连杆机构及其设计.pdf

1、 2.平面四杆机构的基本特性 3.平面四杆机构的设计 图解法和解析法 4.平面多杆机构和空间连杆机构简介 第8章 连杆机构及其设计 研究内容：1.连杆机构及其类型与应用 第1讲 连杆机构及其类型与应用 8.1.2 平面四杆机构的类型 8.1.1 连杆机构及其传动特点 8.1.3 平面四杆机构的应用 8.1.1 连杆机构及其传动特点 连杆机构的应用实例：四足行走机，雨伞，假肢 例 铰链四杆机构 曲柄滑块机构 摆动导杆机构 连杆机构的共同特点：均有连杆：机构的原动件和从动件的运动都需要经过连杆来传动连杆机构 均为低副:机构中的运动副一般均为低副低副机构 构件杆状：机构中的构件多呈现杆的形状杆。用杆

2、数命名，分四杆机构、六杆机构等 连杆机构的传动特点 8.1.1 连杆机构及其传动特点 优点：缺点：运动链长，累积误差大，效率低；惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动；一般只能近似满足运动规律要求。运动副一般为低副；构件多呈现杆的形状；可实现多种运动变换和运动规律；连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。8.1.2 平面四杆机构的类型 双摇杆机构：等腰梯形机构 1.基本形式 连架杆：曲柄 摇杆 转动副：周转副 摆转副 铰链四杆机构 曲柄摇杆机构 双曲柄机构：平行四边形机构，逆平行四边形机构 8.1.2 平面四杆机构的类型 演化方法：1）改变构件的形状及运动尺寸 2）运动副的改变尺寸 3）选用

3、不同的构件为机架机构的倒置 4）运动副元素的逆换 2.演化形式 曲柄摇杆机构的应用：双曲柄机构的应用：连杆直线轨迹运动；连杆姿态大变姿运动 等腰梯形机构：两摇杆同向摆动转向运动 8.1.3 平面四杆机构的应用 一般双曲柄机构：连续匀速转动变换变速连续转动 平行四边形机构：两曲柄同速同向转动；连杆平动运动；连杆同圆轨迹运动 逆平行四边形机构：两曲柄反向相对运动；双摇杆机构的应用：连续转动变换往复摆动运动 往复摆动运动变换连续转动 连杆曲线实现运动轨迹要求 8.2.1 铰链四杆机构的周转特性 8.2.2 铰链四杆机构的急回特性 8.2.3 铰链四杆机构的轨迹特性 8.2.4 铰链四杆机构的运动连续

4、 第2讲 平面四杆机构的基本特性（一）8.2.1 铰链四杆机构的周转特性 1.铰链四杆机构有曲柄的条件 （1）周转副的条件 各杆长度应满足杆长条件；最短杆为连架杆或机架。最短杆长度最长杆长度其余两杆长度之和杆长条件；组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。（2）铰链四杆机构有曲柄的条件 8.2.1 铰链四杆机构的周转特性（1）各杆长度满足杆长条件不等式的机构类型（2）各杆长度满足杆长条件等式的机构类型（3）各杆长度不满足杆长条件的机构类型 2.铰连四杆机构的杆长条件与类型 8.2.2 铰链四杆机构的急回特性 急回运动主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度的运动特性 =2

5、1=180+180+结论：当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性；且 角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著。1.铰链四杆机构的急回运动 （1）急回运动及行程速度变化系数K 8.2.2 铰链四杆机构的急回特性 慢进快回运动 快进慢回运动 无急回运动 2.四杆机构的急回运动在工程的应用 （2）双曲柄机构的行程速度变化系数 =（360 1）1（180 1）1 8.2.3 铰链四杆机构的轨迹特性 1.曲柄摇杆机构的连杆曲线特性 连杆曲线的形状特性及应用 连杆曲线的尖点及交叉点特性及其应用 连杆曲线的对称特性及其应用 2.双摇杆机构的连杆曲线特性 封闭与非封闭连杆曲线 近似直线的连杆曲线 8

6、.2.3 铰链四杆机构的运动连续特性 连杆机构的运动连续性 连杆机构在运动过程中能否连续实现给定的各个位置的特性（1）错位不连续 连杆机构设计时，出现要求从动件在两个不连通的可行域内连续运动的情况（2）错序不连续 连杆机构设计时，出现连杆不能按给定的顺序连续运动的情况 结论：在设计四杆机构时，必须检查所设计机构是否满足运动连续性要求检查是否存在错位、错序不连续问题，并考虑能否补救或其他方案。第3讲 平面四杆机构的基本特性（二）8.3.1 铰链四杆机构的传力特性 8.3.2 演化形式四杆机构的基本特性 8.3.1 铰链四杆机构的传力特性 1.传动角及压力角 压力角 不计摩擦及构件的重力和惯性力时

7、，机构主动件作用于从动件上的力与其作用点的速度方向所夹的锐角。传动角 连杆与从动件之间所夹的锐角，且 90 90。1）传动角用来衡量机构的传力性能的优劣，应使min 40 50。2）最小传动交的确定：曲柄摇杆机构的 min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。8.3.1 铰链四杆机构的传力特性 死点 机构的传动角0时，主动件 通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使从动件 转动的“顶死”现象的位置。克服死点的方法:借助于惯性闯过死点；采用相同机构错位排列。2.死点及其应用 8.3.2 演化形式四杆机构的基本特性 由于演化形式四杆机构可以看作是由铰链四杆机构演化而来，所以由铰

8、链四杆机构得出的基本特性的结论可以方便地应用到其他演化形式的四杆机上。例 偏置曲柄滑块机构 8.4.1 连杆机构设计的基本问题 第4讲 平面四杆机构的设计图解法 8.4.2 平面四杆机构的图解设计（1）满足预定的连杆位置要求 根据给定的要求选定机构的型式，确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。（2）满足预定的运动规律的要求 满足两连架杆预定的对应位置要求实现函数的问题。满足给定行程速比系数K 的要求。要求连杆能占据一系列预定位置刚体寻引问题。（3）满足预定的轨迹要求 要求在机构的运动过程中连杆上某些点的轨迹能满足预定的轨迹要求。8.4.1 连杆机构设计的基本问题 图

9、解法和解析法 连杆机构设计的方法：图解法：直观、简单、快捷，对于要求机构满足的位置数目不多于三个时，设计也是十分方便的，其设计精度也能满足工作要求，并能为解析法精确求解和优化设计提供初始值，故具有很大的工程实用性。8.4.1 连杆机构设计的基本问题 用作图法设计四杆机构，就是利用各铰链之间相对运动的几何关系，通过作图确定各铰链的位置，从而定出各杆的长度。四杆机构的图解设计的实质 8.4.2 平面四杆机构的图解设计 1.图解设计的基本思想 用作图法确定各铰链中心的位置的问题：固定铰链：A、D 活动铰链：B、C 对于四杆机构来说，当其铰链中心位置确定后，各杆的长度也就确定了。求解条件：当N=3时，

10、有唯一解；当N=2时，有无穷解，此时可根据其他条件来选定一个解，工程应用多；当N=4时，可能有无穷解；当N=5时，可能有解或无解。例 汽车车库门启闭四杆机构的设计 8.4.2 平面四杆机构的图解设计（1）已知活动铰链B、C 的位置，求固定铰链A、D 的位置 求作圆心法（2）已知固定铰链A、D的位置，求活动铰链B、C 的位置 先作机构倒置，再用求作圆心法确定 2.按连杆预定的位置设计四杆机构 8.4.2 平面四杆机构的图解设计 3.按两连架杆预定的对应角位移设计四杆机构（2）按给定三对对应角位移设计 （3）按给定多对对应角位移设计（1)按给定二对对应角位移设计 求作活动铰链的位置问题 方法：先选

11、取原动件AB 的长度及其位置1，再用反转法原理确定活动铰链。方法：先用点位归并法和反转法原理将活动铰链 的4个点变换为3个点，再求作 。方法：实验图解法。8.4.2 平面四杆机构的图解设计 4.按预定的轨迹设计四杆机构（1)按预定轨迹上的五个点位设计 方法：用点位归并法和反转法原理先确定活动铰链的位置，再确定活动铰链的位置（2）按预定轨迹上的多个点位设计 方法：借助于实验方法进行图解设计，依次确定活动铰链和 的各位置。（3）按预定的轨迹形状设计 方法：寺找连杆曲线图谱中与预定轨迹形状相似曲线和尺寸比关系进行设计 8.4.2 平面四杆机构的图解设计 5.按给定的急回要求设计四杆机构 方法：利用机

12、构在极位时存在的几何关系 12=先作图确定出固定铰链A 的位置，再利用给定的其他辅助条件确定出活动铰链B 的位置。第5讲 平面四杆机构的设计（二）8.5.1 解析法设计的基本思想 8.5.2 平面四杆机构的解析设计 在用解析法设计四杆机构时，首先需建立包含机构各尺度参数和运动变量在内的解析式，然后根据已知的运动变量求机构的尺度参数。方法特点：可借助于计算器或计算机求解，计算精度高，适应于对三个或三个以上位置设计的求解，尤其是对机构进行优化设计和精度分析十分有利。8.5.1 解析法设计的基本思想 1.按预定的连杆位置设计四杆机构 2.按预定的运动轨迹设计四杆机构 3.按预定的连架杆运动规律设计四

13、杆机构（1）按预定的两连架杆对应位置设计（2）按期望函数设计（3）按给定的急回运动要求设计 8.5.2 平面四杆机构的解析设计 8.6.1 平面多杆机构的功用 8.6.2 平面多杆机构的分类 8.6.3 空间多杆机构简介 第6讲 平面多杆机构和空间连杆机构简介 8.6.1 平面多杆机构的功用 说明：多杆机构的尺度参数较多，可以满足更为复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求，但其设计也较困难。5）实现从动件带停歇的运动（单停歇运动，双停歇运动）6）扩大机构从动件的行程 7）使机构的从动件的行程可调 8）实现特定要求下的平面导引 1）可获得较小的运动所占空间 2）取得有利的传动角 3）获得较

14、大的机械利益 4）改变从动件的运动特性 平面多杆机构有如下功用：（1)多杆机构的分类 （2）六杆机构的类型 2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有三种。8.6.2 平面多杆机构的分类 1）按杆数目分：五杆、六杆、八杆机构等 2）按自由度分：单自由度、两自由度和三自由度多杆机构 1）瓦特（Watt）型，有两种。瓦特型 斯蒂芬森型 8.6.2 平面多杆机构的分类 （3）六杆机构的应用（1）空间连杆机构概述 空间连杆机构具有空间运动的连杆机构 组成特点：具有空间运动的连杆；运动副用有空间运动副。机构命名：常以杆数命名,也常以所用运动副命名。机构特点：用较少数目的构件实现空间复杂运动，结构紧凑，运

15、动多样性和灵活性好，在工程实践中的应用越来越多。但其分析和综合均较为复杂。8.6.3 空间多杆机构（2）万向铰链机构 8.6.3 空间多杆机构 1）单万向铰链机构 机构组成：由末端各有一叉的主、从动轴和中间“十”字构件铰接而成。机构特点：可变角传动机构，两轴的平均传动比为1；但瞬时角速度比却不恒等于1，而是随时间变化的。机构的运动特性：当主动轴以1等速回转时，从动轴的2变化范围：1cos 21/cos 其变化幅度与两轴夹角有关，一般30。2）双万向铰链机构 8.6.3 空间多杆机构 双万向铰链机构的主、从动轴的角速度恒等的条件：轴1、3 和中间轴2 应位于同一平面内；轴1、3 的轴线与中间轴2 的轴线之间的夹角相等；中间轴的两端的叉面应位于同一平面内。（3）其它空间连杆机构简介 8.6.3 空间多杆机构 1）微创外科手术机械手 2）Stewart平台