1、第2章 平面连杆机构,第一节 平面四杆机构的基本类型及其应用 第二节 平面四杆机构的基本特性 第三节 平面四杆机构的设计,机械设计基础,Northwest A&F University,一、平面连杆机构及其特点 二、铰链四杆机构 三、含有一个移动副的四杆机构 四、含有两个移动副的四杆机构 五、具有偏心轮的四杆机构 六、四杆机构的扩展,第一节 平面四杆机构的基本类型及其应用,一、平面连杆机构及其特点,承载能力大,可实现多样化的运动规律,可实现远距离的运动和动力的传递,能实现特殊的运动轨迹,1.平面连杆机构：由若干刚性构件用低副连接而成的平面 机构称为平面连杆机构。 2.传动特点：优点：,缺点：,
2、误差大，机械效率低,惯性力和惯性力矩不易平衡，不适于高速传动,一、平面连杆机构及其特点,3.连杆机构的应用：内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、翻箱机、机械手爪、椭圆仪、开窗、车门、折叠伞、床、牙膏筒拔管机、自行车等。,平面铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的四杆机构 称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。,二、铰链四杆机构,连杆,曲柄,摇杆,连架杆直接与机架相连的构件； 曲柄能做整周回转的连架杆； 连杆不直接与机架相连的构件； 摇杆仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆； 周转副如果以转动副相连的两构件能作整周相对转动，则称此转动副为周转副； 摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,机架
3、,二、铰链四杆机构,对于铰链四杆机构来说，按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本形式：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：在铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄， 另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。例如：缝纫机踏板机构，雷达天线机构。,缝纫机踏板机构,1.定义：两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。 2.按照双曲柄机构的结构特点可分为三类： （1）平行四边形机构：在双曲柄机构中，若两对边杆长度相等且平行，则称为平行四边形机构（平行双曲柄机构）。,传动特点：,主动曲柄和从动曲柄均以相同角速度转动，连杆作平动，应用于升降台。,2、双曲柄机构：,2、
4、双曲柄机构：,存在问题：,运动不确定问题。AB、CD与AD共线。,克服方法：,（1）在从动曲柄CD上加装飞轮，利用惯性维持从动曲柄转向不变； （2）采用两组相同机构错位排列的方法。 例如：机车驱动联动机构。,A,B,C,D,2、双曲柄机构：,（2）逆平行四边形机构：如双曲柄机构中两相对杆的长度分别向等，但不平行，则称其为逆平行（或反平行）四边形机构。,当以其长边为机架时，两曲柄沿相反的方向转动，当以其短边为机架时，其性能与一般双曲柄机构相似。 （3）一般双曲柄机构,车门的开闭机构,3、双摇杆机构：,在铰链四杆机构中，若两连架杆为摇杆，则称为双摇杆机构。,应用举例：,飞机起落架； 铸造翻箱机构；
5、,特 例： 等腰梯形机构汽车前轮转向机构。,1、曲柄滑块机构：（改变构件的形状和运动副尺寸）,1.当3、4 演化成为曲柄滑块机构： 当滑块3的导路中心线通过曲柄1的转动中心时，称为对心曲柄滑块机构； 当滑块3的导路中心线不过曲柄1的转动中心时，称为偏置曲柄滑块机构；,3,三、含有一个移动副的四杆机构,2、导杆机构（取不同构件为机架）：,曲柄滑块机构的演化,2、导杆机构（取不同构件为机架）：,导杆机构有可分为： （1）曲柄转动导杆机构（转动导杆机构）：两连架杆均可相对于机架整周回转。 （2）曲柄摆动导杆机构（摆动导杆机构）：两连架杆中有一个连架杆只能相对于机架做往复摆动。,导杆机构具有下述特点：
6、 导 杆转动； ，导杆摆动。 摆动导杆机构也存在急回特性。 导杆机构的传动角恒等于90，具有很好的传力性能，因此常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。,2、导杆机构（取不同构件为机架）：,3、摇块机构和定块机构：,1）摇块机构：若原连杆为机架时，曲柄滑块机构演化为摆动滑块机构或称摇块机构。 应用：自卸汽车卸料机构。,2）定块机构：若原滑块为机架时，曲柄滑块机构就成为固定滑块机构或成为定块机构。 应用：抽水唧筒、抽油泵。,四、含有两个移动副的四杆机构,1.定义：具有两个移动副的四杆机构称为双滑块机构。,2.按照两个移动副所处的位置不同，将双滑块机构分为：,正切机构,正弦机构,双转块机构,双滑块机构
7、,对心曲柄滑块机构,双滑块机构,正弦机构,=l sin ,正弦机构的演化：,S,四、含有两个移动副的四杆机构,连杆上除去A、B两点作直线运动和连杆中点M点做圆 周运动外，连杆上其他各点的轨迹均为椭圆。,双滑块机构的特点：,四、含有两个移动副的四杆机构,五、具有偏心轮的四杆机构：,曲柄滑块机构,偏心盘机构,（改变运动副尺寸扩大运动副）：,六、四杆机构的扩展：,除上述以外，生产中常见的某些多杆机构，也可以看成是由若干个四杆机构组合扩展形成的。 例如：手动冲床就是一个六杆机构。筛料机主体机构也可以看成由两个四杆机构组成的。,A,B,C,D,一、铰链四杆机构有整转副的条件 二、急回特性 三、压力角和传
8、动角 四、死点位置,第二节 平面四杆机构的基本特性,一、铰链四杆机构有整转副的条件：, 最短杆+最长杆长度其余两杆长度之和； 组成周转副的两杆必有一杆为最短杆。,整转副存在的条件,推论：, 有曲柄时，最短杆的两端必为周转副； 有曲柄时，最短杆为连架杆时是曲柄摇杆机构；最短杆为连杆时是双摇杆机构；最短杆为机架时是双曲柄机构； 无曲柄时（不符合杆长条件），无论哪个杆为机架时均为双摇杆机构。,一、铰链四杆机构有整转副的条件：,一、铰链四杆机构有整转副的条件：,最短杆为连架杆-曲柄摇杆机构,最短杆为机架 -双曲柄机构,最短杆为连杆-双摇杆机构,例 题 21,例2-1 已知图示的四杆机构， 。求： 在何
9、范围内取值时，机构为曲柄摇杆机构， 双曲柄机构， 双摇杆机构？,解：1.要使机构为曲柄摇杆机构，则必须满足曲柄存在的条件，而且杆4为最短杆的邻杆。根据题意最短杆只能是杆1。有：,即：,例 题 21,2.欲使机构为双曲柄机构，应满足曲柄存在的条件而且最短杆为杆4。根据题意杆1或杆2位最长杆，于是有,3.欲使机构为双摇杆机构，或在曲柄存在的条件最短杆的对边为机架，或者不存在曲柄。前一种情况不可能存在，根据前两种机构存在的结果得： ， 考虑到教练四杆机构的组成条件：最长杆小于其余三杆的长度之和。得： ，,例 题 21,总结：,0,（,）,55,（,65,75,（,195,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双
10、曲柄机构,二、急回特性：,1、急回运动及在机械设计中的意义：a.急回运动指从动件空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度。b.意义：省时、省动力提高劳动生产率。 2、行程速比系数：空回行程的平均速度v2与工作行程的平均速度v1之比。它是衡量急回运动大小的量，用K表示。,（1）极位、极位夹角、行程角（摆角）：,极位：对应于摇杆两极限位置的位置，此时曲柄与连杆重合或拉直。 极位夹角：对应于极位的两个位置曲柄两位置所夹的锐角。 行程角（摆角）：对应极位摇杆所摆过的角度。,二、急回特性：,（2）行程速比系数K：,上式表明：极位夹角越大，K值越大，急回运动的性质越显著。当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位
11、夹角时，则机构具有急回运动特性。而且越大，K值越大，机构的急回运动特性也越显著。,二、急回特性：,综上所述：平面四杆机构具有急回特性的条件是： （1）原动件等速整周转动； （2）输出件具有正、反行程的往复运动； （3）极位夹角0。,二、急回特性：,偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构也有急回运动特性，其极位夹角如下图所示。,二、急回特性：,急回特性的应用：牛头刨床、往复式输送机。,三、压力角和传动角（针对从动件） ：,在图示的铰链四杆机构中，若不考虑各构件的重力、惯性力和运动副摩擦力，则主动件AB经过连杆BC传递到CD上的力将沿BC方向。现将力F分解为沿受力点C的速度方向和垂直于速度方向的两个力：,
12、三、压力角和传动角（针对从动件） ：,1.压力角:作用在从动件上的力和力作用点的速度方向所夹的锐角。,有效分力： 有害分力：,由上式可知，压力角愈大，有效分力愈小，有害分力愈大。因此，为使机构传力效果好，显然应使有效分力愈大愈好，压力角愈小愈好。,三、压力角和传动角（针对从动件） ：,2.传动角 ：压力角的余角。,有效分力： 有害分力：,由上式可知，传动角愈大，有效分力愈大，有害分力愈小，机构传力效果愈好。在平面连杆机构中，由于传动角有时可以在机构的运动简图中直接观察其大小，故用传动角来衡量机构的传动质量。,三、压力角和传动角（针对从动件） ：,在铰链四杆机构ABCD中，当BCD为锐角时，=B
13、CD；当BCD为钝角时，=180-BCD。,3.许用传动角,设计条件,4.最小传动角的确定：推导过程参见课本31页。, min 发生在曲柄与机架重叠或拉直共线的位置，其值取或 中小者。,结论,三、压力角和传动角（针对从动件） ：,四、死点位置（针对从动件）：,1.死点位置：在摇杆为主动件的曲柄摇杆机构中，连杆与从动曲柄出现两次共线称此位置为死点位置。 2.死点存在的条件：从动件与连杆共线。 3.死点的应用与克服：对于传动机构来讲，死点是不利的，应采取措施使机构能顺利通过死点位置。克服：缝纫机的踏板机构加飞轮。火车轮机构错位排列。,四、死点位置（针对从动件）：,工程实践中，常利用死点来实现特定的
14、工作要求。 实例1:飞机起落架机构.在机轮放下时，BC杆与CD杆成一直线，机构处于死点位置，使降落更加安全可靠。 实例2:工件夹紧机构.工件被夹紧后，BCD成一直线，即机构在工件反力的作用下处于死点，可保证在加工时，工件不会松脱。,蒸汽机车驱动轮联动机构 利用机构错位排列,死点的应用与克服：,第三节 平面四杆机构的设计,一、按照给定的行程速比系数设计四杆机构 二、按照给定连杆位置设计四杆机构 三、按两连架杆预定的位置设计四杆机构,平面连杆机构设计的基本问题,按照给定的运动轨迹设计四杆机构,按照给定从动件的运动规律设计四杆机构,例如车门的开闭机构。,例如鹤式起重机。,一、按照行程速比系数设计四杆
15、机构,1.曲柄摇杆机构： 已知条件：CD杆长，摆角及K，设计此机构。 分析：设计的实质是确定铰链中心A点的位置，定出其他三杆的尺寸。 设计：,计算180(K-1)/(K+1);,任取一点D，作等腰三角形，腰长为CD，夹角为;,C1C2P=90,C2C1P=90-;,作P C1C2的外接圆，在此圆上任选一点作为A；,校核传动角：,一、按照行程速比系数设计四杆机构,2.曲柄滑块机构： 已知条件：行程速比系数k、冲程H和偏心距e，设计此机构。 设计：,计算:180(K-1)/(K+1);,选 作冲程H及偏心距e;,作C2C1O= C1C2O= 90；,以O为圆心，C1O为半径作圆。,作偏距线e，交圆
16、弧于A，即为所求。,以A为圆心，A C1为半径作弧交于E,得：,一、按照行程速比系数设计四杆机构,3.导杆机构： 已知条件：机架长度l4，行程速比系数K，设计此机构。 分析：导杆机构的极位夹角等于导杆的摆角 ，现需确定 曲柄长度l1. 设计：,180(K-1)/(K+1);,作MDA= ADN0.5,得到两极限位置ND、MD;,任选 作机架AD;,以A为圆心，NA为半径作圆。过圆上任一点B作此导杆机构。,二按照给定连杆位置设计铰链四杆机构,1.已知活动铰链（B、C）的位置 如图1所示，设连杆上两活动铰链中心B、C的位置确定，要求机构运动过程中能通过连杆给定的三个位置。要确定两固定铰链A、D的位
17、置。,设计：选 做机构简图；,同理求D点；,连接 、 ，并分别作 、 的中垂线 、 ， 、 交于A点；,连接 即为所求的铰链四杆机构。,唯一解,二按照给定连杆位置设计铰链四杆机构,2.已知固定铰链（A、D）的位置 如图所示，设已知固定铰链的位置及机构在运动过程中，其连杆上的标线（在连杆上作出的标志连杆位置的线段）EF分别占据的三个位置。现要求确定两活动铰链中心B、C的位置。,设计：1.选 ，作AD=d/ ；,3.作AA、AA”的垂直平分线，两垂直平分线交于一点，此点即为B点；,2.作四边形 四边形 ;,4.同理作 点，连接 所得到的四边形即为所求。,二按照给定连杆位置设计铰链四杆机构,分析：根
18、据机构倒置的概念，设改取四杆机构的连杆为机架，则原机构(图a)中固定铰链A、D将变为活动铰链，而活动铰链B、C将变为固定铰链（图b）。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为前述问题，为了求出新连杆AD相对新机架BC运动时活动铰链A、D的第二个位置，如图b所示。将原机构的第二个位置的构型 视为刚体进行移动，使 与 重合，从而即可求得活动铰链A、D中心在倒置机构中的第二个位置A、A”。,三、按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构,1.按两连架杆预定的三个对应位置进行设计 如图所示，设已知四杆机构机架长度d，要求原动件和从动件顺时针依次相应转过对应角度 、 、 、 。设计此四杆机构。
19、,分析：反转法（图C）,分析：如图所示，若改取两连架杆CD为机架，则构件AB变为连杆，而为了求出新连杆AB相对新机架CD运动时活动铰链A、D的位置，可将原机构第二个位置的构型视为刚体，绕D反转 角使 重合而求得。,三、按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构,设计：,有多解, 已知曲柄长度，求解连杆与滑块铰接点C的位置。,第五章 平面连杆机构及其设计,Northwest A&F University,2.按曲柄滑块预定对应的位置设计曲柄滑块机构：, 已知滑块的位置，求曲柄与连杆铰接点B的位置：,第五章 平面连杆机构及其设计,Northwest A&F University,第五章 平面连杆机构及其设计,Northwest A&F University,例 题 22,例2-2 设计一铰链四杆机构作为加热炉炉门的起闭机构。,D,A,作业：2-1，2-3，2-7，2-9设计题目只用图解法解！,
