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1、平面连杆机构及其设计案例平面连杆机构及其设计案例 本章要求掌握平面连杆机构本章要求掌握平面连杆机构的组成及特点，平面连杆机构的的组成及特点，平面连杆机构的基本型式及其演化和应用，曲柄基本型式及其演化和应用，曲柄存在条件、传动角、死点、急回存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等基本概念运动、行程速比系数等基本概念以及设计平面四杆机构的方法。以及设计平面四杆机构的方法。第1页/共89页重点重点：平面铰链四杆机构的演化；：平面铰链四杆机构的演化；难点难点：曲柄存在条件的全面分析、：曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的传动角和平面四平面多杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动角的确定杆机构最
2、小传动角的确定。第2页/共89页8-1 8-1 概述概述一、连杆机构的意义一、连杆机构的意义二、连杆机构的分类二、连杆机构的分类三、平面连杆机构的优点三、平面连杆机构的优点四、平面连杆机构的缺点四、平面连杆机构的缺点第3页/共89页一、连杆机构的意义一、连杆机构的意义 由若干个构件通过低副由若干个构件通过低副(Lower-pairLower-pair)连接而组成连接而组成的机构称为的机构称为连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构，又称为低副机构。，又称为低副机构。第4页/共89页n抽油机中的连杆机构第5页/共89页内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机构内燃机中的连杆机构第6页/共89
3、页缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构缝纫机中的连杆机构第7页/共89页 连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机
4、构。n曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见的连杆机构型式。第8页/共89页 这些机构的共同特点是其原这些机构的共同特点是其原动件动件1 1的运动都要经过一个不直的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件接与机架相联的中间构件2 2才能才能传动从动件传动从动件3 3，这个不直接与机，这个不直接与机架相联的中间构件称为架相联的中间构件称为连杆连杆，而，而把具有连杆的这些机构统称为把具有连杆的这些机构统称为连连杆机构杆机构。第9页/共89页二、连杆机构的分类二、连杆机构的分类n 所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构，称为平面连杆机构。n1、平面连杆机构(planarlinkage)第
5、10页/共89页n 所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构，称为空间连杆机构。n2、空间连杆机构(speciallinkage)第11页/共89页三、平面连杆机构的优三、平面连杆机构的优点点1 1 1 1、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。滑，磨损小。滑，磨损小。滑，磨损小。2 2 2 2、其运
6、动副元素多为平面或圆柱面，制造比较其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单，工作可靠。结构简单，工作可靠。结构简单，工作可靠。结构简单，工作可靠。3 3 3 3、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。第12页/共89页1）
7、用于受力较大的挖掘机，破碎机第13页/共89页2）用于实现各种不同的运动规律要求第14页/共89页四、平面连杆机构的缺四、平面连杆机构的缺点点1 1、当机构复杂时累计误差较大，、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。影响其传动精度。2 2、惯性力不容易平衡，不适合、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。于高速传动。3 3、不易精确地满足各种运动规、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。律和运动轨迹的要求。第15页/共89页n 平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故常简称为“杆”。连杆机构又可根据机构中所含杆数而命名，如：四杆机构、五杆机构、六杆机构、多杆机构等。n 近年来国内外在连杆机构的
8、研究方面都有长足的发展，不再限于单自由度四杆机构的研究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。例如：多自由的的机械手；四足、六足步行机等，已经不限于运动学的范围，还注重动力学方面的研究。第16页/共89页n 由于计算机的普及，很多智能化软件为平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连杆机构的应用前景也很广泛。平面连杆机构中最简单、应用最广的是四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。第17页/共89页8-2 8-2 平面四杆机构的平面四杆机构的基本类型和应用基本类型和应用一、平面四杆机构的基本类一、平面四杆机构的基本类型及应用型及应用二、平面四杆机构的演化二、
9、平面四杆机构的演化第18页/共89页铰链四杆机构铰链四杆机构 铰链四杆机构就是当平面四铰链四杆机构就是当平面四杆机构中的全部运动副均为杆机构中的全部运动副均为转动转动副副时的四杆机构为铰链四杆机构。时的四杆机构为铰链四杆机构。第19页/共89页 构件名称连架杆：与机架相连的构件称为连架杆。连架杆连架杆机架机架连架杆连架杆连杆连杆能绕其轴线转能绕其轴线转360的的连架杆连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。连架杆。曲柄曲柄摇杆摇杆连架杆连架杆机架：固定不动的构件称为机架。连杆：不直接与机架相连的构件称为连杆。第20页/共89页一、平面四杆机构的基一、平面四杆机构的基本类
10、型及应用本类型及应用1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构2 2、双曲柄机构、双曲柄机构3 3、双摇杆机构、双摇杆机构第21页/共89页1 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构：若在铰链四杆机构的两连架若在铰链四杆机构的两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆，则杆中一为曲柄，另一为摇杆，则此四杆机构称为此四杆机构称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构。第22页/共89页曲柄摇杆机构的应用颚式破碎机机构第23页/共89页雷达天线机构搅拌机机机构第24页/共89页2 2、双曲柄机构、双曲柄机构 在铰链四杆机构中若两连在铰链四杆机构中若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构架杆均为曲柄，则此四杆机构称为称为双曲柄机构双曲柄机构。第2
11、5页/共89页双曲柄机构的应用惯性筛机构第26页/共89页 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。行，两曲柄的转向相同，称为平行四边形机构。n（1）平行四边形机构：第27页/共89页平行四边形机构的应用蒸汽机车驱动装置摄影升降机构第28页/共89页 在双曲柄机构中，若相对两在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行杆的长度相等，但不平行(BCBC
12、与与AD)AD)，两曲柄转向相反（两曲柄转向相反（ABAB与与CDCD），），称为反平行四边形机构。称为反平行四边形机构。n（2）反平行四边形机构：车门开闭机构第29页/共89页3 3、双摇杆机构、双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称杆均为摇杆，则此四杆机构称为为双摇杆机构双摇杆机构。第30页/共89页双摇杆机构的应用鹤式起重机机机构第31页/共89页等腰梯形机构等腰梯形机构：在双摇杆机构：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。等腰梯形机构。汽车前轮转向机构第32页/共89页二、平面四杆机构的演二、平面四杆机
13、构的演化化1 1 1 1、改变相、改变相、改变相、改变相对对对对杆长、转动副演化为移动副杆长、转动副演化为移动副杆长、转动副演化为移动副杆长、转动副演化为移动副n 曲柄滑块机构C3AB124e第33页/共89页n偏置曲柄滑块机构（e 0)n对心曲柄滑块机构 (e=0)第34页/共89页对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构第35页/共89页n2、选用不同构件为机架n（1）变化铰链四杆机构的机架(0360)(0360)(360)(360)1234ABCD双曲柄机构双曲柄机构(0360)(0360)(360)(360)1234ABDC双双摇杆机构摇杆机构(0360)(03
14、60)(360)1234ABCD(360)整周转动副整周转动副曲柄摇杆机构第36页/共89页曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构第37页/共89页（2）变化单移动副机构的机架曲柄滑块机构BA1234C曲柄摇块机构导杆机构定块机构第38页/共89页转动导杆机构BA1234C摆动导杆机构3A124CB导杆机构第39页/共89页刨床机构刨床机构刨床机构刨床机构转动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构转动导杆机构(ABBC)ABBC)ABBC)ABBC)第40页/共89页曲柄摇块机构曲柄摇块机构第41页/共89页移动导杆机构（定块移动导杆机构（定块机构）机构）第42页/共89页（3）变化双移动副机构的机架（带
15、二个滑块）n双滑块机构 第43页/共89页n正弦机构第44页/共89页n双滑块机构 n双转块机构 第45页/共89页n双滑块机构应用 缝纫机针杆机构椭圆仪机构第46页/共89页 双转块机双转块机构构第47页/共89页偏心轮机构偏心轮机构偏心轮机构偏心轮机构n3、扩大转动副径向尺寸第48页/共89页8-3 8-3 平面四杆机构的平面四杆机构的基本知识基本知识一、铰链四杆机构有曲柄的条一、铰链四杆机构有曲柄的条件件二、压力角和传动角二、压力角和传动角三、急回运动和行程速比系数三、急回运动和行程速比系数四、机构的死点位置四、机构的死点位置第49页/共89页一、铰链四杆机构有曲柄的条件由B2C2D a
16、+db+c(1)由B1C1D b(d-a)+c 或 c(d-a)+b 即 a+bd+c (2)a+cb+d (3)adC2A1a4b3cdBDacaba为最短杆第50页/共89页铰链四杆机构有曲柄的铰链四杆机构有曲柄的条件条件1 1、杆长条件杆长条件：最短杆和最长最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。杆长度之和。n2、最短杆是连架杆或机架。（组成周转副的两杆中必一个是最短杆）第51页/共89页满足杆长条件满足杆长条件即：最短杆即：最短杆+最长杆小于或等于最长杆小于或等于其余两杆长度之和。其余两杆长度之和。n若取最短杆为连架杆时：曲柄摇杆机构。第52页/共8
17、9页若取若取最短杆最短杆为为机架机架时：时：双曲柄双曲柄机构机构。n 若取最短杆为连杆时，即最短杆相对的杆为机架：双摇杆机构。第53页/共89页不满足不满足杆长条件杆长条件即：最短杆加最长杆即：最短杆加最长杆大于大于其余其余两杆长度之和，则铰链四杆机两杆长度之和，则铰链四杆机构无论取哪杆为机架均无曲柄构无论取哪杆为机架均无曲柄存在，只能得到双摇杆机构。存在，只能得到双摇杆机构。第54页/共89页在铰链四杆机构中：在铰链四杆机构中：铰链铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系：四杆机构的类型与尺寸之间的关系：2 2以最短杆为机架，则此机构为以最短杆为机架，则此机构为双曲柄机构双曲柄机构；以最短杆的相邻
18、构件为机架，则此机构为以最短杆以最短杆的相邻构件为机架，则此机构为以最短杆为曲柄的为曲柄的曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构；且：且：1 13 3以最短杆的对边构件为机架，则此机构为以最短杆的对边构件为机架，则此机构为双摇杆机构双摇杆机构。（1 1）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆 长度之和长度之和 满足杆长和条件满足杆长和条件（2 2）如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和）如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之和 （不满足杆长和条件），则不论选哪个构件为机架，（不满足杆长和条件），则不论选哪个构件为机架，都为都为双摇杆机
19、构双摇杆机构。第55页/共89页二、压力角和传动角n1、压力角(pressure angle)n 从动件CD受的力F的作用线与力作用点C的绝对速度vc 所夹锐角，称为此位置的压力角。在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受力点的速受力点的速度方向线度方向线所夹的锐角所夹的锐角。vcF1ABCD234第56页/共89页vcFF1F21ABCD234n由力的分解：沿着速度方向的有效分力垂直于Ft的分力第57页/共89页vcFF1F21ABCD234 力F2 只能使铰链C、D产生压轴
20、力，希望它越小越好；力F1 越大，推动机构的有效分力就越大，传力效果就越好，即 越小越好。n因此，对连杆机构中的压力角提出了限制，最大不能超过 4050，n即：t2v2v1第72页/共89页 在曲柄等速回转的情况下在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复摆动速度快慢不同的，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动，称为运动，称为急回运动急回运动。v2v1n 为了衡量摇杆急回作用的程度，用行程速比系数表示.第73页/共89页3 3、行程速比系数、行程速比系数(coefficient of coefficient of travel speed travel speed variation)variation)k
21、 k 为了衡量摇杆急回作用的为了衡量摇杆急回作用的程度，把从动件往复摆动平均程度，把从动件往复摆动平均速度的比值（大于速度的比值（大于1 1）称为行程）称为行程速比系数，即速比系数，即第74页/共89页由n极为夹角为第75页/共89页 四杆机构有无急回运动，取四杆机构有无急回运动，取决于决于曲柄与连杆共线位置的夹角曲柄与连杆共线位置的夹角，即有无极位夹角即有无极位夹角，不论是何种，不论是何种机构，只要机构在运行过程中机构，只要机构在运行过程中具具有极位夹角有极位夹角，则该机构就具有，则该机构就具有急回作用急回作用。角越大，则角越大，则K K值越大，说明值越大，说明急回运动的性质也越显著。急回运
22、动的性质也越显著。第76页/共89页四、机构的死点位置四、机构的死点位置 指从动件的传动角指从动件的传动角 =0(=0(或或=90)=90)时机构所处的位时机构所处的位置。置。（不考虑构件的重力、惯（不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力的影性力和运动副中的摩擦力的影响）响）1、死点(dead point)位置第77页/共89页B2C2vB踏板踏板缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构脚脚AB1C1DFB 画出压力角画出压力角1C234ABDabcdvBFB第78页/共89页 对于曲柄摇杆机构，当摇杆对于曲柄摇杆机构，当摇杆对于曲柄摇杆机构，当摇杆对于曲柄摇杆机构，当摇杆1 1 1 1为主动件，
23、当为主动件，当为主动件，当为主动件，当连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极连杆与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极限位置时，经过连杆限位置时，经过连杆限位置时，经过连杆限位置时，经过连杆2 2 2 2传给从动曲柄传给从动曲柄传给从动曲柄传给从动曲柄3 3 3 3的驱动力的驱动力的驱动力的驱动力F F F F，通过曲柄的转动中心通过曲柄的转动中心通过曲柄的转动中心通过曲柄的转动中心A A A A。对从动曲柄对从动曲柄对从动曲柄对从动曲柄3 3 3 3的有效力的有效力的有效力的有效力矩为零，故不能推动曲柄转
24、动矩为零，故不能推动曲柄转动矩为零，故不能推动曲柄转动矩为零，故不能推动曲柄转动,机构处于卡死位机构处于卡死位机构处于卡死位机构处于卡死位置，置，置，置，机构的这种位置称为机构的这种位置称为死点位死点位置置。n此时传动角=0n（或=90）。第79页/共89页机构是否有死点位置与机构是否有死点位置与哪一构件为主动件有关。哪一构件为主动件有关。曲柄摇杆机构，当曲柄为主动曲柄摇杆机构，当曲柄为主动件时无死点位置，但有极限位件时无死点位置，但有极限位置，当摇杆为主动件时有死点置，当摇杆为主动件时有死点位置。位置。第80页/共89页曲柄滑块机构，当以滑块曲柄滑块机构，当以滑块3 3为为主动件时有死点位置
25、。主动件时有死点位置。第81页/共89页 平行四边形机构，连杆与曲平行四边形机构，连杆与曲柄共线时传动角为柄共线时传动角为0 0（转向点转向点），从动曲柄可能向正反两个方向，从动曲柄可能向正反两个方向转动，机构运动不确定，平行四转动，机构运动不确定，平行四边形机构可能变成反平行四边形边形机构可能变成反平行四边形机构。机构。第82页/共89页n双摇杆机构，也有死点位置，在实际设计中常采用限制摆杆的角度来避免死点位置。第83页/共89页死点位置的克服办法死点位置的克服办法例：缝纫例：缝纫机借助于机借助于带轮的惯带轮的惯性通过死性通过死点。点。n（1）利用飞轮惯性来克服死点位置第84页/共89页 蒸
26、汽机车车轮联动机构，左蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组曲柄滑块机构中，曲右车轮两组曲柄滑块机构中，曲柄柄ABAB与与A AB B位置错开位置错开9090。n（2）利用机构错位排列法来克服死点位置。第85页/共89页2 2、死点位置在机构中的作用、死点位置在机构中的作用n钻床工件夹紧机构n飞机起落架机构第86页/共89页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第87页/共89页第88页/共89页