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1、第 2 2 章 平面连杆机构铰链四杆机构的基本型式和特性铰链四杆机构的演化 平面四杆机构的设计 铰链四杆机构的曲柄存在条件主要研究第1页/共56页低副联接，面接触、承载大、不易磨损、便于润滑、形状简单、易于加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，可得到从动件（输出件）不同的运动 规律。连杆曲线丰富，可满足各种不同设计要求。构成:多个构件、低副（转动副和移动副）连接 组成的平面机构。特点：优点：第2页/共56页构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率 低。产生动载荷（惯性力），不适合高速运转机械。设计复杂，难以实现精确的轨迹。缺点：最简单的平面连杆机构是四杆机构。四杆机构工程上应用最
2、多，也是构成多杆机构的基础。本章着重讨论四杆机构的基本类型、特性及常用设计方法。第3页/共56页 2-1 铰链四杆机构的基本型式和特性一、铰链四杆机构的基本型式：1、铰链四杆机构的定义：全部用回转副组成的平面四杆机构，如图2-1示。图2-1 铰链四杆机构2、铰链四杆机构的组成：机 架：固定不动的杆。连架杆：与机架相联接的杆。连 杆：不与机架直接联接的杆。摇 杆：只能相对于机架摆动的连 架杆（摆动副，360）曲 柄：能相对于机架作整周转动 的连架杆（整转副：360）。第4页/共56页3、铰链四杆机构的分类 根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构（1）曲
3、柄摇杆机构：两连架杆，一个为曲柄，另一个为摇杆。（2）双曲柄机构：两连架杆均为曲柄。（3）双摇杆机构：两连架杆均为摇杆。第5页/共56页二、曲柄摇杆机构结构组成特征：曲柄摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。（如雷达天线）特点：一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆摆动，应用实例：牛头刨床进给机构、雷达调整机构等、缝纫机脚踏机构。（一）概述三大特点：急回运动、机构的死点位置、压力角和传动角也可以摇杆主动，曲柄从动。第6页/共56页牛头刨床横向自动进给机构 返第7页/共56页设计：潘存云ABC1243DABDC1243雷达天线俯仰机构曲柄主动返回第8页/共56页设计：潘存云缝纫机踏板机构2
4、143摇杆主动3124第9页/共56页设计：潘存云ABCDB1C1AD（二）三大特点1、急回运动：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，简称极位。当曲柄以匀角速度逆时针转过180+180+时，摇杆从C1D位置摆到C2D。所花时间为t1,c c点平均速度为Vc1,因此有：曲柄摇杆机构两次连杆（曲柄）之间的夹角 称为极位夹角。180180C2B2第10页/共56页设计：潘存云B1C1ADC2当曲柄以继续转过180-180-时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为Vc2,那么有：180-180-由于曲柄两次转动转角不同，所以摇杆来回摆动的时间不一样，平均速
5、度也不等。显然：t t1 1 t t2 2 Vc Vc2 2 Vc Vc1 1摇杆的这种特性称为急回运动。用以下比值表示急回程度K称为行程速比系数。且越大，K值越大，急回性质越明显。只要 0，就有KK1，机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动和急回快慢的程度。设计新机械时，往往先给定K值，于是有:B2第11页/共56页设计：潘存云设计：潘存云F2、机构的死点位置 摇杆为主动件，当连杆与曲柄两次共线时，有：此时机构不能运动，或运动不确定.避免出现“死点”措施：采用两组机构错位布置，如火车轮机构;称此位置为：“死点”M M0 0（无转矩）依靠飞轮惯性（如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBC
6、ABEFDCG0 0FM M0 0第12页/共56页设计：潘存云设计：潘存云工件ABCD1234PABCD1234工件P钻孔夹具=0=0TABDC飞机起落架ABCD=0=0F也可以利用死点进行工作：如飞机起落架、钻夹具等。第13页/共56页设计：潘存云FF F”当BCD90BCD90时，BCDBCD3、压力角和传动角压力角：从动件(输出件）的驱动力F与力作用点的绝对速度之间所夹锐角。ABCD设计时要求:minmin4040minmin出现的位置：当BCD90BCD90时，180-BCD180-BCD切向分力:F F=Fcos=Fcos法向分力:F F”=Fcos=Fcos,F F对传动有利。=
7、Fsin=Fsin称为传动角。机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线位置（两处之一，见P31P31）。CDBAF可用的大小来表示机构传动性能的好坏,F”F当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现minmin为了保证机构良好的传力性能第14页/共56页三、双曲柄机构特征：两个曲柄作用：将等速回转变为等速或变速回转。应用实例：如叶片泵、惯性筛、平行四边形机构火车车轮连动机构等。第15页/共56页设计：潘存云设计：潘存云A AD DC CB B1 12 23 34 4旋转式叶片泵A AD DC CB B1 12 23 3ABDC1234E6惯性筛机构31第16页/共56页设计：潘存云ABCD特例：平行
8、四边形机构AB=CD特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动或平面运动。BC=ADBC第17页/共56页设计：潘存云设计：潘存云FAEDGBCABEFDCG 平行四边形机构在构件共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开或平行布置（虚约束）。实例：火车轮基本措施：惯性轮、双联交错或平行（虚约束）布置第18页/共56页四、双摇杆机构特征：两连杆架均为摇杆的四杆机构。应用举例：飞机起落架、铸造翻箱机构、车辆的前轮转向机构第19页/共56页双摇杆机构应用实例飞机起落架第20页/共56页设计：潘存云设计：潘存云ABDCE特例：等腰梯形机构 汽车转向机构BCABDCEABDCEABDC造砂翻转机构第21页/共
9、56页 如果平面四杆机构存在曲柄,机构 必须具有整转副。一、曲柄存在的条件222 2 铰链四杆机构曲柄存在的条件整转副：能作3603600 0相对回转的回转副；反之，机构具有整转副。但不一定存在曲柄。是否存在曲柄，还取决于机构各杆的相对长度和机架的选择。曲柄存在的条件？第22页/共56页设计：潘存云l1l2l4l3CBAD 其中：杆1 1为曲柄，能作整周回转，必然两次与机架共线。l l2 2(l(l4 4 l l1 1)+l)+l3 3则由BCDBCD 可得：则由B”C”DB”C”D可得：l l1 1+l+l4 4 l l2 2+l+l3 3l l3 3(l(l4 4 l l1 1)+l)+l
10、2 2L L1 1为最短杆，而L L2 2，L L3 3，L L4 4中有最长杆。结论：最短杆与最长杆的长度之和其他两杆长度之和 l l1 1+l+l2 2 l l3 3+l+l4 4C”l1l2l4l3ADl4-l1将以上三式两两相加得：l l1 1 l l2 2 l l1 1 l l3 3 l l1 1 l l4 4 l l1 1+l+l3 3 l l2 2+l+l4 4B”假定机构为曲柄摇杆机构三角形任意两边之和大于第三边第23页/共56页 选择不同的构件为机架时，机构类型的变化 L1为最短杆。1杆与2和4杆均有两次共线情况。1曲柄摇杆机构3双摇杆机构2双曲柄机构4曲柄摇杆机构二、机构的
11、判定第24页/共56页设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云 当曲柄存在时(存在整转副)，选择不同的构件作为机架，得到不同的机构，构成铰链四杆机构的三种基本类型。曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构第25页/共56页三、判定方法：由上述分析可知：最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，是铰链四杆机构存在曲柄的必要条件。机构究竟有一个曲柄、两个曲柄或没有曲柄，还需要根据以哪根杆为机架来判断。1、最短杆邻边作机架 曲柄摇杆机构2、最短杆作机架 双曲柄机构3、最短杆对边为机架为双摇杆机构4、平行四边形机构一定是双曲柄机构5、如果最短和最长杆长度之和不小于其他两杆 长度之和，机构无曲柄，为双摇杆机
12、构。方法：最短杆与最长杆尺寸之和小于等于其他两杆尺寸之和。(必要）充分第26页/共56页23 铰链四杆机构的演变通过：1、用移动副取代回转副；2、变更杆件长度；3、变更机架；4、扩大回转副；等方法可以得到铰链四杆机构其它演化机构。第27页/共56页设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云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双滑块机构 正弦机构s=l sin l一、一、曲柄滑块机构 下页第28页/共56页使转动副变成移动副第29页/共56页设计：潘存云改变运动副的尺寸偏心轮机构 曲柄长度较小时，一杆上不宜设计两个转动副联
13、接（两轴直径较大而杆较短），此时可设计成偏心轮机构，运动特性不变，而增强刚度，改善受力。二、曲柄滑快机构演化偏心轮机构第30页/共56页偏心轮机构第31页/共56页曲柄滑块机构选不同的构件为机架1 1导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构314A2BC曲柄滑块机构314A2BC转动导杆机构(l1l2)(l1=l1=(A A C1A A C2)/2 C2C1P=90,交于P;P;90-90-P A A C1=l1+l2 ，DAC1C2AD长度用附加条件求取。第44页/共56页设计：潘存云设计：潘存云ADmn=D2)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
14、)/(K+1);180(K-1)/(K+1);任选D D，作mDnmDn，取A A点使得AD=dAD=d，则:a=dsin(a=dsin(/2)/2)。=Ad作角分线;已知：机架长度d，速比K，设计此机构。第45页/共56页设计：潘存云三、按预定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆尺寸和两组位置有唯一解。B2C2AD 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（附加条件求确定解）ADB2C2B3C3ADB1C1B1C1第46页/共56页设计：潘存云铸造翻箱机构。要求连杆在两个位置垂直地面且相差180 CBABDC第
15、47页/共56页设计：潘存云xyABCD1234四、给定两连架杆对应位置设计四杆机构给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：l1l2l3l4建立坐标系,设构件长度为：l1、l2、l3、l4在x,yx,y轴上投影可得：l1+l2=l3+l4机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.l1 coc +l2 cos =l3 cos +l4 l1 sin +l2 sin =l3 sin i if(i i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。令：l1=1第48页/共56页消去整理得：coscos l3 cos+cos(-)-l3l4l42+l32+1-l222l4P2代入移项得：l
16、2 cos =l4 l3 cos cos 则化简为：coccocP0 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 令:P0P1coccoc1P0 cos1 P1 cos(1 1)P2coccoc2P0 cos2 P1 cos(2 2)P2coccoc3P0 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。第49页/共56页举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3
17、 345 50 90 80 135 11045 50 90 80 135 1101 11 13 33 3代入方程得：cos90=P cos90=P0 0cos80+Pcos80+P1 1cos(80-90)+Pcos(80-90)+P2 2 cos135=Pcos135=P0 0cos110+Pcos110+P1 1cos(110-135)+Pcos(110-135)+P2 2解得相对长度:P P0 0=1.533,P=1.533,P1 1=-1.0628,P=-1.0628,P2 2=0.7805=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=P c
18、os45=P0 0cos50+Pcos50+P1 1cos(50-45)+Pcos(50-45)+P2 2B1C1ADB2C2B3C32 22 2l1=1 1l4=-l3/P1=1.442l2=(=(l42+l32+1-2l3P P2 2)1/2=1.7831.783 l3=P P0 0=1.553,第50页/共56页设计：潘存云D实验法设计四杆机构当给定连架杆超过三对位置时，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，作原动件系列角位移i i位置 i i +位置 i i +12 +15 10.8 45 +15 15.8 23 +15 12.5 5
19、6 +15 17.5 34 +15 14.2 67 +15 19.2 2)任意取原动件长度AB3)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，作系列角位移iDk15)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。iiAC1B1第51页/共56页设计：潘存云设计：潘存云五、按预定的运动轨迹设计四杆机构ABCDE14325 传送机构搅拌机构CBADE6步式第52页/共56页设计：潘存云ABCD连杆曲线NEM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。第53页/共56页设计：潘存云连杆曲线生成器连杆曲线生成器ABCD第54页/共56页设计：潘存云连杆曲线图谱第55页/共56页感谢您的观看。第56页/共56页