构。,铰链四杆机构的演化机构。,机架,连架杆,连杆,构件2,构件1、3,构件4,曲柄：整周回转，如构件1,摇杆：仅在某一角度内往复摆动，如构件3,整转副摆转副,以转动副相连的两构件能作整周相对转动的转动副。如A、B。,以转动副相连的两构件不能作整周相对转
3、动的转动副。如C、D。,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,铰链四杆机构的分类：,曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构,1、曲柄摇杆机构,定义：铰链四杆机构中，两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。,实例：,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,颚式破碎机,曲柄摇杆机构应用实例,搅面机,曲柄摇杆机构应用实例,卫星接收装置,曲柄摇杆机构应用实例,缝纫机脚踏板机构,曲柄摇杆机构应用实例,自行车,曲柄摇杆机构应用实例,跑步机,曲柄摇杆机构应用实例,自动送料机构,曲柄摇杆机构应用实例,一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。,运动特点：,磨轮机,压道机,脱粒机,72 平面四杆机
4、构的基本类型及其应用,2、双曲柄机构,定义：,铰链四杆机构中，两个连架杆均为曲柄。,特点：,当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般作不等速转动。,实例：惯性筛,1等速整周转动；3变速整周转动；5变速往复移动筛分物料。(惯性力产生冲击和振动),72 平面四杆机构的基本类型及其应用,特殊情况：,平行四边形机构,特点：,主、从动曲柄以相同角速度转动，连杆平动。,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,位置不确定问题,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,平行四边形机构：,如何消除：,1、惯性飞轮 2、加虚约束 3、靠自重,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,3、双摇杆机构,定义：,铰链四杆机构中，两
5、个连架杆均为摇杆。,实例：起重机、飞机起落架、摇头电扇,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,特殊情况：,等腰梯形机构（两摇杆长相等）,实例：汽车车轮的转向机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,平面四杆机构的演化：,曲柄摇杆机构,其它平面连杆机构,演化,（母机构）,创新性思维的体现,演化方法如下：,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,1.转动副变成移动副,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,偏距,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,正弦机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,72 平面四杆机构的基本类型及
6、其应用,2.取不同的构件为机架,1.转动副变成移动副,低副运动可逆性-以低副相连接的两构件间的相对运动关系，不因机架的不同而改变。,曲柄滑块机构的演化变更机架,曲柄滑块机构,转动导杆机构,摆动导杆机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,曲柄摇块机构,移动导杆机构,含一个移动副的连杆机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,双滑块机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,椭圆仪,滑块联轴器,3、扩大转动副尺寸,偏心轮机构,应用：当曲柄长很短，曲柄销需承受较大冲击而工作行程小时。增大轴颈尺寸，提高偏心轴的强度和刚度。广泛用于传力较大的剪床、冲床等机械中。,72 平面四杆机构的基本类型及其应
7、用,3、扩大转动副尺寸,偏心轮机构,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,采用多杆机构传递运动和动力。1）用于改变动力源性质。2）用于扩大行程。3）用于改变运动和动力特性。4）使机构受力平衡或均匀。,72 平面四杆机构的基本类型及其应用,73 平面四杆机构的基本知识,1、铰链四杆机构中有整转副及曲柄的条件,2、急回运动,3、死点位置,4、压力角与传动角,曲柄摇杆机构,主要内容:,包括运动特性和动力特性两方面。既反映机构传递和变换运动与力的性能，也是四杆机构类型选择和运动设计的依据。,73 平面四杆机构的基本知识,回顾何为整转副?,两构件能相对转动360的转
8、动副。,为何要分析整转副？,具有整转副的铰链四杆机构才可能有曲柄。而机构原动件曲柄居多。,以有整转副存在的曲柄摇杆机构为例分析整转副存在的条件。,整转副是否存在，取决于什么？,一、铰链四杆机构有整转副的条件,73 平面四杆机构的基本知识,AC1D中：,l1l2l3l4（1）,AC2D中：,l2l1l3l4,l2l1l4 l3,l1l4 l2l3（2）,l1l3 l4l2（3）,两两相加得:,l1 l2，l1 l3，l1 l4,曲柄1l1；连杆2l2连架杆3l3；机架4l4,曲柄摇杆机构,73 平面四杆机构的基本知识,整转副存在条件：,最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长之和。,问题：满足上述
9、条件(有整转副存在)，是否一定有曲柄存在?,答案：否！只有整转副处于机架上，才形成曲柄。,整转副是由最短杆与其邻边组成的。（推论）,最短杆必须作为连架杆或机架,73 平面四杆机构的基本知识,1、选取最短杆两邻边为机架，得两不同的曲柄摇杆机构。,2、选取最短杆为机架，得双曲柄机构。,3、若选最短杆对面杆为机架，则为双摇杆机构。,当满足整转副条件时：,机构无曲柄，为双摇杆机构。,当不满足整转副条件时：,两种不同类型,73 平面四杆机构的基本知识,二、急回运动,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。,极位夹角:此两处曲柄之间的夹角。,73 平面四杆机构的基本知识,二、
10、急回运动,当曲柄以逆时针转过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：,180,正行程:,73 平面四杆机构的基本知识,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,有：,180-,显然：t1 t2 V2 V1,摇杆的这种特性称为急回运动。,反行程:,73 平面四杆机构的基本知识,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:,用什么衡量急回程度的多少？,行程速比系数K,73 平面四杆机构的基本知识,问题：对心曲柄滑块机构，有没有急回运动？,偏置曲柄滑块机构0，有急
11、回运动,73 平面四杆机构的基本知识,机构急回的作用：节省空回时间，提高工作效率。注意：急回具有方向性,摆动导杆机构,73 平面四杆机构的基本知识,三.压力角和传动角,压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角,记作。,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,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(便于测量).,90,传动角是变化的。,73 平面四杆机构的基本知识,为保证机构具有良好的传动性能，设计时：,min40(一般机械)min50(大功率机械)min略40(小功率控制机构或仪表),73 平面四杆机构的基本知识,min出现的位置
12、：,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,73 平面四杆机构的基本知识,当 BCD 90时，BCD,当BCD最小或最大时，即在主动曲柄与机架共线的位置，都有可能出现min,min出现的位置：,73 平面四杆机构的基本知识,曲柄滑块机构：当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。,摆动导杆机构：由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。,总结：传动角大小与各杆长有关，可按给给定的许用传动角统筹各种性能指标，设计四杆机构。,73 平面四杆机构的基本知识,四.机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共
13、线时，有：,此时机构不能运动.,称此位置为：,“死点”,0,0,0,73 平面四杆机构的基本知识,如何消除死点的不良影响？,1、对从动曲柄加外力；2、安装飞轮，加大从动件的惯性力；3、靠构件自身的惯性力。,如:两组机构错开排列，如火车轮机构;,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,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。,第七章 平面连杆机构及其设计,74 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 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
14、理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,飞机起落架,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。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数 y=logx,74 平面四杆机构的设计,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。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,74 平面四杆机构的设计,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
15、。,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。,74 平面四杆机构的设计,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置等）,2)运动条件（给定K等）,3)动力条件（给定min等）,设计方法：图解法、解析法、实验法,直观性强、简单易行。连杆机构设计的一种基本方法。设计精度低，不同的设计要求，图解的方法各异。对于较复杂的设计要求，图解法很难解决。,精度较高，但计算量大，目前由于计算机及数值计算方法的迅速发展，解析法已得到广泛应用。,通常用于设计运动要求比较复杂的连杆机构，或者用于对机构进行初步设计。,设计时选用哪种方法，应视具体情况来
16、决定。,74 平面四杆机构的设计,一、按预定连杆位置设计四杆机构,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)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,74 平面四杆机构的设计,图解法：实现连架杆转角的对应关系,已知：LAD，LAB，三组对应转角，,摇杆、连杆未知,设计思路：相对法,设计关键：寻找连杆BC上活动铰链C的位置。,二、给定连架杆对应位置设计四杆机构,C?,74 平面四杆机构的设计,寻找活动铰链C,找到B相对C的转动轨迹,方法：变DE为机架，则AB成为连杆，转化为已知连杆位置的设计。,变更机架，站在构件
17、3上，即假设构件3为机架，则2、4为连架杆，1为连杆相对运动关系不变。,74 平面四杆机构的设计,注：若给定两连架杆转角的三组对应关系，有确定解；若给定两组对应关系，则其解无穷多。,74 平面四杆机构的设计,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 cos+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,解析法：实现连架杆转角的对应关系,74 平面四杆机构的设
18、计,带入移项得：l2 cos=l4 l3 cos cos,则化简为：cosP0 cos P1 cos()P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2 sin=l3 sin sin,cos1P0 cos1 P1 cos(1 1)P2,cos2P0 cos2 P1 cos(2 2)P2,cos3P0 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。,74 平面四杆机构的设计,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,带入方程得：,cos90=P0cos8
19、0+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=1.553,74 平面四杆机构的设计,三、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,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：
20、,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,B1,B2,74 平面四杆机构的设计,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。,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
21、度d，K，设计此机构。,74 平面四杆机构的设计,3)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 C2 H,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 C2EC2/2,74 平面四杆机构的设计,实验法设计四杆机构,当给定连架杆位置超过三对时，一般不可能有精确解。只能用优化或试凑的方法获得近似解。,1)首先在一张纸上取固定轴A的位置，作原动件角位移i,位置 i i 位置 i
22、i 12 15 10.8 45 15 15.823 15 12.5 56 15 17.534 15 14.2 67 15 19.2,2)任意取原动件长度AB,3)任意取连杆长度BC，作一系列圆弧;,4)在一张透明纸上取固定轴D，作角位移i,5)取一系列从动件长度作同心圆弧。,6)两图叠加，移动透明 纸，使ki落在同一圆 弧上。,74 平面四杆机构的设计,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,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。,74 平面四杆机构的设计,搅拌机构,74
23、平面四杆机构的设计,以铰链四杆机构为例，据连杆AB上一点M的轨迹设计所需参数。,M（x，y),待求参数为九个,方程数超过待求参数数目时，优化求解。,74 平面四杆机构的设计,74 平面四杆机构的设计,74 平面四杆机构的设计,综述：不论是按预定位置或按预定轨迹来设计四杆机构，由于待求参数有限，只在与机构待求参数数目相等的给定位置、或给定点上能准确实现预定位置或预定轨迹要求。即实际的函数曲线与预定的函数曲线在这些位置或点上偏差为零。在其它位置或点上偏差不为零。,实际函数曲线,理论函数曲线,交点处(y=0)准确实现给定运动；其它点处(y0)近似实现。,优化设计发挥最大效益，节能、节耗、减少体积。,74 平面四杆机构的设计,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：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.具备初步的连杆设计能力,
