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1、宁夏大学专用 作者：潘存云教授 特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。221 1 铰链四杆机构的基本型式和特性第1页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 应用实例：内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富。可满足不同要求。第2页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 缺点：构件和运动副多，累积误差大、运
2、动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。分类:平面连杆机构空间连杆机构常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。本章重点内容是介绍四杆机构。第3页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 平面四杆机构的基本型式: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：曲柄作整周定轴回转的构件；三种基本型式：（1 1）曲柄摇杆机构特征：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。连杆作平面运动的构件；连架杆与机架相联的构件；摇杆作定轴摆动的构件；周转副能作360 360 度相对回转的运动副；摆转副只能作有限角度摆动的运动副。动画曲柄
3、连杆摇杆第4页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云A AB BC C1 12 24 43 3D DA AB BD DC C1 12 24 43 3（2 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。雷达天线俯仰机构曲柄主动缝纫机踏板机构应用实例：如叶片泵、惯性筛等。2 21 14 43 3摇杆主动3 31 12 24 4第5页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 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 3A AB BD DC C1 12 23 34 4E E
4、6 6惯性筛机构3 31 1第6页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云A AB BC CD D耕地料斗D DC CA AB B耕地料斗D DC CA AB B实例：火车轮特例：平行四边形机构AB=CDAB=CD特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动BC=ADBC=ADA AB BD DC C摄影平台A AD DB BC CB BC C天平播种机料斗机构第7页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云反平行四边形机构-车门开闭机构反向F FA AE ED DG GB BC CA AB BE EF
5、FD DC CG G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。第8页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云A AB BD DC CE E（3 3）双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构特例：等腰梯形机构汽车转向机构、风扇摇头机构B BC CA AB BD DC C风扇座蜗轮蜗杆电机A AB BD DC CE EA AB BD DC CE E电机A AB BD DC C风扇座蜗轮蜗杆电机A AB BD DC C风扇座蜗轮蜗杆A AB BD DC C第9页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云A AB BC CD
6、DB B1 1C C1 1A AD D1.1.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。当曲柄以逆时针转过180+180+时，摇杆从C C1 1D D位置摆到C C2 2D D。所花时间为t t1 1,平均速度为V V1 1,那么有：曲柄摇杆机构 3D此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。180180C C2 2B B2 2第10页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云B B1 1C C1 1A AD DC C2 2当曲柄以继续转过180-180-时，摇杆从C C2 2D,D,置摆到C C1 1D D，所花时间为t t2 2,平均速度为V
7、V2 2,那么有：180-180-因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。显然：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 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所以可通过分析机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。第11页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云B B1 1C C1 1A AD DC C2 2180-180-显然：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 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称K K为行程速比系数。且越大，K K值越大，急回性质越明显。只要 0 0，就有 K1K
8、1设计新机械时，往往先给定K K值，于是:牛头刨床 第12页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云F FF F F F”2.2.压力角和传动角压力角：从动件驱动力F F与力作用点绝对速度 之间所夹锐角。A AB BC CD D切向分力:F F=Fcos=Fcos法向分力:F F”=Fcos=Fcos F F 对传动有利。=Fsin=Fsin称为传动角。C CD DB BA AF F可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,F F”F F第13页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云F FF F F F”当BCD90BCD90时，BCDBCDA AB BC CD D设
9、计时要求:minmin5050minmin出现的位置：当BCD90BCD90时，180-BCD180-BCD此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。C CD DB BA AF FF F”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46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云C1B1l l1 1l l2 2l l3 3l l4 4DA由余弦定律有：B B1 1C C1 1D Darccosarccosl l4 42 2+l l3 32 2-(-(l l4 4-l l1 1)2 2/2/2l l2 2 l l3 3 BB2 2C C2 2D
10、 Darccosarccosl l4 42 2+l l3 32 2-(-(l l4 4-l l1 1)2 2/2/2l l2 2 l l3 3若B B1 1C C1 1D90D90,则若B B2 2C C2 2D90D90,则1 1B B1 1C C1 1D D2 2180-B180-B2 2C C2 2D D机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。v1 1minminBB1 1C C1 1D,180-BD,180-B2 2C C2 2DDminmin2 2F F车门C2B2第15页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云F F3.3.机构的死点位置摇杆为主动件
11、，且连杆与曲柄两次共线时，有：此时机构不能运动.称此位置为：“死点”0 00 0F F0 0第16页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云F F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）。F FA AE ED DG GB BC CA AB BE EF FD DC CG G0 0F F0 0第17页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云工件A AB BC CD D1 12 23 34 4P PA AB BC CD D1 12 23 34 4工件P P钻孔夹具=0=0T TA AB BD DC C飞机起落架A
12、AB BC CD D=0=0F F也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。第18页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云l l1 1l l2 2l l4 4l l3 3CBAD平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。杆1 1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线l l2 2(l l4 4 l l1 1)+)+l l3 3则由B BC CD D可得：三角形任意两边之和大于第三边则由B B”C C”D D可得：l l1 1+l l4 4 l l2 2+l l3 3l l3 3(l l4 4 l l1 1)+)+l l2 2ABAB为最短杆最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和2
13、22 2 铰链四杆机构有整转副的条件 l l1 1+l l2 2 l l3 3+l l4 4C”l l1 1l l2 2l l4 4l l3 3ADl l4 4-l l1 1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 4第19页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云2.2.连架杆或机架之一为最短杆。可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。曲柄存在的条件：1.1.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 A为整转副。若取BCBC为机架
14、，则结论相同，可知铰链B B也是整转副。称为杆长条件。A AB BC CD Dl l1 1l l2 2l l3 3l l4 4第20页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：曲柄摇杆1 1、曲柄摇杆2 2、双曲柄、双摇杆机构。第21页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 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(1)(1)改变构件的形状和运动尺寸223 3 铰链四杆机构的演化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 s
15、in =l sin l l第22页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云(2)(2)改变运动副的尺寸(3)(3)选不同的构件为机架偏心轮机构导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构3 31 14 4A A2 2B BC C第23页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云牛头刨床应用实例:A AB BD DC C1 12 24 43 3C C2 2C C1 1小型刨床A AB BD DC CE E1 12 23 34 45 56 6第24页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云应用实例B B2
16、 23 34 4C C1 1A A自卸卡车举升机构(3)(3)选不同的构件为机架A AC CB B1 12 23 34 4应用实例B B3 34 4C C1 1A A2 2应用实例4 4A A1 1B B2 23 3C C应用实例1 13 3C C4 4A AB B2 2应用实例A A1 1C C2 23 34 4B B导杆机构3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构3 31 14 4A A2 2B BC C摇块机构3 31 14 4A A2 2B BC C第25页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云(3)(3)选不同的构件为机架3 31 14 4A A2 2B
17、 BC C直动滑杆机构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B BC C3 32 21 14 4A A导杆机构3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构3 31 14 4A A2 2B BC C摇块机构3 31 14 4A A2 2B BC CA AB BC C3 32 21 14 4第26页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构椭圆仪机构1 12 23 34 4正弦机构3 32 21 14 4第27页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 224 4 平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基
18、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)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)b)动力条件（如minmin）;c)c)运动连续性条件等。第28页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云A AD DC CB B飞机起落架B BC C三类设计要求：1)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=logxy=logxx xy=logxy=logxA AB BC CD D第29页/共46页宁夏大学专用 作
19、者：潘存云教授 设计：潘存云三类设计要求：1)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。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动2)2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。要求连杆在两个位置垂直地面且相差180180 C CB BA AB BD DC C第30页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云Q QA AB BC CD DE E设计：潘存云鹤式起重机搅拌机构要求连杆上E E点的轨迹为一条卵形曲线要求连杆上E E点的轨迹为一条水平直线Q QC CB BA AD DE E三类设计要求：1)1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架
20、、函数机构。2)2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。3)3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。第31页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 给定的设计条件：1)1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）2)2)运动条件（给定K K）3)3)动力条件（给定minmin）设计方法：图解法、解析法、实验法第32页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云E 一、按给定的行程速比系数K K设计四杆机构1)1)曲柄摇杆机构计算180(K-1)/(K+1);180(K-1)/(K+1);已知：CDCD杆长，摆角及K K，设计此机构。步骤如下：任取一点D D，作等腰三角形 腰
21、长为CDCD，夹角为;作C C2 2PCPC1 1C C2 2，作C C1 1P P使作P CP C1 1C C2 2的外接圆，则A A点必在此圆上。选定A A，设曲柄为l l1 1 ，连杆为l l2 2 ，则:以以A A为圆心，为圆心，A CA C2 2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：l l1 1=EC=EC1 1/2 /2 l l2 2=A C=A C1 1ECEC1 1/2/2,A C,A C2 2=l l2 2-l l1 1=l l1 1=(A C=(A C1 1A CA C2 2)/2)/2 C C2 2C C1 1P=90P=90,交于P;P;90-P A C A C1
22、 1=l l1 1+l l2 2C1C2DA第33页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云A AD Dm mn n=D D2)2)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 a。计算180(K-1)/(K+1);180(K-1)/(K+1);任选D D作mDnmDn，取 A A点，使 得 AD=d,AD=d,则:a=dsin(/2)a=dsin(/2)。=A Ad d作角分线;已知：机架长度d d，K K，设计此机构。第34页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云E E222a2ae e3)3)曲柄滑块机构H H已知K K，
23、滑块行程H H，偏距e e，设计此机构 。计算:180(K-1)/(K+1);180(K-1)/(K+1);作C C1 1 C C2 2 H H作射线C C1 1O O 使C C2 2C C1 1O=90O=90,以O O为圆心，C C1 1O O为半径作圆。以以A A为圆心，为圆心，A CA C1 1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线C C2 2O O使C C1 1C C2 2 O=90 O=90。作偏距线e e，交圆弧于A A，即为所求。C C1 1C C2 290-90-o o90-90-A Al l1 1=EC=EC2 2/2/2l l2 2=A C=A C2 2ECE
24、C2 2/2/2第35页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云二、按预定连杆位置设计四杆机构a)a)给定连杆两组位置有唯一解。B2C2AD将 铰 链 A A、D D分 别 选 在 B1B2B1B2，C1C2C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。b)b)给定连杆上铰链BCBC的三组位置有无穷多组解。ADB2C2B3C3ADB1C1B1C1第36页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云x xy yA AB BC CD D1234三、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 3和构件1 1满足以下位置关系：l l1 1l l2 2l l
25、3 3l l4 4建立坐标系,设构件长度为：l l1 1 、l l2 2、l l3 3、l l4 4在x,yx,y轴上投影可得：l l1 1+l+l2 2=l=l3 3+l+l4 4机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.l l1 1 coc coc +l l2 2 cos cos =l l3 3 cos cos +l l4 4 l l1 1 sin sin +l l2 2 sin sin =l l3 3 sin sin i if(f(i i)i=1,2,3i=1,2,3n n设计此四杆机构(求各构件长度)。令：l l1 1=1 1第37页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 消去整理得
26、：coscos l l3 3 coscos coscos(-)(-)l l3 3l l4 4l l4 42 2+l l3 32 2+1-+1-l l2 22 22l2l4 4P P2 2代入移项得：l l2 2 coscos =l l4 4 l l3 3 cos cos cos cos 则化简为：coccocP P0 0 coscos P P1 1 coscos()P P2 2代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：l l2 2 sinsin =l l3 3 sin sin sin sin 令:P P0 0P P1 1coccoc1 1P P0 0 coscos1 1 P P1 1 cosc
27、os(1 1 1 1 )P P2 2coccoc2 2P P0 0 coscos2 2 P P1 1 coscos(2 2 2 2 )P P2 2coccoc3 3P P0 0 coscos3 3 P P1 1 coscos(3 3 3 3 )P P2 2可求系数:P P0 0、P P1 1、P P2 2以及:l l2 2 、l l3 3、l l4 4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38页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 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 3 345 50 90
28、 80 135 11045 50 90 80 135 1101 11 13 33 3代入方程得：cos90=Pcos90=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l l1 1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。cos45=P cos45=P
29、0 0cos50+Pcos50+P1 1cos(50-45)+Pcos(50-45)+P2 2B1C1ADB2C2B3C32 22 2l l1 1=1 1l l4 4=-l=-l3 3/P/P1 1=1.4421.442l l2 2 =(=(l l4 42 2+l+l3 32 2+1-2l+1-2l3 3P P2 2)1/21/2=1.7831.783 l l3 3=P P0 0=1.5531.553,第39页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云D D实验法设计四杆机构当给定连架杆位置超过三对时，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)1)首先在一张纸上取固
30、定轴A A的位置，作原动件角位移i i位置 i i i i 位置 i i i i 12 1512 15 10.8 10.8 45 1545 15 15.8 15.8 23 1523 15 12.5 12.5 56 1556 15 17.5 17.5 34 1534 15 14.2 14.2 67 1567 15 19.2 19.2 2)2)任意取原动件长度ABAB3)3)任意取连杆长度BCBC，作一系列圆弧;4)4)在一张透明纸上取固定轴D D，作角位移i iD Dk k1 15)5)取一系列从动件长度作同心圆弧。6)6)两图叠加，移动透明 纸，使k ki i落在同一圆 弧上。i ii iA
31、AC C1 1B B1 1第40页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云四、按预定的运动轨迹设计四杆机构A AB BC CD DE E1 14 43 32 25 5 传送机构搅拌机构C CB BA AD DE E6 6步进式第41页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云A AB BC CD D四、按预定的运动轨迹设计四杆机构N NE EM M连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。B,CB,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42页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云连杆曲线生成器ABCD第43页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云连杆曲线图谱连杆曲线图谱第44页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 本章重点：1.1.四杆机构的基本形式、演化及应用；2.2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；3.3.掌握曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构的设计方法第45页/共46页宁夏大学专用 作者：潘存云教授 感谢您的观看。第46页/共46页