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1、2-1 平面四杆机构的基本形式及演化形式 2-2 平面四杆机构的基本特性 2-3 平面四杆机构的运动设计,第2章 平面连杆机构,2.1 平面四杆机构的基本形式及演化形式,1.平面连杆机构若干刚性构件通过低副连接而成的平面机构。,2.平面连杆机构具有运动可逆性。,3.平面连杆机构主要优点：,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。,4.平面连杆机构主要缺点：,构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、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。,5
2、.应用：,平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中。,定块机构或直动滑杆机构,曲柄摇块机构,6.平面连杆机构常以构件数命名,如： 四杆机构，五杆机构等,本章主要讨论应用最广，最基础的平面四杆机构。,AD机架 AB、CD连架杆 BC连杆,连架杆,一、平面四杆机构的基本形式（铰链四杆机构）： 由4个杆状构件及4个转动副组成。,曲柄,连杆,摇杆,连架杆,1、曲柄摇杆机构,1）特点：,2）应用：,缝纫机踏板机构：摇杆主动,（2）卫星接收装置：曲柄主动,点击播放动画,(3)汽车玻璃窗雨刷:摇杆主动,(4)搅拌器: 曲柄主动,2、双曲柄机构,1）特点： 两连架杆均为曲柄； 主动曲柄匀速转动 1= C. 从动
3、曲柄变速转动 2= f(t) 2）应用： 惯性筛,当两曲柄共线时，有可能成为反向双曲柄机构, 此时的12,3）平行双曲柄机构, 特点: 两曲柄等长且平行，1=2 ;,平行双曲柄机构,反平行双曲柄机构,双曲柄机构运动不确定性, 解决办法：,a.利用从动曲柄本身（或附加质量）的惯性来导向； b.在主、从动曲柄上错开移动角度再安装一组平行 四边形机构；,c.增加第三个平行曲柄,（3）应用：,机车联动机构,车门启闭机构,反平行四边形机构,摄影台升降机构,3、双摇杆机构,1）特点：两连架杆都是摇杆 2）应用：,飞机起落架机构,港口起重机,选择连杆上合适的点，轨迹为近似的水平直线,汽车转向机构-等腰梯形机
4、构,1.通过改变构件的形状和几何尺寸来演化四杆机构,二、平面四杆机构的其他形式,例如：曲柄滑快机构的演化,具体的演化过程如下：,（1）偏置曲柄滑块机构：,（2）对心曲柄滑块机构：,曲柄滑块机构的应用：,2.取不同的构件为机架来演化四杆机构-机构倒置,以曲柄滑块机构为例：,1） 当L1L2时，得到转动导杆机构，如小型刨床,2） 当L1L2时，得到摆动导杆机构，如牛头刨床,如：（1）若取构件1为机架导杆机构，构件4是导杆,导杆小型刨床,当构件2和构件4均能作整周转动，小型刨床的回转导杆机构就是应用实例,当杆2的长度小于机架长度时，导秆4只能作来回摆动，又称为摆动导秆机构，牛头刨中的主运动机构是其应
5、用实例。,（2）若构件2为机架时曲柄摇块机构,翻斗车,（3）若取构件3为机架定块机构或直动滑杆机构,抽水唧筒,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,正弦机构,3.改变运动副的尺寸，如:扩大转动副（偏心轮机构）来演化四杆机构,其演化过程 (e-偏心距，e=L1):,偏心轮,偏心轮机构,增大了运动副的尺寸，提高了强度和刚度,2.2 平面四杆机构的基本特性,一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件,若杆AB为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线,l2(l4 l1)+ l3,则由BCD可得：三角形任意两边之和大于第三边,则由B”C”D可得：,l1+ l4 l2 + l3,l3(l
6、4 l1)+ l2,l1即AB为最短杆,最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和, l1+ l2 l3 + l4,l4- l1,将以上三式两两相加，得： l1 l2, l1 l3, l1 l4, l1+ l3 l2 + l4,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。,此时，铰链A为整转副。,若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。,整转副的概念：相对转动360度的转动副。,1.整转副存在的条件（长度条件）： 最短构件与最长构件的长度之和小于等于其它两 构件长度之和，即Lmax+LminL+L。反之无整转副。,2.曲柄存在的条件： （1）最短构件与最长构件的长度之和
7、小于等于其它两构件长度之和；（杆长和的条件） （2）连架杆和机架中必有一杆是最短杆。,整转副是曲柄存在的必要条件。,（2）若不满足杆长和条件，该机构只能是双摇杆机构。 注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件： 最长杆的杆长其余三杆长度之和。,（1）在满足杆长和的条件下： 以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构； 以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄机构； 以最短杆的对边构件为机架，均无曲柄存在，即该机构为双摇杆机构。,3.铰链四杆机构基本类型的判别方法：,想一想：下列机构是何机构？,例1：已知铰链四杆机构的各杆的尺寸，机架的
8、位置，判断各四杆机构的类型。课本P38.2-1 例2 在图中已知 lBC =100mm, lCD =70mm, lAD =50mm,AD为固定件。 （1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB 为曲柄，求lAB的值； （2）如果该机构能成为双曲柄机构，求lAB ； （3）如果该机构能成为双摇杆机构，求lAB 。,解：（1）如果能成为曲柄摇杆机构，lAB 20mm （2）如果能成为双曲柄机构，则应满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆AD为最短杆”。则 a. 若BC为最长杆， 80mmlAB 100mm b. 若AB为最长杆，100mmlAB 120mm 综合：80mmlAB
9、 120mm (3)a. AB为最短杆，BC为最长杆 20mmlAB 50mm b. AD为最短杆，BC为最长杆，则 50mm lAB 80mm,c. 当 lAB 100时，AB 为最长杆，AD 为最短 lAB 120 mm 另外，AB增大时，还应考虑到，BC与CD成伸直共线时，需构成三角形的边长关系，即： lAB ( lBC + lCD ) + lAD lAB 220 mm 则 120 mm lAB 220 mm 综合以上情况，可得lAB 的取值范围为： 20 mm lAB 80 mm 120 mm lAB 220 mm,例：已知在四杆机构中，机架长40mm，两连架杆长度分别为18mm和45
10、mm，则当连杆的长度在什么范围内，该机构为曲柄摇杆机构？,分析：（1）连杆的长度不可能是最短杆，否则的话为 双摇杆机构；,（2）根据分析确定18mm为最短杆；,解：设连杆的长度为Xmm（属于“a+dc+b”的形式）,（3）说明连杆要么是最长杆，要么45mm的杆为最长杆；,当mm为最长杆时：即18+X40+45,X 67,当45mm为最长杆时：即18+4540+X,X 23,当23X 67时，该机构为曲柄摇杆机构,二、平面四杆机构的运动特性,1.平面四杆机构的极限位置,当曲柄AB与连杆BC两次共线时，从动件CD位于左右两极限位置。,图中曲柄以1逆时针等速转动,最大摆角:摇杆往复摆过的最大角,主动
11、件：曲柄 从动件：摇杆 极位：从动件的两个极限位置,极位夹角：从动件处于两个极位时，曲柄两位置之间的夹角,2. 急回特性,原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性，称为急回特性。,“急回性能”分析,当曲柄AB与连杆BC两次共线时，输出件CD处于两极限位置。,曲柄转角,对应的时间,摇杆点C的平均速度,),),设：曲柄以1顺时针等角速转动,故 v2 v1,行程速比系数K,为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K 来描述。,由上式可得：,可见： K急回特性越显著导致机器动载 冲击，传动平稳性变差。,一般： K 2， 为锐角。,
12、上式表明，机构急回速度取决于极位夹角的大小。,应用-牛头刨床传动机构,A,B,C,D,E,牛头刨床,小 型 刨 床 机 构,偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构也具有急回特性。 值得注意的是摆动导杆机构中=，如图所示。,总结：,四杆机构存在急回特性必须具备以下条件：,曲柄为主动件 从动件有极限位置 曲柄存在极位夹角,3. 压力角和传动角,（1）压力角a,压力角：从动件所受的力F与受力点速度Vc所夹的锐角a。,有效分力：Ft=Fcosa 有害分力：Fn=Fsina,愈小，机构传动性能愈好。,（2）传动角g,（3）最小传动角的位置,铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。,传动角： 连杆与从
13、动件所夹的锐角 g , g = 900-a, 越大，机构的传动性能越好；反之，越大，越小，机构传力越困难，当小到一定程度时，会由于摩擦力的作用而发生自锁现象。自锁现象是由于作用力的方向不合适，即使增加作用力也不能克服摩擦阻力使机构运动的现象。因此，传动角的理想值应保持在接近最大值90附近。设计时一般应使 gmin40，对于高速大功率机械应使 gmin50。,对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。,对于摆动导杆机构，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。,要注意的是，机构的压力角和传动角
14、是对从动件而言的。,当曲柄AB转到与机架AD共线的两个位置AB1和AB2时，传动角将出现极值max和min。比较这两个位置的传动角，其值较小者即为最小传动角。,压力角和传动角在机构运动过程中是变化的。,4、死（止）点位置 在曲柄摇机构中，若摇杆为主动件，当摇杆处于两极限位置时，从动曲柄与连杆共线，主动摇杆通过连杆传给从动曲柄的作用力通过曲柄的转动中心，此时曲柄的压力角=90，传动角=0,因此无法推动曲柄转动，机构的这个位置称为死点位置。,脚踏缝纫机的停止现象,克服止点：为了使机构能顺利地通过死点位置，通常在从动件轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点位置。也可采用多组机构交错排列的方法，如：两组
15、机构交错排列，使左右两机构不同时处于死点位置。 利用止点：在工程上有时也需利用机构的死点位置来进行工作。 例如：飞机的起落架、折叠式家具和夹具等机构，如下图所示。,工件夹紧机构-机构不会松脱,在连杆3上的手柄处施以压力F， 使连杆BC与连架杆CD成一直线如图(b)，这时构件1的左端夹紧工件；撤去外力F之后，构件1在工件反弹力Fn的作用下要顺时针转动，但是这时由于从动件3上的传动角=0而处于死点位置，从而保持了工件上的夹紧力Fn 。放松工件时，只要在手柄上加一个向上的外力F，就可使机构脱出死点位置，从而放松工件。,飞机起落架-落地后地面对机轮的力不会使杆CD转动（B、C、D三点共线），从而保证飞
16、机安全可靠降落。,总 结,1、铰链四杆机构的基本类型、应用 2、铰链四杆机构的演化 3、平面四杆机构的几个工作特性 （1）曲柄存在的条件 （2）压力角和传动角 （3）急回特性 （4）死点位置,填空题 在铰链四杆机构中，能够做360回转的连架杆称为 。 曲柄摇杆机构中行程速比系数K的大小取决于 ，K值越大，机构的 越显著。 3. 在曲柄摇杆机构中，当 与 共线时，机构可能出现最小传动角min. 选择题 1.平面连杆机构是由（ ） 组成的机构。 高副 B.高副和低副 C.转动副 D. 低副 2.压力角可作为判断机构传力性能的标志，压力角越大，机构传力性能（ ）。 越差 B.不受影响 C. 越好 3
17、. 曲柄摇杆机构的死点位置位于（ ）。 原动件与连杆共线 B.原动件与机架共线 C.从动件与连杆共线 D.从动杆与机架共线,复 习 思 考 题,4、对于铰链四杆机构，当满足构件长度和条件时，若取( )为机架，将得到曲柄摇杆机构。 A.最短杆 B.与最短杆相对的构件 C.最长杆 D.与最短杆相邻的构件 5、曲柄摇杆机构，当( )时机构处于死点位置。 A.曲柄为原动件、曲柄与机架共线 B.曲柄为原动件、曲柄与连杆共线 C.摇杆为原动件、曲柄与机架共线 D.摇杆为原动件、曲柄与连杆共线 6、曲柄摇杆机构中，当曲柄为原动件时，( )死点位置。 A.有一个 B.没有 C.有两个 D.有三个,7、 对于铰
18、链四杆机构，当满足杆长之和的条件时，若取( )为机架，将得到双曲柄机构。 A.最短杆 B.与最短杆相对的构件 C.最长杆 8、曲柄摇杆机构，曲柄为原动件，当( )时，机构处于极限位置。 A.曲柄与机架共线 B.曲柄与连杆共线 C.摇杆与机架共线 D.摇杆与连杆共线 9、对于铰链四杆机构，当从动件的行程速比系数( )时，机构必有急回特性。 A.K0 B.K1 C.K1 D.K=1,10、对于铰链四杆机构，当满足杆长之和的条件时，若取( )为机架，将得到双摇杆机构。 A.最短杆 B.与最短杆相对的构件 C.最长杆 D.与最短杆相邻的构件,11.铰链四杆机构中，a=60mm,b=150mm,c=12
19、0mm,d=100mm。,(1) 以a杆为机架得( )机构; (2) 以b杆为机架得( )机构; (3) 以c杆为机架得( )机构; (4) 以d杆为机架得( )机构.,12、连杆机构中的急回特性是什么含义？什么条件下机构才具有急回特性？ 13、铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？曲柄是否一定是最短杆？,14、如何依照各杆长度判别铰链四杆机构的型式？ 15、平面四连杆机构最基本形态是什么？由它演化为其它平面四杆机构，有哪些具体途径？ 16、何谓连杆机构的死点？举出避免死点和利用死点的例子。,2.3 平面四杆机构的设计,一般可归纳为两类问题： （1）实现给定的运动规律。如要求满足给定的行程速度变
20、化系数以实现预期的急回特性或实现连杆的几个预期的位置； （2）实现给定的运动轨迹。如要求连杆上的某点具有特定的运动轨迹，如起重机中吊钩的轨迹为一水平直线等。,用作图的方法从图上直接量取得到运动的特征尺寸。,要求：作图认真，准确，按比例，细线条，保 留作线。,一、图解法：,特点：简单、直观、但有一定的误差。,1) 按给定的急回特性系数设计平面四杆机构 已知曲柄摇杆机构的急回特性系数K、摇杆的长度LCD及摆角，要求确定机构中其余构件尺寸。如右图所示。,b) 任选D点。,d) C1MC2C2，C1C2N = 90-C1M、 C2N交于P，则C1PC2=。,a) 计算,LBC的三个位置,2).按给定的
21、连杆长度和位置设计四杆机构:,2).按给定的连杆两个位置设计四杆机构,已知铰链四杆机构中连杆长度及两个预定位置，要求确定四杆机构的其余构件尺寸。这时，两连架杆与机架组成转动副的中心A、D可分别在B1B2和C1C2的中垂线上任意选取，得到无穷多个解。结合附加限定条件，从无穷解中选取满足要求的解.,1、图示铰链四杆机构，已知：lBC=50mm，lCD=35mm，lAB=30mm，AD为机架， （1）若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的最大值： （2）若此机构为双曲柄机构，求lAB的范围； （3）若此机构为双摇杆机构，求lAB的范围。,习题,2.画出图中各机构的传动角和压力角。图中标注箭头的构件为原动件。,导杆机构常与其他构件组合，用于简易刨床、插床以及回转泵、转动式发动机等机械中，如图a）所示；曲柄摆动导杆机构常与其他构件组合，用于牛头刨床和插床等机械中，如图b）所示。,图a)简易刨床的导杆机构,图b)牛头刨床的导杆机构,克服止点：为了使机构能顺利地通过死点位置，通常在从动件轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点位置。也可采用多组机构交错排列的方法，如两组机构交错排列，使左右两机构不同时处于死点位置。 利用止点：在工程上有时也需利用机构的死点位置来进行工作。 例如飞机的起落架、折叠式家具和夹具等机构，如下图所示。,