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1、第4章 平面连杆机构第第4 4章章 平面连杆机构平面连杆机构4-1 平面连杆机构的特点和应用4-2 平面连杆机构的类型和演化4-3 平面连杆机构运动特性分析4-4 平面连杆机构传力特性分析4-5 平面连杆机构运动设计*4-6 平面多杆机构简介4-3 4-3 平面连杆机构运动特性分析平面连杆机构运动特性分析功能运动特性传力特性运动的传递和变换 力的传递和变换为什么要进行机构运动特性分析和传力特性分析？参阅教材P70-714-3-1 4-3-1 铰链四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构存在曲柄的条件存在曲柄：1个或2个连架杆相对机架可以做整周转动。机构是否存在曲柄，是连架杆与机架之间的位置关系，因此
2、属于机构的运动性能。中国农业大学机械原理设四杆长度分别是a,b,c,d中国农业大学机械原理若AB是曲柄，可绕A做旋转运动，则AB能占据整周回转中的任何位置。特殊位置：AB1、AB2中国农业大学机械原理特殊位置：AB1、AB2设da，形成两个三角形中国农业大学机械原理存在尺寸关系：两边和大于第三边中国农业大学机械原理存在尺寸关系：两边和大于第三边中国农业大学机械原理三式两两相加，得(4)(5)(6)综合，得(2)(3)(1)中国农业大学机械原理设da，得：得：中国农业大学机械原理同理，设da，可得则中国农业大学机械原理归纳曲柄AB大于和小于机架 AD的两种情况，得出有曲柄条件：最短构件长度+最长
3、构件长度其余两构件长度之和曲柄（连架杆）或机架最短构件的相对长度Grashofs law机架的选择中国农业大学机械原理平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构中国农业大学机械原理设计连杆机构时，需考虑杆长和机架，以确保机构运动方案可行，满足有或无曲柄的运动特性要求。当然，四杆机构的最长杆长应小于其余三杆的杆长之和。分析骑自行车：中国农业大学机械原理 其它四杆机构的有曲柄条件，可同理得出，或利用铰链四杆机构的有曲柄条件推得。中国农业大学机械原理判定是否存在曲柄的意义？若机械动力源输出旋转运动（如电动机），则机构原动件应做连续旋转运动，即应是主动曲柄。工程实际中有时又要求从动件能够做整周转动，即机构应存在
4、从动曲柄（如内燃机）。中国农业大学机械原理4-3-2 4-3-2 转动副为转动副为整转副整转副的条件的条件组成转动副的两个构件，可以相对做整周运动组成转动副的两个构件，只能做小于360的相对摆动摆转副摆转副4-3-2 4-3-2 转动副为整转副的条件转动副为整转副的条件最短构件长度+最长构件长度其余两构件长度之和最短构件的两个转动副为整转副（偶数个）中国农业大学机械原理 满足具有整转副的条件？选定机架 曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构取最短杆取最短杆的对边取最短杆的邻边是否判断机构类型：中国农业大学机械原理连杆机构的急回特性，可以用极位夹角或行程速比系数K描述。4-3-3 4-3-3 急回运动
5、特性（急回运动特性（quick-return quick-return characteristiccharacteristic）中国农业大学机械原理1、极限位置(extreme position)主动曲柄与连杆共线的机构（两）位置：重叠共线、伸展共线。4-3-3-1 极限位置和极位夹角中国农业大学机械原理曲柄摇杆机构急回特性从动摇杆主动曲柄中国农业大学机械原理C2右极位1中国农业大学机械原理C1C2右极位左极位1中国农业大学机械原理 与机构极限位置对应的曲柄的两位置所夹的锐角。2、极位夹角(crank angle between extreme positions)C1C2右极位左极位1中国
6、农业大学机械原理对心式曲柄滑块机构极限位置中国农业大学机械原理偏置式曲柄滑块机构极限位置中国农业大学机械原理摆动导杆机构极限位置中国农业大学机械原理从动摇杆往复摆动的两行程有快慢之分 急回运动：反行程（回程）为快速运动，正行程（工作行程）为慢速运动。急进运动：中国农业大学机械原理 具有急回特性的机构，当主动曲柄反向旋转时，就成为急进机构。在牛头刨床等设备上，用明显标志标出了原动件的正确回转方向。中国农业大学机械原理 输出构件往返两行程的相对快慢程度，用两行程的平均速度比（如）或所用时间比（如 ）描述，取决于的大小。中国农业大学机械原理角越大，机构的急回或急进特性越显著。=0时，机构无急回或急进
7、特性。偏置曲柄滑块机构、导杆机构中国农业大学机械原理 工程中，很多机器都要求“进程”和“回程”平均速度不同，以缩短不受工作阻力的空载行程时间。中国农业大学机械原理 刨刀在工作行程的切削段近于等速运动，以保证加工质量，延长刀具使用寿命，而在空行程快速返回。牛头刨床中国农业大学机械原理 通过测量或计算角的大小，可了解现有机构的急回程度，即输出构件两个行程的平均速度比或所用时间比。中国农业大学机械原理 设计连杆机构时，往往是指定输出运动两个行程的平均速度比或所用时间比，反过来设计满足急回要求的机构。4-3-3-2 行程速比系数K（advance-to return-time ratio）中国农业大学
8、机械原理 再设定一个衡量机构急回程度的参数：行程速比系数K（急回系数）。由于所以 中国农业大学机械原理1回：摇杆：左右速度v2，时间t2 曲柄转角2C1C2中国农业大学机械原理1去：摇杆：左右速度v1,时间t1曲柄转角1回：摇杆：左右速度v2，时间t2 曲柄转角2C1C2机构无急回运动时，=0，K=1；机构的急回特性越显著，角越大，K值也越大。与有曲柄/有整转副条件一样，急回特性也是设计杆长时的约束条件之一。中国农业大学机械原理有、无急回特性的曲柄滑块机构设计满足急回特性的机械：根据机械的使用要求，设定是否应有急回特性，设定急回程度即行程速比系数K的大小，据以求出极位夹角，进而设计机构运动参数
9、（尺寸），使机构满足特定的急回程度要求。中国农业大学机械原理问题：双曲柄机构有急回特性吗？转动导杆机构呢？中国农业大学机械原理 没有急回特性的机构，与另一机构组合后，也可产生急回特性。中国农业大学机械原理*4-3-4 *4-3-4 运动的连续性运动的连续性 当主动件连续运动时，从动件连续地占据预定的各个位置：机构运动的连续性。中国农业大学机械原理1C1C2运动可行域中国农业大学机械原理 从动件的运动可行域与构件长度、机构初始位置有关，可用作图法求得。中国农业大学机械原理问题：错位不连续、错序不连续中国农业大学机械原理 设计连杆机构时，应检查是否存在错位、错序的问题。如果不满足运动连续性要求，应
10、改变原动件转动方向、安装位置、构件尺寸或机构运动方案。4-4 4-4 平面连杆机构传力特性分析平面连杆机构传力特性分析 本节讨论不考虑摩擦时平面连杆机构的受力情况和传动性能。考虑摩擦时的受力分析请参阅“第9章机械的传动效率”。中国农业大学机械原理 不考虑摩擦的受力分析具有重要的工程应用价值。中国农业大学机械原理 工程实际问题中，需合理设计机械运动方案、运动参数和结构形式等，以尽可能提高传动效率。在进行机械运动设计时，很多工程问题视为没有摩擦进行分析，即以合理设计的结果（尽量减小摩擦等）作为运动分析和动力分析的前提。中国农业大学机械原理 事实上，在机械系统的结构尚未设计之前，考虑摩擦的受力分析也
11、无法进行。中国农业大学机械原理4-4-1 4-4-1 构件受力方向的判定构件受力方向的判定MM1 1MM3 3内力杆2F F1212F F3232不计惯性力、重力、摩擦力时：中国农业大学机械原理MM6 6MM2 2内力杆3、5、4F F5454F F6464F F3434不计惯性力、重力、摩擦力时：中国农业大学机械原理输出构件和中间构件以移动副连接时，内力的方向如何判定？导杆机构F F2323F F43434-4-2 4-4-2 机构的压力角和传动角机构的压力角和传动角1、压力角（Pressure angle）：从动件上作用的驱动力方向与受力作用点速度方向所夹的锐角。2、传动角（Transmi
12、ssion angle）：压力角的余角。中国农业大学机械原理压力角和传动角：F F1212F F3232F F2323MM3 3V VC C中国农业大学机械原理压力角：越大，径向压力Fn越大。F FV VC CFn=FFn=F sin sin Ft=FFt=F cos cos 从动件中国农业大学机械原理 压力角越小，径向压力越小，作用于输出构件的有效分力越大，对机构的传动越有利。压力角是运动副之间力和速度传动特性的度量标准。中国农业大学机械原理 传动角也可度量机构的传力质量，其数值等于输出构件与连杆所夹的锐角。F F2323MM3 3V VC C中国农业大学机械原理 当机构运动时，压力角、传动
13、角随机构的位置变化而不同，具有瞬时性。中国农业大学机械原理 不同瞬时，机构的压力角和传动角可用图解法在图上标出（测量），也可据几何关系用解析法求出。中国农业大学机械原理最大压力角、最小传动角位置：中国农业大学机械原理曲柄滑块机构的最小传动角中国农业大学机械原理 为什么要确定机构最大压力角、最小传动角？中国农业大学机械原理 压力角、传动角与机构尺寸、位置有关。压力角最大（传动角最小）时，机构的传力特性最差。中国农业大学机械原理 确定最大压力角（或最小传动角）的值及位置，可预测输入和输出构件之间力（转矩）传动的品质，评价机构的设计；或按规定的（许用）压力角/传动角设计机构。机构运动时，为保证良好传
14、力性能，要求压力角不大于某数值：许用压力角，传动角不小于某数值：许用传动角。中国农业大学机械原理 当机构压力角在某瞬时达90时，作用在输出构件的有效分力为0，机构可能不能运动，发生自锁。相关内容见“第9章机械的传动效率”。中国农业大学机械原理 压力角的最佳值为0。常用于牛头刨床、插床等设备中的导杆机构，为什么具有很好的传力性能？F FV V压力角=0中国农业大学机械原理 当压力角大于45时，输出构件上作用的有害分力将大于有效分力。为保证良好的传力性能，使机械运动平顺，一般压力角应不超过50。传递大功率或高速运行的机械，一般压力角应不超过40。中国农业大学机械原理 但当不是主要用于传递力时，或机
15、构输出构件受力很小时，即使压力角较大，机构也能运行，如受力很小或不常使用的操纵机构。4-4-3 4-4-3 死点（死点（dead pointdead point）从动曲柄与连杆共线的机构（两）位置。主动摇杆（从动曲柄）中国农业大学机械原理偏置式曲柄滑块机构的死点之一BACC1中国农业大学机械原理 机构是否存在死点，取决于从动件是否会与连杆共线。这似乎是机构的运动特性，事实上是从动件的受力所决定的。F这时，=0，机构顶死或运动不确定。中国农业大学机械原理平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构从动曲柄CD反向转动顺利通过死点的办法1：利用从动件惯性借助大带轮（飞轮）较大的惯性通过死点借助大带轮（飞轮）较
16、大的惯性通过死点顺利通过死点的办法2：机构错位排列从动曲柄位置错开90 中国农业大学机械原理顺利通过死点的办法3：对从动件施外力F中国农业大学机械原理利用死点的实例1：钻床工件夹紧装置 F利用死点的实例1：钻床工件夹紧装置利用死点的实例2：飞机起落架收放机构 利用死点的实例2：飞机起落架收放机构 利用死点的实例3：小货车后挡板机构 中国农业大学机械原理利用死点的实例4：轮椅制动装置DCBA中国农业大学机械原理 此外，利用死点工作的文件夹、折叠桌等 在工程实际中，当机构主要用于传递力或压紧时，希望机构具有增力效果，以更好地满足使用要求。即输出力矩Mout（或力Fout）大于输入力矩Min（或力F
17、in）。*4-4-*4-4-4 4 机械增益（机械增益（mechanical mechanical advantage advantage）中国农业大学机械原理 对于理想机械（忽略重力、惯性力，不计运动副中的摩擦及能量损失），机械的输出功率与输入功率相等，应有或中国农业大学机械原理或M.A.表示机械增益：输出力矩（或输出力）与输入力矩（或输入力）的比值。令：中国农业大学机械原理则例：中国农业大学机械原理由于：且故中国农业大学机械原理 机械增益随传动角增大而增大，同时受的影响。和随机构位置而变化，故机械增益具有瞬时性。肘节机构夹紧钳杠杆式剪切机中国农业大学机械原理 在极限位置附近，从动件速度近于零，可获得很大的增力效果。拉铆机构中国农业大学机械原理 机械增益和速度比是判断机构设计方案相对优劣的依据之一。