第八章四杆机构.ppt

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1、第八章 平面连杆机构及其设计,本章要求 1.了解平面连杆机构的组成、特点及应用; 2.掌握平面四杆机构的基本型式、演化型式; 3.掌握四杆机构曲柄存在条件，压力角、传动角、死点、急回运动及行程速比系数等基本概念; 4.掌握平面四杆机构的主要设计方法（图解法）。,一、连杆机构的构成,由若干个构件通过低副连接而组成的机构,又称为低副机构。,连架杆,机架,连架杆,连杆,8-1 平面连杆机构组成以及特点,原动件1的运动经过中间构件2传动到从动件3。,1，连杆机构运动,1.连架杆,4.机架,3.连架杆,2.连杆,缝纫机中的连杆机构,2，连杆机构应用,雷达中的连杆机构,动画演示,3，最常见的连杆机构型式,

2、铰链四杆机构,曲柄滑块机构,导杆机构,二、连杆机构的分类,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（重点讨论）。,1、平面连杆机构,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。,2、空间连杆机构（不涉及）,三、平面连杆机构的优缺点,1、低副机构，承载能力较大，耐冲击，便于润滑，磨损小； 2、圆柱面制造比较容易，结构简单，工作可靠； 3、可以实现不同的运动规律和特定轨迹要求。,用于受力较大的挖掘机，破碎机,用于实现各种不同的运动规律和轨迹要求， 连杆曲线图谱书121页,动画演示,4、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度，并且效率较低。 5、惯性力不容易

3、平衡，不适合于高速传动。 6、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。,8-2 平面四杆机构的类型和应用,一、基本类型及应用,曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构,基本类型,1、曲柄摇杆机构,若在铰链四杆机构的两连架杆中，一个为曲柄（整周回转），另一为摇杆（不能整周回转），则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,雷达天线装置,曲柄摇杆机构,2、双曲柄机构,铰链四杆机构中的两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。,动画演示,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。,典型的双曲柄机构-平行四边形机构,应用,蒸汽机车驱动装置,摄影升降机构,动画演示,在双曲

4、柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行(BC与AD)，两曲柄转向相反（AB与CD），称为反平行四边形机构。,反平行四边形机构,车门开闭机构,双曲柄机构的应用,惯性筛机构,3、双摇杆机构,若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。,双摇杆机构的应用,鹤式起重机动画,汽车前轮转向机构,在双摇杆机构中若两摇杆长度相等， 则称为等腰梯形机构。,二、平面四杆机构的演化,1、改变构件形状与尺寸,曲柄摇杆机构,当3杆长为无穷大时,曲柄滑块机构,当3杆长为无穷大时,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,2、选用不同构件为机架,（1）曲柄摇杆机构,构件4为机架,摆动副,双曲柄机构,双摇杆机构

5、,构件1(曲柄）为机架,构件3（连杆）为机架,选用不同构件为机架,双曲柄机构,双摇杆机构,曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,导杆机构,曲柄摇块机构,（2）曲柄滑块机构,定块机构 （移动导杆机构）,曲柄摇块机构应用,偏心轮机构,3，变化运动副尺寸,4，运动副元素的逆换（知道即可）,曲柄滑块机构,曲柄摇块机构,2，3 换成移动副，3，4换成转动副,三、机构应用实例（有些新的机构） 1，移动导杆机构,2，双滑块机构（正弦机构）,3，双转块机构,偏心轮机构,搅拌机铰链四杆机构,抽水机移动导杆机构（直动滑杆机构）,车门开闭装置（反平行四边形机构）,卡车车厢（曲柄摇块机构）,汽车前轮转向（等腰梯形机构）,鹤式起

6、重机（双摇杆机构）,升降机（平行四边形机构）,8-3 平面四杆机构的基本知识*,一、铰链四杆机构有曲柄的条件； 二、压力角和传动角； 三、急回运动和行程速比系数； 四、机构的死点位置。,构件AB要为曲柄，则转动副A应为周转副； 因此AB杆应能占据与AD共线的位置AB及AB。,一、铰链四杆机构有曲柄的条件,推导过程略,结论：铰链四杆机构有曲柄的条件,1、最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和杆长条件； 2、最短杆是连架杆或机架最短杆位置条件。,*若不满足杆长条件，则没有曲柄，即永远是双摇杆机构； *若满足杆长条件，则有曲柄存在的可能，是否有还要看最短杆的位置(或说：看哪个杆为机架）。,

7、满足杆长条件： （1）若取最短杆为连架杆：曲柄摇杆机构 （2个）,（2）若取最短杆为机架：双曲柄机构,（3）若取最短杆为连杆：双摇杆机构,不满足杆长条件,无论哪个杆做机架，永远是双摇杆机构。,归纳：铰链四杆机构的类型与尺寸的关系：,2）如果不满足杆长条件，则不论选哪个构件为机架，都为双摇杆机构。,书上练习，144页，8-6,曲柄滑块机构有曲柄的条件（自学）,有曲柄的条件,二、压力角和传动角,1、压力角,从动件的受力方向F与速度V方向所夹的锐角。,从动件CD受力F的作用线与C点的绝对速度vc 所夹锐角，称为此位置的压力角。,力F2 只能使铰链C、D产生压轴力，希望它越小越好。,力F1 越大推动机

8、构的有效分力就越大，传力效果就越好；,结论： 越小越好。,分析压力角大小影响,因此，对连杆机构中的压力角提出了限制， 最大不能超过 4050， 即： = 4050,越小，受力越好。,越大，受力越好。,2、传动角,压力角的余角称为机构在此位置的传动角。 = 90- ,平面四杆机构最小传动角的位置,原动件为AB,最小传动角 min出现在曲柄与机架共线的两个位置上，即为 min或 max时的两个位置，比较这两个位置传动角，即可求出最小传动角min。,复习： 1，如何判断一个四杆机构是否有曲柄？有几个曲柄？ 2，曲柄摇杆机构最小传动角位置？,各机构压力角与传动角,曲柄滑块机构min何时出现？,三、急回

9、运动和行程速比系数,极位夹角, 急回运动,1、极位夹角,曲柄摇杆机构中曲柄与连杆两次共线位置时,曲柄之间所夹锐角 称为极位夹角。,当AB与BC两次共线时，摇杆CD处于两极限位置。 摇杆在两极限位置所夹角称为摆角。,曲柄转角,对应的时间,摇杆点C的 平均速度,),),2、急回运动（前提：曲柄匀速转动）,t1t2,v2v1,在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复摆动速度不同,即回程速度大于工作行程速度，称为急回运动。,v2v1,急回运动:,3、行程速比系数k,为衡量摇杆急回运动的程度，把摇杆往复摆动平均速度的比值（大于1）称为行程速比系数，即：,由,注意： （1）四杆机构有无急回运动，取决于曲柄与连杆

10、共线位置的夹角； （2）只要机构在运行过程中具有极位夹角，则该机构就具有急回作用； （3）极为夹角=0，则K=1，无急回运动； （4）角越大，则K值越大，说明急回运动的性质也越显著。,有急回特性。,曲柄摆动导杆机构,有急回特性。,四、机构的死点位置,指从动件的传动角 =0(或=90)时机构所处的位置（有效分力=0的位置）。 （注：不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力的影响）,1、死点位置,曲柄摇杆机构，摇杆为主动件，研究B点压力角或传动角。 当曲柄与连杆共线时：,如图示当摇杆1为主动件，曲柄与连杆共线时的位置。 对从动曲柄3的有效力矩为零，故不能推动曲柄转动, 机构的这种位置称为死点位置

11、。,此时传动角 =0或=90,缝纫机主运动机构,存在死点位置，因此有时产生跳线（断线）现象。,曲柄滑块机构，当以滑块3为主动件时有死点位置自己分析。,2.死点位置的克服办法,例：缝纫机借助于带轮的惯性通过死点。,（1）利用构件惯性,机车车轮联动机构，左右车轮两组曲柄滑块机构中，曲柄AB与AB位置错开90。,（2）利用机构错位排列,3、死点位置在机构中的作用,钻床工件夹紧机构,飞机起落架机构,8-4平面四杆机构的设计,一、四杆机构设计的基本问题 二、图解法机构设计 三、解析法机构设计,一 、四杆机构设计的基本问题,1）实现给定位置的设计（导引机构设计） 2）实现预定运动规律的设计（函数机构设计）

12、 3）实现预定轨迹的设计（轨迹机构设计）,1.实现给定位置的设计,要求所设计的机构能引导连杆顺序通过一系列给定的位置。即要求连杆能依次占据一系列给定的位置。,例如：满足预定的连杆位置要求,飞机起落架机构,要求机构能引导连杆按一定方位通过预定位置，所以称为导引机构设计。,铸造砂型机的翻箱机构,满足预定的连杆位置要求例,2.实现预定运动规律的设计,要求所设计的机构的主、从动连架杆之间的运动规律具有给定的函数关系。 这类设计统称为函数机构设计。,对数计算机构,3.实现预定轨迹的设计,要求所设计的机构连杆上一点的轨迹能与给定的曲线相一致（机构中某点可以实现预期的运动轨迹）。 称为轨迹机构设计。,鹤式起

13、重机,搅拌机,实现预定轨迹的例题,1平面四杆机构中，是否存在死点取决于 是否与连杆共线。 A 、主动件 B、 从动件 C、 机架 D、 摇杆 2、在设计铰链四杆机构时，应使最小传动角 。 A、 尽可能小一些 B 、为0 C、 尽可能大一些 D、 为90 3.一对心曲柄滑块机构中，如果将曲柄改为机架，则将演化为 机构。 4下面简图所示的铰链四杆机构，图 是双曲柄机构。 A）a； B）b； C）c； D）d。,二、平面连杆机构设计,图解法 解析法 实验法,（一）图解法,简单、直观、 易理解知识点、误差大。,已知连杆长度，连杆的2个（或3，4。个）工作位置B1C1与B2C2。设计此四杆机构。,（1）

14、给定连杆的两个位置设计四杆机构,1.给定连杆的位置要求设计四杆机构,解 ：B、C铰链位置已知，现在关键找出A，D两铰链位置。,设计步骤：,1)选定比例画出B1C1 和 B2C2； 2）分别过B1B2和C1C2 作垂直平分线； 3)分别在垂直平分线上取点A和D，得四杆机构：A B1C1 D（无数组解）； 4)给出各杆长度(按比例量完后算出)。,若给定连杆的三个位置设计四杆机构,设计步骤：,1)选定比例画出B1C1 , B2C2, B3C3 ； 2）分别过B1B2，B2B3,C1C2,C2C3作垂直平分线,得交点AD； 3)连接AB1C1D得四杆机构（唯一解）； 3)给出各杆长度(按比例量出),2

15、、已知行程速比系数K设计四杆机构*,铰链四杆机构的设计,已知K以及其他条件（通常：从动件两个极限位置，即摇杆长度与摆角），设计四杆机构。,问题的关键：找到A点,C1,c2,A,D,P,90-,B2,1、求极位夹角: 2、选定D ，C1 、 C2 （已知） 3、求P点：过C1做垂线，过C2做角90 - ,则角C1PC2= 4、过C1C2P作外接圆，任选A点（无穷解） 5、 AC1,AC2分别是2个极限位置，即曲柄与连杆处于拉直与重合共线的位置 计算曲柄长度 AB2 = （AC2 - AC1）/ 2 6、连接 AB2C2D得四杆机构。,原理: 同弧所对圆周角相等,设计步骤：,1 ,确定D、C1、C

16、2点，计算极为夹角；,2 ,找 P ，A点；,3 ，找B点。,练习： （1）已知摇杆的长度lCD，摇杆的摆角，行程速比系数K，设计此曲柄摇杆机构。,解: 1)计算极位夹角,2）作出摇杆的两极限位置,3）确定A点的位置（无其他条件，则无穷组解）,90,4）求出曲柄、连杆的长度,（2 ）曲柄滑块机构 已知曲柄滑块机构中滑块的行程速比系数K，滑块 的行程H，偏距e，设计此机构。,曲柄滑块机构,解:1)计算极位夹角,2）确定A点的位置,90,3）求出曲柄、连杆的长度,AB=(AC1-AC2)/2 BC=AC1-AB,2、已知连架杆的对应位置（对应角位移）设计铰链四杆机构。,B1,B2,B3,E1,E3

17、,A,D,1,2,3,1,2,3,设计原理:刚体反转法转化为：按连杆预定位置设计四杆机构问题。,问题：只是知道两个连架杆位置，铰链B，C位置未知，即： 连架杆长度未知。,E2,刚化反转法,黑色实线为机构第一个位置；黑色虚线为机构第i个位置； 如果把机构的第i个位置AiBiCiDi看成一刚体，并绕点D转过-1i角度(即反转)，使连架杆CiD与C1D重合，称之为“刚化反转法”。 即：机构反转到红线位置。,D,A,Ci,B1,Bi,C1,1i,1,1,1i,相当于：黑色实线为机构第一个位置；红色虚线为机构第i个位置。,该机构转化为：以CD为机架，AB为连杆的四杆机构。,1、选定A、 D 两点和AB长

18、 ，并按给定条件（1、2 、3和1 、2、 3) 画出AB1、AB2、AB3和DE1、DE2、 DE3（E点不是铰链C点） 2、把AB2E2D 和AB3E3D看作刚体，使其绕D点转 1-2、 1- 3 两个角度得B2， B3,B1,B2,B3,E1,E2,E3,A,D,B2,B3,B2,E2,B3,E3,D,D,A,A,：,设计步骤：,3、连接B1 B2和 B2 B3，并做 B1 B2和 B2B3的垂直平分线得交点C1 4、 连接 AB1C1D得四杆机构：AB1C1D。 5、 给出各杆长度(按比例量出),B1,B2,B3,E1,E2,E3,A,C1,B2,B3,D,1,2,3,1,2,3,C1

19、,给定两连架杆上三对对应位置的设计问题,E2,1,1,2,3,2,3,设计一铰链四杆机构，已知图示摇杆CD的长度Lcd=150mm，摇杆的两极限位置与机架AD所成的角度1=30，2=90 ，机构的行程速比系数K1，确定曲柄AB和连杆BC的长度。 *并判断该机构传动角是否符合要求？,D,4、轨迹机构设计,轨迹机构设计使四杆机构连杆上某一点实现给定的一段曲线轨迹或某一封闭曲线轨迹的设计，称为轨迹机构设计。 （按预定的运动轨迹设计四杆机构）,作业：8-4,5,6,7,8,17,23,用解析法按预定的运动轨迹设计四杆机构，就是要确定机构的各尺度参数和连杆上描点的位置，使该点所描绘的连杆曲线与预定的轨迹相符。 (所有机构最后介绍）,解析法,