1、机电工程学院,机 械 原 理,2,第八章 连杆机构的及其设计,81 连杆机构及其传动特点,82 平面四杆机构的类型和应用,83 平面四杆机构的基本知识,84 平面四杆机构的设计,内容提要,3,1.应用实例,81 连杆机构及其传动特点,内燃机、搅拌机、输送机、椭圆仪、机械手爪、牛头刨床、开窗、车门、机器人、折叠伞等。,2. 定义（连杆机构或称低副机构） 由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。特征是：,有一作平面运动的构件，称为连杆.,4,3. 分类： 分为空间连杆机构和平面连杆机构,平面连杆机构,5,空间连杆机构,6,4. 连杆机构的特点（优缺点） 优点： 1）采用低副：面接触、承载大、便于润
2、滑、不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,3）连杆曲线丰富。可满足不同要求。,缺点：1）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。,2）产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。,3）设计复杂，难以实现精确的轨迹。,7,基本型式铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。,名词解释：曲柄(crank)作整周定轴回转的构件；,连杆(coupler)作平面运动的构件；,连架杆(side link)与机架相联的构件；,摇杆(rocker)作定轴摆动的构件；,周转副能作360 相对回转的运动副；,摆转副只能作有限角度摆动的运动副。
3、,曲柄,连杆,摇杆,82 平面四杆机构的类型和应用,1. 平面四杆机构的基本型式,8,有三种基本型式：,（1）曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism),特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的整周连续回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线.输送机 拉胶片,9,雷达天线俯仰机构曲柄主动,缝纫机踏板机构,10,11,（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。,应用实例：如火车轮、 惯性筛等。,12,旋转式叶片泵,13,14,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， 连杆作平动且始终与机架平行，两曲柄以相同速度 同向转动。,摄影平台,天平
4、,播种机料斗机构,15,返回,16,反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行。,-车门开闭机构,注：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。,火车轮,17,（3）双摇杆机构(double crock mechanism),特征：两个摇杆,应用举例：铸造翻箱机构,风扇、起重机 炉门 炉门1起落架 夹紧机构,18,19,20,21,22,23,特例：等腰梯形机构汽车转向机构,24,(1) 改变构件的形状和运动尺寸,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(slider-crank mechanism),双滑块机构,正弦机构,=l s
5、in ,2.平面四杆机构的演化型式,25,(2)改变运动副的尺寸（偏心轮机构）,26,(3)选不同的构件为机架（情况1）,（导杆4作摆动）,（导杆4作转动）,27,摆动（对心）导杆机构,转动（回转）导杆机构,28,牛头刨床(摆动导杆机构),应用实例:,29,30,(3)选不同的构件为机架（情况二）,31,(3)选不同的构件为机架（情况三）,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,32,平面四杆机构具有周转副可能存在曲柄。,b(d a)+ c,则由BCD可得：,则由B”C”D可得：,a+d b + c,c(d a)+ b,AB为最短杆, a+b c + d,
6、83 平面四杆机构的基本知识,1.平面四杆机构有曲柄的条件,d- a,设ad，同理有： da, db, dc,AD为最短杆,将以上三式两两相加得： a b, ac, ad,33,（2）最短杆为连架杆或机架 (即组成该周转副的两杆之一）,可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。,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。,34,曲柄摇杆机构运动特点的观察,特点：曲柄与连杆出现一次共线、一次重合,(avi),35,特点：1. 摇杆与连杆均未出现重合(或共线)现象；
7、2. 固定铰链均为整周回转铰链；连杆上两活动铰链均为非整周回转铰链。,双曲柄机构运动特点的观察,(avi),36,双摇杆机构运动特点的观察,满足杆长条件,37,不满足杆长条件,38,（1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。 a：以最短杆的相邻杆为机架为曲柄摇杆机构 b：以最短杆为机架为双曲柄机构 c：以最短杆的相对杆为机架为双摇杆机构,分析说明（判断机构类型的步骤）,最短杆为连架杆,最短杆为机架,最短杆为连杆,39,双曲柄,曲柄摇杆,双摇杆,铰链四杆运动链,40,（2）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。,41,推
8、广到曲柄滑块机构 a. 对心式,a + LAD b + LCD,a b,b. 偏置式,a + LAD b + LCD而：LAD = LCD + e,所以：a + e b,42,(2) 推广到导杆机构,若两连架杆均整周回转，则机架应最短，而LAD = LCD ，所以有: a b时，摆动导杆机构。,(avi),43,例题：如图1所示的四杆机构中，各构件的长度分别为BC=60mm, CD=30mm, AD=40mm, 问：通过调整AB杆的长度，能否得到双曲柄机构？为什么？,通过调整AB杆的长度，不能得到双曲柄机构.这是因为四杆机构在满足有整转副存在的条件下，必须以最短杆为机架，才能得到双曲柄机构。
9、而在本题中ADCD， 故无论AB如何变化，均不能得到双曲柄机构。,44,例2：判断图示两个铰链四杆机构的类型,解：对图(a)，有： 30 + 70 40 + 55 该机构为双摇杆机构。 对图(b)，有： 20 + 80 t2 V2 V1,急回特性一般意义：在曲柄等速回转的情况下，从动件往复运动速度并不相等，这种现象称为机构的急回特性。,B2,50,K为行程速比系数,2)且越大，K值越大，急回性质越明显。,说明:1)只要 0 ， 就有 K1，存在急回运动。K的取值范围：1K90时，,180- BCD,可以证明：min出现的位置是曲柄与机架两次共线位置之一。,当BCD最小或最大时，都有可能出现mi
10、n,(Vc),56,证明：由余弦定律有： (第一次共线) B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/(2bc) (8-7a),B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/(2bc),若B1C1D90,则,若B2C2D90, 则,1B1C1D,2180-B2C2D (8-7b),minB1C1D, 180-B2C2Dmin,(第二次共线),57,推广曲柄滑块机构最小传动角的确定:曲柄与滑块导路垂直的两位置之一。,导杆机构最小传动角的确定,结论：导杆机构传动角衡等于90 ，即压力角a恒等于0 。,58,4.机构的死点位置,(1)定义 摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不
11、能运动.,称此位置为：,“死点”,0,0,0,59,2). 死点位置的确定 在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合时，机构处于死点位置。 曲柄摇杆机构中曲柄为主动件时,结论：无死点位置存在,60, 曲柄摇杆机构中摇杆为主动件时,结论：当a= 90(=0)时，即连杆与曲柄出现共线和重合时，机构出现死点位置。,61, 双曲柄机构和双摇杆机构,结论：双曲柄机构无论哪个曲柄做原动件，都无死点位置存在；双摇杆机构无论哪个摇杆做原动件，都有死点位置存在；,(avi),62,63,机构是否出现死点的判断： 若原动件作往复运动，则一定会出现死点位置；其处于连杆与从动件共线和重合之处。,导杆机构（曲柄为主动件）,
12、导杆机构（摇杆为主动件）,FB1,64,3)避免措施： 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）。,65,钻孔夹具,飞机起落架,4)利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,66,极位与死点的异同： 相同点：都是机构中曲柄和连杆共线的位置，不同之处：在于极点出现在曲柄为原动件时，而死点出现在以摇杆为原动件，曲柄为从动件时。,67,例题1. 在图示铰链四杆机构中，各杆长度分别为,=28mm，,=52mm，,=50mm，,=72m (1) 若取,为机架，求该机构的极位夹角,，杆,的最大摆角,和最小传动角,(2) 若取,为机架，该机构将演化成何种类型的机构?为什么?请说明
13、这时 C 、D,两个转动副是周转副还是摆转副?,常见题型：,68,69,70,84 平面四杆机构的设计,一、 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。,1. 基本问题,71,飞机起落架,2. 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,72,2) 满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱
14、机构。即要求连杆能占据一系列的预定位置称为刚体导引问题(body guidance),要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,3) 满足预定的轨迹要求，即要求连杆上某点能实现预定的轨迹。如右图所示搅拌机。,搅拌机,73,3. 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）,4. 设计方法：图解法、解析法、实验法,74,二、用图解法设计四杆机构1. 按连杆预定位置设计四杆机构,观察分析: 炉门不可能是连架杆，只能是连杆 只对此两位置的准确性有要求,炉门,炉膛, 所要解决的问题是寻找A、B、C、D，即各杆杆长根据所给定条件的不同，
15、有两种情况：a. 已知连杆位置及活动铰链找固定铰链b. 已知连杆位置及固定铰链找活动铰链,75,按给定的行程速比系数K设计四杆机构（重点）,(1) 曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长为c，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;取l=c/CD,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。(C2AC1=),C2C1P=90,交于P;,选定A，设曲柄为a ，连杆为b ，则:（为方便取l=1）,以A为圆心，AC2为半径作弧交AC1于E,得： a =EC1/ 2 b =AC1EC1/ 2,AC2=b-a,=
16、a =(AC1-AC2)/ 2，b =(AC1+AC2)/ 2,AC1=a+b,说明：显然任取A点有无穷解，FG为劣弧段，A点应远离G（F）点。,76,例2 图示为一用于雷达天线俯仰传动的曲柄摇杆机构。已知天线俯仰的范围为30，lCD=525mm，lAD=800mm。,试求： （1）曲柄和连杆的长度lAB和lBC ； （2）校验传动角是否满足条件 。,提示,雷达天线俯仰转动时不应有急回现象,解,77,（1）由于雷达天线俯仰传动时不应有急回作用，故有：,解,思路与技巧,本题目主要考察对曲柄摇杆机构的极位夹角、急回特性和传动角等基本概念的理解以及根据行程速比系数设计四杆机构的方法。,（2）选取比例
17、尺l1mm/mm，并利用已知条件作图如下：,78,（3）从图上量得：,（4）因此有：,（5）作出可能为最小传动角的两个位置（即曲柄与机架共线的位置），经判断，在曲柄与机架重叠共线时，传动角为最小，且量得：,结论：传动角满足要求,79,3. 已知曲柄摇杆机构摇杆CD的长度lCD=75 mm，机架AD的长度lAD=100 mm，行程速比系数K=1.25，摇杆的右极限位置与机架间的夹角 。（ m/mm）,试求曲柄和连杆的长度lAB、lBC。,解,80,（1）计算极位夹角,解,（2）作图，并计算lAB、lBC,81,(2) 曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构 。即求曲柄长a、连杆长b
18、。,计算: 180(K-1)/(K+1);,作C1C2 H,作射线C2O使C1C2O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，AC2为半径作弧交AC1于E，得：（为方便取l=1） AC1=a+b AC2=b-a 从而得,作射线C1O使C2C1 O=90。,作偏距线e/C1C2 ，交圆弧于A，即为所求。(C2AC1=),a=EC1/ 2,b= AC1EC1/ 2,有唯一解。,84,(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：
19、机架长度d，K，设计此机构。,85,经典综合例题:,例1 在图示偏置曲柄滑块机构中，已知滑块行程为100mm，当滑块处于两个极限位置时，机构压力角分别为30和60。,试计算： 杆长lAB、lBC和偏心距e； 机构的行程速度变化系数K； 机构的最大压力角max。,解,86,解, 由图中的几何关系可知，该机构的极位夹角, 由图中几何关系还可得到,87, 当滑块在行程范围内任意位置时，其压力角可通过下式计算：,显然，除了曲柄转角 之外，其它参数均为常数，所以，当90时，压力角最大，且最大压力角为：,88,3. 已知曲柄摇杆机构摇杆CD的长度lCD=75 mm，机架AD的长度lAD=100 mm，行程
20、速比系数K=1.25，摇杆的右极限位置与机架间的夹角 。（ m/mm）,试求曲柄和连杆的长度lAB、lBC。,解,89,（1）计算极位夹角,解,（2）作图，并计算lAB、lBC,90,2. 如图所示曲柄摇杆机构，已知,试求： （1）摇杆3的最小长度 ； （2）曲柄1等速转动时机构的行程速度变化系数K。,注意：采用 进行计算,解,91,（1）由于lCD不可能是最短杆，根据杆长条件：,解,当lCD不是最长杆时：,当lCD是最长杆时：,所以：,92,（2）设摆杆的左、右极限位置分别为DC1、DC2，则根据图中几何关系，有：,93,3. 已知一曲柄滑块机构的曲柄长度lAB15 mm，偏距e10 mm，连杆的长度lBC =35mm。,试求： （1）画出滑块的极限位置； （2）标出极位夹角及行程H; （3）确定行程速比系数K; （4） 画出最小传动角的位置 并给出角度值。,解,94,（1）滑块的极限位置C1、C2如图所示。,解,（2）标出极位夹角及行程H如图所示。,95,（3）根据图中的几何条件，有：,96,（4） 根据图中的几何关系，任意位置的压力角为：,显然，除了曲柄转角 之外，其它参数均为常数，所以，当90时，压力角最大，且最大压力角为：,
