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1、信息管理与信息系统信息管理与信息系统-工业工程工业工程Fundamentals of Machine Design第第3 3章章 平面连杆机构平面连杆机构预热预热：什么是平面连杆机构？特点及研究内容是什么？什么是平面连杆机构？特点及研究内容是什么？定义定义:全由低副（转动副、移动副）构成的平面机构称为全由低副（转动副、移动副）构成的平面机构称为平面连杆机构平面连杆机构 特点：特点：面接触，承载能力强，耐磨损；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；易于制造和获得较高的制造精度；能实现多种运动规律。能实现多种运动规律。缺点缺点：效率低；效率低；累计运动误差较大；累计运动误差较大
2、；高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。高速运转时不平衡动载荷较大，且难于消除。内容：内容：类型、应用及其特性，平面四杆机构的设计类型、应用及其特性，平面四杆机构的设计 平面四杆机构的类型及其应用平面四杆机构的类型及其应用3.1铰链四杆机构的传动特性铰链四杆机构的传动特性3.3铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化3.4铰链四杆机构曲柄存在条件铰链四杆机构曲柄存在条件3.2内内 容容平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计3.53.1 平面四杆机构的类型及其应用平面四杆机构的类型及其应用一、一、基本概念基本概念1 1、铰链四杆机构：、铰链四杆机构：全部用转动副相连的平面四杆机构。它是平面四杆全部用
3、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它机构的基本型式，其它型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。的基础上通过演化而成的。2 2、机架：、机架：机构的固定构件，如杆机构的固定构件，如杆4 4。3 3、连杆：、连杆：不直接与机架连接的构件，如杆不直接与机架连接的构件，如杆2 2。4 4、连架杆：、连架杆：与机架用转动副相连接的构件，如杆与机架用转动副相连接的构件，如杆1 1、3 3。连架杆可分为：连架杆可分为：5 5、曲柄：、曲柄：能绕机架作整周转动的连架杆，如杆能绕机架作整周转动的连架杆，如杆1 1；6 6、摇杆：、摇杆：只能绕机架作小于
4、只能绕机架作小于360360的某一角度摆动的的某一角度摆动的 连架杆，如连架杆，如3 3。2314二、铰链四杆机构的基本形式二、铰链四杆机构的基本形式 在铰链四杆机构中，按在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动连架杆能否作整周转动，可将铰，可将铰链四杆机构分为：链四杆机构分为：铰链四铰链四杆机构杆机构双曲柄双曲柄机构机构曲柄摇杆曲柄摇杆机构机构双摇杆双摇杆机构机构1.1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两连架杆中一个为曲柄，两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆另一个为摇杆。u 曲柄曲柄1 1为主动件时，为主动件时，可以实现由曲柄可以实现由曲柄1 1的整周回转运的整周回转运动到摇杆动到摇杆3 3往复摆
5、动的运动转换。往复摆动的运动转换。u 摇杆摇杆3 3为主动件时，为主动件时，则可以将摇杆则可以将摇杆3 3的摆动转换为曲的摆动转换为曲柄柄1 1的整周回转运动的整周回转运动。雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构 缝纫机的踏板机构缝纫机的踏板机构搅拌器中搅拌机构搅拌器中搅拌机构 应用举例应用举例雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构(回转运动回转运动摆动摆动)缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构(摆动摆动回转运动回转运动)搅拌器中搅拌机构搅拌器中搅拌机构(实现所需运动轨迹实现所需运动轨迹)2.2.双曲柄机构双曲柄机构 2.2.双曲柄机构双曲柄机构u 当主动曲柄作匀速转动时当主动曲柄作匀速转动时,从动曲柄作周期性的
6、变速运动从动曲柄作周期性的变速运动,以满足机器的工作要求。以满足机器的工作要求。惯性筛惯性筛 机车驱动轮联动机构机车驱动轮联动机构摄影车座斗升降机构摄影车座斗升降机构 应用举例应用举例DABC3412 两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。惯性筛惯性筛惯性筛惯性筛特例特例平行双曲柄机构：平行双曲柄机构：双曲柄机构中，组成四边形的对边长双曲柄机构中，组成四边形的对边长度分别相等，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，可得到终与机架
7、平行，四根杆形成一平行四边形，可得到正平正平行四边形机构行四边形机构。另：另：反平行四边形机构。反平行四边形机构。正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蒸汽机车的车轮联动机构反平行四边形机构反平行四边形机构车门启闭机构车门启闭机构机车驱动轮联动机构机车驱动轮联动机构摄影车座斗升降机构摄影车座斗升降机构3.3.双摇杆机构双摇杆机构 3.3.双摇杆机构双摇杆机构港口起重机港口起重机 飞机起落架飞机起落架可逆式座椅可逆式座椅电风扇摇头机构电风扇摇头机构轮式车辆转向机构轮式车辆转向机构应用举例应用举例 两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为
8、双摇杆机构。DABC3412港口起重机港口起重机港口起重机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飞机起落架飞机起落架飞机起落架可逆式座椅可逆式座椅轮式车辆转向机构轮式车辆转向机构（等腰梯形机构）（等腰梯形机构）三、铰链四杆机构类型的判别三、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。若最短构件为连杆，则该机构一定是双摇杆机构。在在 中中 在在 中中整理得整理得 将式将
9、式、中的三个不等中的三个不等式两两相加，化简后得式两两相加，化简后得 3.2 铰链四杆机构曲柄存在条件铰链四杆机构曲柄存在条件 若不满足若不满足若不满足若不满足？该机构只能是双摇杆机构。该机构只能是双摇杆机构。该机构只能是双摇杆机构。该机构只能是双摇杆机构。曲柄存在条件：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；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。连架杆与机架中必有一杆为最短杆。双摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构以最短杆相邻杆为机架以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以
10、与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架以最短杆为机架NY判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构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：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长最长杆的杆长 2 2,t,t1 1tt2 2,v v2 2=C=C1 1C C2 2/t/t2 2 1 1=180=180+,+,v v1 1=C=C1 1C C2 2/t/t1 1曲柄转角曲柄转角 2 2=180=180-C C1 1C C2 2C C2 2C C1 1铰链铰链C的的平均速度平均速度：v v1 1vl2，杆杆2能作能作整周转动整周转动，
11、杆杆4只能往复摆动，称为只能往复摆动，称为摆动摆动导导杆机构。杆机构。选用不同的构件为机架选用不同的构件为机架运运动动特特性性运运动动特特性性运运动动特特性性运运动动特特性性运运动动特特性性实实例例实实例例三、摇块机构和定块机构三、摇块机构和定块机构摆动摆动滑块机构滑块机构自卸卡车车箱的举升机构自卸卡车车箱的举升机构选用不同的构件为机架选用不同的构件为机架运运动动特特性性实实例例实实例例固定固定滑块机构或滑块机构或定块机构定块机构ACB4321ACB4321手动抽水机手动抽水机实实例例四、双滑块机构四、双滑块机构4HACD321H4l1ABD321 双滑块机构双滑块机构是具有两个移动副的四杆机
12、构。是具有两个移动副的四杆机构。正切机构正切机构正弦机构正弦机构改变构件的形状和运动副改变构件的形状和运动副4AD321实实例例五、偏心轮机构五、偏心轮机构 杆杆1变为圆盘，其几何变为圆盘，其几何中心为中心为B，运动时，圆盘绕，运动时，圆盘绕偏心偏心A转动，故称为转动，故称为偏心偏心轮轮。A、B之间的距离称之间的距离称为为偏心距偏心距e，即为曲柄的长，即为曲柄的长度。度。扩大扩大转动副转动副B的半径的半径使之超过使之超过曲曲柄的长度柄的长度2 341e1234扩大转动副扩大转动副（a a）等效曲柄滑块机构等效曲柄滑块机构 （b b）曲柄滑块机构曲柄滑块机构 （c c）等效曲柄摇杆机构等效曲柄摇
13、杆机构 （d)d)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(a)(a)曲柄滑块机构曲柄滑块机构;(b);(b)转动导杆机构转动导杆机构;（c)c)摆动摆动导杆滑块机构导杆滑块机构(摇块机构）摇块机构）;(d);(d)移动导杆机构（定块机构）移动导杆机构（定块机构）3.5 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计设计目标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。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。按给定的连杆位置设计四杆机构。设计方法设计方法 图解法图解法、实验法和解析法等。、实验法和解析
14、法等。曲柄摇杆机构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：已知条件：行程速比系数K、摇杆的 长度l lCD和摇杆的摆角一、按给定的行程速比系数设计四杆机构一、按给定的行程速比系数设计四杆机构计算步骤计算步骤|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=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
15、AC2=BC+AB 可分别求得AB与BCDC2C190-AB1B2O90-计算步骤计算步骤计计算算实实例例已知摇杆长度已知摇杆长度L=100L=100，摆角摆角=50=50和行程速比系数和行程速比系数k=1.4k=1.4，试设计曲柄摇杆机构。试设计曲柄摇杆机构。解解：由给定的行程速比系数求出极位夹角:=30=30DC2C190-A 以以A A为为圆圆心心，ACAC1 1为为半半径径作作圆圆弧弧交交ACAC2 2与与E E，平平分分ECEC2 2得得曲曲柄柄长长度度l lABAB。再再以以A A为为圆圆心心，l lABAB为为半半径径作作圆圆，交交C C1 1A A的的延延长长线线和和C C2
16、2A A于于B B1 1和和 B B2 2，连连 杆杆 长长 度度l lBCBC=l lB1C1B1C1=l lB2C2B2C2EB1B2二、按给定的连杆位置设计四杆机构二、按给定的连杆位置设计四杆机构 分分析析：根根据据设设计计要要求求，铰铰链链四四杆杆机机构构在在运运动动过过程程中中，其其连连杆杆必必须须能能依依次次通通过过预预定定位位置置、，。显显然然，此此类类机机构构设设计计的的实实质质就就是是确确定定两两固固定定铰铰链链A A、D D点点的的位位置置。由由铰铰链链四四杆杆机机构构运运动动可可知知，连连杆杆上上B B、C C两两点点的的运运动动轨轨迹迹分分别别是是以以A A、D D两两
17、点点为为圆圆心心的的圆圆或或圆圆弧弧，而而连连杆杆相相邻邻位位置置对对应应点点的的连连线线B B1 1B B2 2、B B2 2B B3 3、C C1 1C C2 2、C C2 2C C3 3分分别别为为对对应应圆圆或或圆圆弧弧上上的的弦弦长长。所所以以，A A、D D两两点点必必然然分分别别位位于于上上述述对对应应弦弦长长的的垂垂直直平平分分线上。这样，此类连杆机构的设计就变得比较简单了。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给定连杆两个位置设计四杆机构 设计步骤：设计步骤：根据已知条件，选取适当的比例尺根据已知条件，选取适当的比例尺l l，绘出连杆的两
18、个位置绘出连杆的两个位置 ；连接连接 ，并分别作它们的垂直平分线，并分别作它们的垂直平分线 ；在在 和和 上上分分别别任任取取两两点点A A、D D（一一般般也也可可根根据据其其它它辅辅助助条条件件选取）；选取）；连接连接ABAB1 1C C1 1D D 即为所求四杆机构的一个位置。即为所求四杆机构的一个位置。注意：注意：在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，由于在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，由于A A、D D两点可两点可 在在b b1212和和c c1212上上任任意意选选取取，因因此此可可得得无无穷穷多多组组解解。一一般般还还应应该该考考虑虑其其他他辅辅助助条条件件，例例如如，
19、满满足足合合理理的的结结构构要要求求，使使机机械械在在运运转转中中的的最最小小传传动动角最大，等等。角最大，等等。如果给定连杆三个、四个或五个位置呢？如果给定连杆三个、四个或五个位置呢？已知已知B B1 1C C1 1、B B2 2C C2 2、B B3 3C C3 3为连杆所要到达的三个位置，要求设计该四杆机构。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，活动铰链根据已知条件，活动铰链B B、C C两点的相对位置已定，所以，设计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此四杆机构的实质仍然是要求出两固定铰链点固定铰链点A A、D D的位置。由于连杆的位置。由
20、于连杆上的铰链中心上的铰链中心B B和和C C的轨迹分别为一的轨迹分别为一圆弧而同时通过三点要求圆弧而同时通过三点要求B B1 1、B B2 2、B B3 3和和C C1 1、C C2 2、C C3 3的圆分别只有一个。所的圆分别只有一个。所以，连架杆的固定铰链中心以，连架杆的固定铰链中心A A和和D D只只有有一一个个确确定定的的解解。即即B B1 1B B2 2和和B B2 2B B3 3的的垂垂直直平平分分线线b b1212和和b b2323的的交交点点为为A A以以及及C C1 1C C2 2和和C C2 2C C3 3的的垂垂直直平平分分线线c c1212和和c c2323的的交交点点为为D D。连连ABAB1 1C C1 1D D即即为为所所求求的的四四杆杆机机构构在在第第一一个个瞬瞬时时位置的机构运动简图。位置的机构运动简图。给定连杆三个位置设计四杆机构给定连杆三个位置设计四杆机构