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1、机械设计基础,信息管理与信息系统-工业工程,Fundamentals of Machine Design,第3章 平面连杆机构,预热：什么是平面连杆机构？特点及研究内容是什么？,定义:全由低副（转动副、移动副）构成的平面机构称为平面连杆机构 特点：面接触，承载能力强，耐磨损；易于制造和获得较高的制造精度；能实现多种运动规律。缺点：效率低；累计运动误差较大；高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。内容：类型、应用及其特性，平面四杆机构的设计,3.1 平面四杆机构的类型及其应用,一、基本概念,1、铰链四杆机构：全部用转动副相连的平面四杆机构。它是平面四杆机构的基本型式，其它型式的四杆机构可看作是在
2、它的基础上通过演化而成的。,2、机架：机构的固定构件，如杆4。3、连杆：不直接与机架连接的构件，如杆2。4、连架杆：与机架用转动副相连接的构件，如杆1、3。连架杆可分为：5、曲柄：能绕机架作整周转动的连架杆，如杆1；6、摇杆：只能绕机架作小于360的某一角度摆动的 连架杆，如3。,2,3,1,4,二、铰链四杆机构的基本形式,在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动，可将铰链四杆机构分为：,铰链四杆机构,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,1.曲柄摇杆机构,两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。,曲柄1为主动件时，可以实现由曲柄1的整周回转运动到摇杆3往复摆动的运动转换。摇杆3为主动件时，则可以
3、将摇杆3的摆动转换为曲柄1的整周回转运动。,雷达天线俯仰机构 缝纫机的踏板机构搅拌器中搅拌机构,应用举例,雷达天线俯仰机构(回转运动摆动),缝纫机踏板机构(摆动回转运动),搅拌器中搅拌机构(实现所需运动轨迹),2.双曲柄机构,2.双曲柄机构,当主动曲柄作匀速转动时,从动曲柄作周期性的变速运动,以满足机器的工作要求。,惯性筛 机车驱动轮联动机构摄影车座斗升降机构,应用举例,两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。,惯性筛,惯性筛,特例,平行双曲柄机构：双曲柄机构中，组成四边形的对边长度分别相等，。当两曲柄转向相同时，它们的角速度时时相等，连杆始终与机架平行，四根杆形成一平行四边形，可得到
4、正平行四边形机构。另：反平行四边形机构。,正平行四边形机构,蒸汽机车的车轮联动机构,反平行四边形机构,车门启闭机构,机车驱动轮联动机构,摄影车座斗升降机构,3.双摇杆机构,3.双摇杆机构,港口起重机 飞机起落架可逆式座椅电风扇摇头机构轮式车辆转向机构,应用举例,两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。,港口起重机,港口起重机,港口起重机,飞机起落架,飞机起落架,飞机起落架,可逆式座椅,轮式车辆转向机构（等腰梯形机构）,三、铰链四杆机构类型的判别,若最短构件为连架杆，则该机构一定是曲柄摇杆机构。,若最短构件为机架，则该机构一定是双曲柄机构。,若最短构件为连杆，则该机构一定是双摇杆机构。,
5、在 中,在 中,整理得,将式、中的三个不等式两两相加，化简后得,3.2 铰链四杆机构曲柄存在条件,若不满足？该机构只能是双摇杆机构。,曲柄存在条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；连架杆与机架中必有一杆为最短杆。,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,Y,判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构,铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长其余三杆长度之和。,推论：如果四杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，此时不论取哪个构件为机架，机构均为双摇杆机构；如果四个构件的长度满足杆长之
6、和条件，则最短杆所联接的两个转动副均为整转副，另两个转动副均为摆动副。此时若取最短杆为机架，则得双曲柄机构；而取最短杆的任一相邻杆为机架，则得曲柄摇杆机构；又若取最短杆的相对杆为机架，则得双摇杆机构。如果四杆中有两个构件长度相等且均为最短，若另两杆长度不相等，则不存在整转副；若两杆长度也相等，则两最短杆相邻时，有三个整转副，当两最短杆相对时，有四个整转副。,取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式,曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,1.根据图中注明的尺寸判断各铰链四杆机构的类型,计算实例,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双摇杆机构,3.3 铰链四杆机构的传动特性,一、急回特
7、性和行程速比系数,如图所示曲柄摇杆机构，原动件曲柄1在转动一周的过程中，有两次与连杆2共线（即AB1C1，AB2C2）；此时摇杆3分别处于C1D和C2D两个极限位置，摇杆在两个极限位置间的夹角称为摇杆的最大摆角；曲柄与连杆两共线位置间所夹的锐角，称为极位夹角。,摆角,C1,C2,D,A,B1,B2,B,12,t1t2,v2=C1C2/t2,1=180+,v1=C1C2/t1,曲柄转角,2=180-,铰链C的平均速度：,v1v2,表明摇杆具有急回运动特性。,慢行程,快行程,=,K=,v2/v1,（C2C1/t2）/（C1C2/t1）,t1/t2,1/2,（180+）/（180-）,=,=,=,曲
8、柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用V2和V1的比值K来衡量，称为行程速比系数。,，急回程度。=0时，=1时，机构无急回运动。,若在设计机构时先给定K值，则:,在生产实际中，常利用机构的急回运动来缩短非生产时间，提高生产率，如牛头刨床、往复式运输机等。,二、压力角和传动角,压力角愈小，机构的传力效果愈好。所以，衡量机构传力性能，可用压力角作为标志。,压力角：从动件受力方向与受力点线速度方向之间所夹的锐角。,传动角:压力角的余角即连杆与从动件间所夹的锐角。,Ft,在连杆机构中，为度量方便，常用压力角的余角即连杆与从动件间
9、所夹的锐角(传动角)检验机构的传力性能。,传动角愈大，机构的传力性能愈好，反之则不利于机构中力的传递。机构运转过程中，传动角是变化的，机构出现最小传动角的位置正好是传力效果最差的位置，也是检验其传力性能的关键位置。,设计要求：,在ABD和BCD中，分别有,式中，。,联立求解得,如何确定铰链四杆机构的最小传动角？,min 可能发生在主动曲柄与机架两次共线（AB，AB）的位置之一处，即 处。,曲柄摇杆机构，以曲柄为原动件时，其最小传动角发生在曲柄与机架两次共线位置之一。,三、死点位置,死点的概念 在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，当连杆与从动曲柄共线时，机构的传动角0，此时主动件CD 通过连杆作
10、用于从动曲柄AB上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件AB转动的顶死现象，机构的这种位置称为死点位置或死点。,B,F,D,A,B,C,F,死点的缺陷 对于传动机构，存在死点位置是一个缺陷，常采用下列措施使机构顺利通过死点位置：利用系统的惯性；利用特殊机构。,利用惯性,利用机构错位排列,死点,死点的利用 在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、飞机起落架等。,具夹速快,飞机起落架,3.4 铰链四杆机构的演化,通过用移动副取代转动副、变更杆件长度，变更机架和扩大转动副等途径，可得到铰链四杆机构的其它演化形式。,曲柄滑块机构：改变构件的形状和运动副,导杆机构：选用不同的构件为机架
11、,摇块机构和定块机构：选用不同的构件为机架,双滑块机构：改变构件的形状和运动副,偏心轮机构：扩大转动副,一、曲柄滑块机构,摇杆长,转动副D,直线,滑块,摇杆3,移动副,改变构件的形状和运动尺寸,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,对心曲柄滑块机构,e称为偏距,e0，偏置曲柄滑块机构e=0，对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,运动特性,实例,实例,曲柄滑块演化,杆4称为导杆,4,滑块3沿导杆移动并绕C点转动,当l1l2，杆2、杆4能作整周转动，称为转动导杆机构。,二、导杆机构,当l1l2，杆2能作整周转动，杆4只能往复摆动，称为摆动导杆机构。,选用不同的构件为机
12、架,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,运动特性,实例,实例,三、摇块机构和定块机构,摆动滑块机构,自卸卡车车箱的举升机构,选用不同的构件为机架,运动特性,实例,实例,固定滑块机构或定块机构,手动抽水机,实例,四、双滑块机构,双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构。,正切机构,正弦机构,改变构件的形状和运动副,实例,五、偏心轮机构,杆1变为圆盘，其几何中心为B，运动时，圆盘绕偏心A转动，故称为偏心轮。A、B之间的距离称为偏心距e，即为曲柄的长度。,1,2,3,4,扩大转动副,（a）等效曲柄滑块机构（b）曲柄滑块机构（c）等效曲柄摇杆机构（d)曲柄摇杆机构,(a)曲柄滑块机构;(b)转动导杆机
13、构;（c)摆动导杆滑块机构(摇块机构）;(d)移动导杆机构（定块机构）,3.5 平面四杆机构的设计,设计目标根据给定的几何条件、运动条件，确定机构的运动尺寸。按给定的行程速比系数设计四杆机构；按给定的连杆位置设计四杆机构。设计方法 图解法、实验法和解析法等。,曲柄摇杆机构,设计具有急回特性的四杆机构，关键是要抓住机构处于极限位置时的几何关系，必要时还应考虑其他辅助条件。,已知条件：行程速比系数K、摇杆的 长度lCD和摇杆的摆角,一、按给定的行程速比系数设计四杆机构,1）计算极位夹角 2）任选固定铰D的位置，并作出摇杆两极限位置C1D和C2D，夹角为。3）连接C1C2，作C1C2O=C2C1O=
14、90-，得交点O，以O为圆心，OC1为半径作圆。4）在圆上任取一点A为固定铰。5）连接AC1、AC2，则AC1、AC2分别为曲柄与连杆重迭拉直共线位置，即：AC1=BC-AB AC2=BC+AB 可分别求得AB与BC,D,C2,C1,90-,A,B1,B2,O,90-,计算实例,已知摇杆长度L=100，摆角=50和行程速比系数k=1.4，试设计曲柄摇杆机构。,解：,由给定的行程速比系数求出极位夹角:,D,C2,C1,90-,A,以A为圆心，AC1为半径作圆弧交AC2与E，平分EC2得曲柄长度lAB。再以A为圆心，lAB为半径作圆，交C1A的延长线和C2A于B1和B2，连杆长度lBC=lB1C1
15、=lB2C2,E,B1,B2,二、按给定的连杆位置设计四杆机构,分析：根据设计要求，铰链四杆机构在运动过程中，其连杆必须能依次通过预定位置、，。显然，此类机构设计的实质就是确定两固定铰链A、D点的位置。由铰链四杆机构运动可知，连杆上B、C两点的运动轨迹分别是以A、D两点为圆心的圆或圆弧，而连杆相邻位置对应点的连线B1B2、B2B3、C1C2、C2C3分别为对应圆或圆弧上的弦长。所以，A、D两点必然分别位于上述对应弦长的垂直平分线上。这样，此类连杆机构的设计就变得比较简单了。,给定连杆两个位置设计四杆机构,设计步骤：根据已知条件，选取适当的比例尺l，绘出连杆的两个位置；连接，并分别作它们的垂直平
16、分线；在 和 上分别任取两点A、D（一般也可根据其它辅助条件选取）；连接AB1C1D 即为所求四杆机构的一个位置。注意：在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，由于A、D两点可 在b12和c12上任意选取，因此可得无穷多组解。一般还应该考虑其他辅助条件，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。,如果给定连杆三个、四个或五个位置呢？,已知B1C1、B2C2、B3C3为连杆所要到达的三个位置，要求设计该四杆机构。根据已知条件，活动铰链B、C两点的相对位置已定，所以，设计此四杆机构的实质仍然是要求出两固定铰链点A、D的位置。由于连杆上的铰链中心B和C的轨迹分别为一圆弧而同时通过三点要求B1、B2、B3和C1、C2、C3的圆分别只有一个。所以，连架杆的固定铰链中心A和D只有一个确定的解。即B1B2和B2B3的垂直平分线b12和b23的交点为A以及C1C2和C2C3的垂直平分线c12和c23的交点为D。连AB1C1D即为所求的四杆机构在第一个瞬时位置的机构运动简图。,给定连杆三个位置设计四杆机构,
