第3章平面连杆机构.docx

1、第3章平面连杆机构授课题目：第3章 平面连杆机构3.1铰链四杆机构的基本类型和应用3.2铰链四杆机构的演化3.3相邻两构件作整周转动的条件授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排2教学大纲要求：铰链四杆机构的基本类型和应用；铰链四杆机构的演化；曲柄存在的条件。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握铰链四杆机构的基本类型；掌握铰链四杆机构的演化方法；掌握曲柄存在的条件。教学重点及难点：重点：铰链四杆机构的演化；曲柄存在的条件。难点：曲柄存在的条件。作业、讨论题、思考题：思考题31、34 习 题31、32课后总结分析：总结铰链四杆机构的演化结果；曲柄存在的条件。教

2、学内 容备注第3章 平面连杆机构一、基本概念连杆机构：是由若干个刚性构件通过低副联接而组成的机构，所以又称为低副机构。平面连杆机构：所有的构件都在同一平面或平行平面内运动的连杆机构。四杆机构：是平面连杆机构中应用最广泛、结构最简单而且最具代表性的平面低副机构。二、平面连杆机构的特点 1、优点1）适用于传递较大的动力，常用于动力机械。2）依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接触，且易于制造，易于保证所要求的制造精度3） 能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，工程上常用来作为直接完成某种轨迹要求的执行机构 2、缺点1）不宜于传递高速运动。2）可能产生较大的运动累积误差。3.1 铰链四杆机构的基本

3、类型和应用构件之间的连接全部是转动副的四杆机构，称为铰链四杆机构。如图31所示为一铰链四杆机构。固定不动的杆4为机架。与机架相连的杆1和杆3称为连架杆，其中能作整周回转的称为曲柄，只能在小于360的一定范围内摆动的则称为摇杆。连接两连架杆的杆2称为连杆。图31对于铰链四杆机构，按照其连架杆是曲柄还是摇杆，可分为以下三种型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。3.1.1 曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。如图32所示的雷达天线俯仰机构和图33所示的缝纫机踏板机构。 图32 雷达天线俯仰机构 图33 缝纫机踏板机构3.1.2 双曲柄机构两个连架杆都

4、是曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。如图34所示的惯性筛的四杆机构就属于这种机构。图34当双曲柄机构中的四个杆件满足相对两杆平行且长度相等时，称为平行双曲柄机构或平行四边形机构。它的运动特点是：两曲柄则以相同的角速度同向转动，而连杆作平移运动。如图35所示的火车联动机构和图36所示的摄影平台升降机构。图35 火车联动机构 图36 摄影平台升降机构如果从动曲柄的转向发生反转，则该机构称为反平行四边形机构。车门开闭机构，就利用反平行四边形机构的两曲柄转向相反的特性，使两车门同时打开或关闭，如图37所示。图373.1.3 双摇杆机构两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构，称为双摇杆机构。如图38所示的飞

5、机起落架和图39所示的汽车、拖拉机等的前轮转向机构。 图38 图393.2铰链四杆机构的演化3.2.1 将转动副转化为移动副这种方法是通过改变构件的形状和相对尺寸，把转动副转化为移动副，从而形成滑块机构。图310c所示为一个偏置曲柄滑块机构。a) b) c)图3103.2.2 取不同构件为机架1低副的运动可逆性 用低副联接的两构件之间的相对运动关系，不因选取哪个构件为相对固定的构件而改变，这种特性称为低副的运动可逆性。2选取不同构件为机架实现机构的演化 以低副运动的可逆性为基础，可提供选取不同构件作为机架实现机构的演化。如图311a所示的曲柄摇杆机构，若选取构件1为机架，便演化为双曲柄机构，如

6、图311b所示；若选取构件2为机架，便演化为另一曲柄摇杆机构，如图311c所示；若选取构件3为机架，便演化为双摇杆机构，如图311d所示。(a) (b) (c) (d)图311图312a所示的曲柄滑块机构，若选构件1为机架，则演化为转动导杆机构，如图312b所示。若选构件2为机架，则演化为曲柄摇块机构，如图312c所示。若选构件3为机架，这时机构就演化成为直动导杆机构（也称定块机构），如图312d所示。(a) (c)(b) (d)图3123.2.3 扩大转动副尺寸如图313a所示的曲柄滑块机构，当曲柄的尺寸很小时，由于结构和强度的需要，常通过扩大转动副B的尺寸，将曲柄改作成为一个如图313c所

7、示的几何中心与回转中心不重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，这种机构称为偏心轮机构。(a) (b)(c)图3133.3 相邻两构件作整周转动的条件如图314所示的机构ABCD，设构件1、2、3、4的长度分别为a、b、c、d，且ad，现讨论构件1相对于构件4作整周转动，即A为整转副的条件。图314若AB杆能绕A整周回转，则AB杆应能够占据与AD共线的两个位置AB和AB”。为使AB杆能转至位置AB，各杆长度应满足： adbc （31）为使AB杆能转至AB”，各杆长度关系应满足： bc（da）即abcd （32）或 cb（da）即acbd （33）将式子（31）、（32）、（33）两两相加，得：ab，ac

8、，ad （34）对于杆长d2，因此t1 t2，故21。由此得出：摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种特性称为机构的急回特性。机构急回特性的大小，常用行程速比系数K来表示。 （36）由式（36）可推出极位夹角的计算式： （37）上述分析表明，平面四杆机构具有急回特性的条件是：（1）原动件等角速整周转动，即曲柄为原动件；（2）输出件作往复运动；（3）极位夹角满足0。常见的具有急回特性的机构：曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构。3.4.2 压力角与传动角在不计摩擦力、惯性力和重力时，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用表示。压力角的余

9、角/2，称为机构的传动角。压力角或传动角是衡量传力性能的重要指标。图318 曲柄摇杆机构的压力角和传动角力F可分解为沿C方向的有效分力FtFcos和有害分力FnFsin。为了保证机构具有良好的传动性能，一般应使最小传动角min4050。机构在运动过程中，压力角和传动角是随机构位置而变化的。可以证明，min必出现在曲柄AB与机架AD两次共线位置之一。3.4.3 死点位置图319 曲柄摇杆机构的死点位置如图319所示的曲柄摇杆机构，若以摇杆CD为原动件，曲柄AB为从动件。不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下，当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中心A的力，对A点不产生力矩，这时，

10、无论我们在原动件上施加多大的力都不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点。如果考虑运动副中的摩擦，则不仅处于死点位置时的机构无法运动，而且处于死点位置附近的一定区域内，机构同样会发生“卡死”现象，称为自锁现象。显然，死点位置就是作往复运动的构件的极限位置，但只有当0时，极限位置才称为死点位置。所以对于曲柄滑块机构、摆动导杆机构及双摇杆机构中，都可能存在死点位置。死点的二重性：对于传动机构而言，死点会使机构处于停顿或运动不确定状态，它是不利的。例如，脚踏式缝纫机，有时出现踩不动或倒转现象，就是踏板机构处于死点位置的缘故。在工程实践中，也常常利用机构的死点位置来实现一些特定的工作要求。如图321所示

11、钻床夹具，就是利用死点位置夹紧工件，并保证在钻削加工时工件不会松脱。图321 钻床夹具3.5 平面连杆机构的运动设计3.5.1 平面连杆机构设计的基本问题在生产实践中，平面连杆机构设计的基本问题可归纳为两大类：（1）实现给定从动件的运动规律 即当原动件运动规律已知时，设计一个机构使其从动件（连杆或连架杆）能按给定的运动规律运动。如要求从动件按照某种速度运动，或具有一定的急回特性，或占据几个预定位置等。（2）实现给定的运动轨迹 即要求机构在运动过程中连杆上某一点能实现给定的运动轨迹。如要求起重机中吊钩的轨迹为一条直线，搅拌机中搅拌杆端能按预定轨迹运动等。3.5.2 按给定的行程速比系数设计例31

12、设已知行程速比系数K，摇杆长度lCD，最大摆角，试设计一曲柄摇杆机构。设计过程如图322所示，具体设计步骤如下：（1）先按照公式，计算极位夹角；（2）选取适当的比例尺l，任取一点D，并以此点为顶点作等腰三角形，使两腰之长等于l lCD，C1DC2；（3）连接C1、C2，作C2MC1C2，再作C1N使C1C2N90，C2M与C1N交于点P；（4）以PC1为直径作一辅助圆，则在圆弧C1PC2上任取一点A，连接AC1、AC2，C1AC2，所以曲柄回转中心A应在此圆弧上；（5）由lABl（lAC1lAC2/2）和lBCl（lAC1lAC2/2），确定出曲柄长度lAB和连杆长度lBC ；（6）由图直接量

13、取AD的长度，再按比例计算出实际长度lAD。图322 按给定的行程速比系数设计曲柄摇杆机构3.5.3 按给定连杆位置设计例32如图324所示，设已知连杆的长度lBC ，及机构在运动过程中要求占据的两个给定位置B1C1、B2C2，试设计此铰链四杆机构。图323 翻转机构 图324 按连杆的两个给定位置图解设计四杆机构分析：设计这个机构的主要问题是，根据已知条件确定固定铰链中心A、D的位置。由于连杆上B、C两点的运动轨迹分别是以A、D为圆心，以lAB、lCD为半径的圆弧，所以A和D的位置必在线段B1B2和C1C2的垂直平分线b12和c12上，但由于lAB和lCD未知，故此题有无穷多解。实际在设计时

14、，一般考虑辅助条件，如机架位置、两连架杆所允许的尺寸、最小传动角等则可得唯一解。例33如图325所示，设已知连杆的长度lBC ，若要求连杆占据三个给定位置B1C1、B2C2、B3C3，试设计此铰链四杆机构。图325 按连杆的三个给定位置图解设计四杆机构具体设计步骤如下：(1)选取适当的比例尺l，按预定位置画出B1C1、B2C2、B3C3；(2)连接B1B2、B2B3、C1C2、C2C3，并分别作它们的垂直平分线b12、b23、c12、c23，b12和b23的交点即为圆心A，c12和c23的交点即为圆心D；(3)以点A、D作为两固定铰链的中心，连接AB1C1D，则AB1C1D即为所要设计的四杆机

15、构；(4)按比例计算出各杆长度。3.5.4 按给定点的运动轨迹设计按给定点的运动轨迹设计四杆机构通常采用实验法，这里介绍工程上常用的图谱法。四杆机构在运转时，作平面运动的连杆上任一点都将在平面内描绘出一条复杂的封闭曲线，称为连杆曲线。连杆曲线的形状随连杆上点的位置以及各杆相对尺寸的不同而变化。如图326所示，为连杆平面上与BC平行的某一排上11个点的连杆曲线。为便于设计，工程上已通过实验方法，将不同比例的四杆机构上的连杆曲线整理成册，即成连杆曲线图谱。 图326 连杆曲线按给定点的运动轨迹设计四杆机构，可先从图谱中查找出与要求实现的轨迹形状相同或极其相似的连杆曲线，以及相应的四杆机构各杆长度的比值。