机械原理第8章.pptx

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1、（1）平面连杆机构：许多构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。）平面连杆机构：许多构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。1.定义定义&2 平面连杆机构平面连杆机构第1页/共61页&2 平面连杆机构平面连杆机构第2页/共61页&2 平面连杆机构平面连杆机构第3页/共61页&2-1 铰链四杆机构铰链四杆机构 机架机架4 曲柄曲柄1 摇杆摇杆3 连杆连杆2铰链四杆机构：全用转动副相连的平面四杆机构曲柄摇杆双曲柄双摇杆基本形式基本形式第4页/共61页(1)曲柄摇杆机构曲柄摇杆通常 曲柄为原动件，作匀速转动 摇杆为从动件，作变速变速往复摆动1.运动形式第5页/共61页(2)双曲柄机构

2、原动曲柄作等速转动从动曲柄作周期性变速转动例：例：振动筛第6页/共61页原动曲柄、从动曲柄作等速同向转动连杆以同样的角速度作平移运动 平行四边形机构当四个铰链中心共线时，将出现运动的不确定状态平行四边形机构平行四边形机构常用的双曲柄机构常用的双曲柄机构第7页/共61页 平行四边形机构平行四边形机构平行四边形机构常用的双曲柄机构常用的双曲柄机构第8页/共61页逆平行四边形机构逆平行四边形机构第9页/共61页(3)双摇杆机构双摇杆机构第10页/共61页(3)双摇杆机构双摇杆机构第11页/共61页1 1、曲柄摇杆机构的演化曲柄摇杆机构的演化曲柄滑块机构曲柄滑块机构转动副变成移动副转动副变成移动副e改

3、变构件相对尺寸改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸e0&8-2 平面四杆机构的演化mmmm对心曲柄滑块对心曲柄滑块偏置曲柄滑块偏置曲柄滑块第12页/共61页l1l2L1 l22 2、曲柄滑块机构的演化导杆、摇块、定块机构曲柄滑块机构的演化导杆、摇块、定块机构Take“1 as frame对心曲柄滑块对心曲柄滑块回转导杆机构回转导杆机构摆动导杆机构摇块机构定块机构定块机构Take“3 as frameTake“2 as frame第13页/共61页 注：曲柄长度很小时，常将曲柄做成偏心轮，增大轴颈尺寸，提高偏心轴强度、刚度。4扩大回转副扩大回转副2 2、曲柄滑块机构的演化偏心轮机构曲

4、柄滑块机构的演化偏心轮机构第14页/共61页3 3、运动副元素逆换、运动副元素逆换第15页/共61页正弦机构正弦机构和正切机构正弦机构和正切机构正切机构第16页/共61页双转块和双滑块机构双转块机构双滑块机构第17页/共61页(2)选用不同的构件为机架选用不同的构件为机架(3)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸(1)(1)改变构件的形状和相对运动尺寸改变构件的形状和相对运动尺寸 (4)运动副元素的逆换运动副元素的逆换（改变移动副两元素包容关系）（改变移动副两元素包容关系）第18页/共61页1、铰链四杆机构有曲柄的条件、铰链四杆机构有曲柄的条件aabcbcd蓝色三角形成立蓝色三角形成立红色三角形成

5、立红色三角形成立&8-3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识第19页/共61页比较比较a最短最短abcd该机构中构件该机构中构件a最短，最短，构件构件a能否整周回转能否整周回转？第20页/共61页周转副由最短杆及其邻边组成周转副由最短杆及其邻边组成a最短最短最短杆与最长杆之和小于等于最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和其它两杆长度之和铰链四杆机构有整转副条件铰链四杆机构有整转副条件第21页/共61页讨论：讨论：最短杆邻边为机架曲柄摇杆最短杆为机架双曲柄（1）若周转副位于机架上存存在在曲曲柄柄B2C3D41A双曲柄1234曲柄摇杆CDAB第22页/共61页讨论：讨论：（2）若机构

6、不存在整转副，只形成双摇杆最短杆对边为机架双摇杆无无曲曲柄柄B2C3D41A双摇杆第23页/共61页 曲柄曲柄在转动一周的过程中，有两次与连杆共线与连杆共线（为重叠共线，为拉直共线），此时A与C之间的距离 和 分别为最短和最长。此时摇杆摇杆CD摆至其左、右极限左、右极限位置位置。摇杆两极限位置间的夹角称为摇杆摆角摇杆摆角。当摇杆处于两极限位置时，对应曲柄的两共线位置之间所夹的锐角 ，称为极位夹角极位夹角。2.铰链四杆机构的急回特性BC 极限位置第24页/共61页DabdccabA主动件主动件a a时间：时间：转角：转角：运动：运动：从动件从动件c c时间：时间：转角：转角：运动：运动：从动件从

7、动件c c的平的平均角速度：均角速度：第25页/共61页急回运动特性可用急回运动特性可用K表示：表示：极位夹角 越大，K值越大，急回运动性质也越显著。行程速比系数行程速比系数 设计新机械时，根据机械的急回要求先给出K值，算出极位夹角，再确定构件的尺寸。第26页/共61页第27页/共61页压力角：压力角：力力F F的作用线与力作用点绝对速度的作用线与力作用点绝对速度V V所夹的锐角所夹的锐角称为称为压力角压力角。传动角：传动角：压力角的余角压力角的余角称为称为传动角传动角2.铰链四杆机构的压力角和传动角第28页/共61页 压力角越小，传动角越大，有效分力越大，机构传动性能越好。习惯用传动角判断机

8、构传力性能。曲柄摇杆机构的压力角和传动角曲柄摇杆机构的压力角和传动角第29页/共61页机构在运转一周的过程中，传动角是变化的。min 40大功率机械：min 50为保证机构传力性能良好，应使 min 的位置的位置：曲柄与机架两共线位置之一曲柄与机架两共线位置之一 min=minmin,min第30页/共61页 若摇杆为原动件，曲柄为从动件，在摇杆的两个极限位置上，摇杆通过连杆加给曲柄的力恰好通过曲柄的回转中心A，传动角为零，即此时力对A点不产生力矩，不能使曲柄转动。机构的两个极限位置即为死点死点位置。DabdccabA3.铰链四杆机构的死点第31页/共61页曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点曲

9、柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点无死点存在无死点存在DA第32页/共61页 在死点位置上，机构的从动件会出现卡死或运动不确定现象。措施：（1）对从动曲柄施加外力；（2）利用飞轮及构件自身的惯性，闯过死点。死点位置危害及措施死点位置危害及措施利用构件惯性克服死点利用构件惯性克服死点第33页/共61页死点位置的应用死点位置的应用F第34页/共61页4.铰链四杆机构的运动连续性第35页/共61页1.设计内容：根据已知运动条件，选择机构型式，确定各构件尺寸。&8-4 平面四杆机构的设计2.设计方法解析法精确、繁杂作图法作图法易行、实验法直观简便3.基本问题一、一、按给定连杆位置设计按给定连杆位置设计三

10、、按连架杆预定位置设计三、按连架杆预定位置设计二、按急回要求设计二、按急回要求设计第36页/共61页按给定连杆位置设计四杆机构按给定连杆位置设计四杆机构第37页/共61页已知行程速比系数K，摇杆长度l3，摇杆摆角按急回要求设计曲柄摇杆机构按急回要求设计曲柄摇杆机构NPMB2B1ADC2C1BC第38页/共61页按连架杆预定位置设计四杆机构按连架杆预定位置设计四杆机构第39页/共61页已知条件：机架长度已知条件：机架长度 l lADAD和两连架杆的三个对应位置和两连架杆的三个对应位置AB1、D和AB2、D及AB3、D1213D1213B2B3AB1C1B212B313第40页/共61页按急回特性

11、设计四杆机构按急回特性设计四杆机构第41页/共61页&8-5 多杆机构简介第42页/共61页1 1、平面连杆机构的应用特点及四杆机构的基本类型；、平面连杆机构的应用特点及四杆机构的基本类型；2 2、四杆机构的演化：、四杆机构的演化：变运动副尺寸变运动副尺寸偏心轮；偏心轮；变构件形状变构件形状移动副；移动副；机架的位置机架的位置3 3、四杆机构的基本特性：、四杆机构的基本特性：曲柄存在条件：曲柄存在条件：铰链四杆机构的判别方法；急回特性：急回特性：极限位置、摆角、极位夹角、行程速比系数传动角、压力角：传动角、压力角：分清原动件、从动件死点位置死点位置4 4、四杆机构的设计、四杆机构的设计：按给定

12、连杆位置设计；按给定两连架杆位置设计；按行程速比系数设计；第43页/共61页 1.平面连杆机构的运动设计是一个比较复杂和困难的问题，这主要是因为它平面连杆机构的运动设计是一个比较复杂和困难的问题，这主要是因为它所含有的运动副为低副，而低副的约束数比高副多，从而给连杆机构的设计带来所含有的运动副为低副，而低副的约束数比高副多，从而给连杆机构的设计带来较多的困难。但是，由于连杆机构中构件运动形式和连杆曲线的多样性，可供工较多的困难。但是，由于连杆机构中构件运动形式和连杆曲线的多样性，可供工程实际广泛应用，所以直到今天程实际广泛应用，所以直到今天,连杆机构的设计问题仍受到国内外学者的广泛连杆机构的设

13、计问题仍受到国内外学者的广泛重视和深入研究。重视和深入研究。连杆机构的设计方法大体可分为图解法、解析法和实验法三大类。本章结合连杆机构的设计方法大体可分为图解法、解析法和实验法三大类。本章结合几种设计几种设计 命题对这三种方法都有所介绍，但限于学时和篇幅，所讲内容是最基本命题对这三种方法都有所介绍，但限于学时和篇幅，所讲内容是最基本的、有限的。同学若想深入学习和研究，可参阅张世民编著的的、有限的。同学若想深入学习和研究，可参阅张世民编著的平面连杆机构设平面连杆机构设计计（北京：高等教育出版社（北京：高等教育出版社,1983）和）和A.G.厄尔德曼，厄尔德曼，G.N.桑多尔著，庄细荣桑多尔著，庄

14、细荣等译的等译的机构设计机构设计分析与综合（第一分析与综合（第一 卷）（第二卷）卷）（第二卷）（北京：高等教（北京：高等教育出版社，育出版社，1992，1993）两书。前者对平面连杆机构的运动设计）两书。前者对平面连杆机构的运动设计 作了较深入的介作了较深入的介绍，读者可以用它来解决更多的设计问题，书中不仅介绍了平面连杆机构绍，读者可以用它来解决更多的设计问题，书中不仅介绍了平面连杆机构 设计的设计的一些基础理论，而且在每一基一些基础理论，而且在每一基第44页/共61页础础理理论论之之后后都都附附有有具具体体的的应应用用实实例例；后后者者是是一一本本内内容容丰丰富富、观观点点新新颖颖的的教教科

15、科书书，其其在在连连杆杆机机构构运运动动设设计计方方面面的的内内容容之之丰丰富富是是其其它它教教科科书书无无法法相相比比的的，书书中中既既有有较较详细的设计方法介绍和理论分析，又有结合现代工业和生活实际的实例说明。详细的设计方法介绍和理论分析，又有结合现代工业和生活实际的实例说明。2.根根据据给给定定的的运运动动轨轨迹迹设设计计平平面面连连杆杆机机构构，是是工工程程实实际际中中常常见见的的设设计计命命题题之之一一。如如本本章章所所述述，连连杆杆曲曲线线方方程程一一般般是是一一个个六六次次方方程程，求求解解这这样样的的方方程程，需需要要联联立立求求解解高高阶阶非非线线性性方方程程组组。要要求求实

16、实现现的的精精确确点点数数目目越越多多，求求解解越越困困难难，而而且且还还可可能能没没有有实实数数解解，或或即即使使有有解解，也也可可能能由由于于结结构构尺尺寸寸不不合合理理或或传传动动角角太太小小等等原原因因而而无无实实用用价价值值。因因此此，在在工工程程实实际际中中,人人们们常常借借助助连连杆杆曲曲线线图图谱谱来来进进行行轨轨迹迹生生成成机机构构的的设设汁汁。和和所所著著的的Analysis of the Four-Bar Linkage（New York：书书，是是这这方方面面 的的一一本本经经典典著著作作，书书中中收收集集了了7000余余张张曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构的的连连杆杆曲曲线线

17、图图谱谱，包包含含了各种各样的轨迹曲线，利用它可以使设计过程大大简化。了各种各样的轨迹曲线，利用它可以使设计过程大大简化。第45页/共61页 需需要要指指出出的的是是，随随着着计计算算技技术术的的进进一一步步发发展展和和计计算算机机应应用用范范围围的的日日益益扩扩大大，绘绘制制连连杆杆曲曲线线图图谱谱的的工工作作也也可可借借助助计计算算机机来来实实现现，从从而而使使连连杆杆曲曲线线图图谱谱的的类类型型更更加丰富和完善。加丰富和完善。3.在平面连杆机构设计中，有时设计误差偏大，有时还要求所设计的机构满在平面连杆机构设计中，有时设计误差偏大，有时还要求所设计的机构满足许用足许用 传动角、存在曲柄以

18、及其他一些结构上的要求。在这些情况下，仅用本章传动角、存在曲柄以及其他一些结构上的要求。在这些情况下，仅用本章介绍的设计方法是难于同时满足这些设计要求的，需要运用优化设计方法进行设介绍的设计方法是难于同时满足这些设计要求的，需要运用优化设计方法进行设计，以得到比较满意的设计，以得到比较满意的设 计结果。计结果。所谓机构的最优化设计就是根据机构分析及设计的理论，采用数学上的最优所谓机构的最优化设计就是根据机构分析及设计的理论，采用数学上的最优化方法，借助计算机进行计算，使所设计的机构最优地满足预定的各项设计要求，化方法，借助计算机进行计算，使所设计的机构最优地满足预定的各项设计要求，从而得到最优

19、的设计方案。在利用最优化方法进行机构设计时，首先要建立一个从而得到最优的设计方案。在利用最优化方法进行机构设计时，首先要建立一个包括各设计变量（如各构包括各设计变量（如各构 件的尺寸参数和位置参数等）的所谓目标函数（如以连件的尺寸参数和位置参数等）的所谓目标函数（如以连杆上一点杆上一点M轨迹误差最小作为设轨迹误差最小作为设 计目标），然后在所给约束条件（如存在曲柄、计目标），然后在所给约束条件（如存在曲柄、传动角在许用范围内、结构尺寸合理传动角在许用范围内、结构尺寸合理第46页/共61页等等）的的范范 围围内内，运运用用合合理理的的优优化化方方法法，通通过过循循环环反反复复的的大大量量计计算算

20、和和评评比比，对对各各设设计变量进行优选，以计变量进行优选，以 求得目标函数的最优解。求得目标函数的最优解。利利用用计计算算机机对对机机构构进进行行最最优优化化设设计计，已已成成为为近近年年来来机机构构学学发发展展的的一一个个重重要要方方面面。有有兴兴趣趣的的同同学学可可参参阅阅陈陈立立周周等等所所著著的的机机械械优优化化设设计计（上上海海：上上海海科科学学技技术术出出版版社社，1982）和和王王文文博博主主编编的的机机构构和和机机械械零零部部件件优优化化设设计计（北北京京：机机械械工工业业出出版版社社，1990）两两书书。书书中中不不仅仅介介绍绍了了机机械械优优化化设设计计的的基基本本知知识

21、识、理理论论和和若若干干常常用用的的优优化化设设计计方方法法，还还介介绍绍了了包包括括连连杆杆机机构构在在内内的的若若干干常常用用机机构构的的优优化化设设计计和通用机械零部件的优化设计方法。和通用机械零部件的优化设计方法。4.空空间间连连杆杆机机构构有有许许多多特特点点，可可以以实实现现平平面面连连杆杆机机构构难难以以实实现现或或根根本本无无法法实实现现的的运运动动，因因此此在在工工程程实实际际中中也也得得到到了了较较多多的的应应用用。但但其其分分析析和和设设计计比比较较复复杂杂，不不易易想想象象，也也难难以以用用直直观观的的实实验验法法进进行行设设计计，故故需需要要对对其其进进行行专专门门研

22、研究究。有有兴兴趣趣对对其其进进行行深深入入研研究究的的同同学学，可可参参阅阅张张启启先先编编著著的的空空间间机机构构的的分分析析与与综综合合（上上）（北京：机械工业出版社，（北京：机械工业出版社，1984）一书。书）一书。书第47页/共61页中中，作作者者根根据据多多年年从从事事科科学学研研究究的的成成果果，对对空空间间连连杆杆机机构构的的分分析析与与综综合合问问题题进进行行了了深深入入的的讨讨论论。此此外外，由由谢谢存存禧禧、郑郑时时雄雄、林林怡怡青青编编著著的的空空间间机机构构设设计计一一书书（上上海海：上上海海科科学学技技术术出出版版社社，1996），也也对对空空间间连连杆杆机机构构

23、的的组组成成原原理理、运运动动分分析、受力分析和设计方法作了详细的讨论，是一本研究空间机构的专著。析、受力分析和设计方法作了详细的讨论，是一本研究空间机构的专著。5.由由华华大大年年、华华志志宏宏、吕吕静静平平编编著著的的连连杆杆机机构构设设计计一一书书（上上海海：上上海海科科学学技技术术出出版版社社，1995），是是近近年年来来国国内内出出版版的的一一本本关关于于连连杆杆机机构构的的专专著著。书书中中着着重重论论述述平平面面连连杆杆机机构构,也也简简要要讨讨论论了了空空间间连连杆杆机机构构，涉涉及及内内容容十十分分广广泛泛。主主要要包包括括：平平面面连连杆杆机机构构的的组组成成分分析析与与创

24、创新新设设计计，平平面面连连杆杆机机构构的的运运动动分分析析、平平面面连连杆杆机机构构的的力力分分析析与与平平衡衡,平平面面连连杆杆机机构构的的设设计计，平平面面连连杆杆机机构构的的计计算算机机辅辅助助设设计计和和最最优优化化设设计计，平平面面连连杆杆机机构构的的结结构构设设计计，简简单单空空间间连连杆杆机机构构的的分分析析与与设设计计等等。特特别是关于平面连杆机构设计方面的内容十分丰富，可供读者设计时参考。别是关于平面连杆机构设计方面的内容十分丰富，可供读者设计时参考。第48页/共61页1.孙桓、陈作模主编孙桓、陈作模主编机械原理机械原理（高教出版社，（高教出版社，1996）2.郑文纬、吴克

25、坚主编郑文纬、吴克坚主编机械原理机械原理（高教出版社，（高教出版社，1997）3.罗洪田罗洪田平面四杆机构运动连续性够准则平面四杆机构运动连续性够准则（西安交大学报，西安交大学报，1986）5.华大年等编著华大年等编著连杆机构设计连杆机构设计（上海科学技术出版社，（上海科学技术出版社，1995）6.张世民主编张世民主编平面连杆机构设计平面连杆机构设计（高教出版社，（高教出版社，1983）7.王知行王知行用数值比较法实现平面连杆机构的函数综合用数值比较法实现平面连杆机构的函数综合（机械设计，机械设计，1997，14（10）：）：7-9）8.王知行、陈照波、江鲁王知行、陈照波、江鲁利用连杆转角曲线

26、进行平面连杆机构轨迹综合的研究利用连杆转角曲线进行平面连杆机构轨迹综合的研究（机械工程学报，（机械工程学报，1995，31（1）：）：42-47）第49页/共61页已知条件：机架长度 及K值（2 2）按要求设计摆动导杆机构）按要求设计摆动导杆机构第50页/共61页CAB1B2D1D2第51页/共61页本章重点小结本章重点小结一、铰链四杆机构的基本形式和演化手段一、铰链四杆机构的基本形式和演化手段 曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆（曲柄滑块、导杆、摇块、定块、偏心轮、双滑块）机构（曲柄滑块、导杆、摇块、定块、偏心轮、双滑块）机构二、铰链四杆机构的运动和动力特性二、铰链四杆机构的运

27、动和动力特性 整转副存在条件、急回特性、压力角（死点）整转副存在条件、急回特性、压力角（死点）三、平面四杆机构的设计三、平面四杆机构的设计设计思路设计思路第52页/共61页振动筛第53页/共61页Homework:2-6 (1)2-92-10 (思考思考)已知某曲柄摇杆机构的摇杆长度mm,机架长度 mm，行程速度变化系数K=1，摇杆最大摆角 试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度（选用适当的比例尺）。补充：补充：第54页/共61页B2C2ADyyC22B2第55页/共61页按连架杆预定位置设计四杆机构按连架杆预定位置设计四杆机构第56页/共61页F1F3F1F2F3EC1C2C3第57页/共61页精品课件精品课件！第58页/共61页精品课件精品课件！第59页/共61页(1)在B、C处有速度突变，故在B、C处存在刚性冲击。(2)在O、A、D、E处有加速度突变，故在O、A、D、E处存在柔性冲击。第60页/共61页感谢您的观看。感谢您的观看。第61页/共61页