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第8章连杆机构的分析与设计8.2平面四杆机构的运动和动力传递特性8.1平面四杆机构的型式及应用8.3平面四杆机构的运动设计复习思考题例题8.4实例设计与分析第8章连杆机构的分析与设计概要地介绍了平面连杆机构的特点、类型及典型应用；较详细地介绍了平面四杆机构的基本型式、演化方法及四杆机构的一些基本知识（如曲柄存在的条件、急回运动特性、行程速比系数、压力角和传动角、死点等）；重点阐述了平面四杆机构的运动设计方法。8.1平面四杆机构的型式及应用8.1.2平面四杆机构的演化8.1.1铰链四杆机构8.1.1铰链四杆机构连杆机构是由若干个刚性构件用低副连接而成。各构件若均在相互平行的平面内运动，称为平面连杆机构。平面连杆机构中，以四个构件组成的平面四杆机构用得最多在平面四杆机构中，又以铰链四杆机构为基本形式1)曲柄摇杆机构在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。应用举例：牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪缝纫机脚踏板机构、自行车、走步机、送料机构一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。运动特点：根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式1四杆机构的基本形式曲柄摇杆机构应用实例搅面机曲柄摇杆机构应用实例卫星接收装置缝纫机脚踏板机构自动送料机构2)双曲柄机构—两连杆架均为曲柄的四杆机构应用举例：惯性筛、插床机构运动特点：从动曲柄变速回转惯性筛插床机构►特殊形式：平行四杆机构平行四杆机构的从动曲柄运动不确定问题解决办法1〉加惯性轮，利用惯性维持从动曲柄转向不变2〉用辅助构件组成多组相同的机构，使彼此错开一定角度3.双摇杆机构—两连杆架均为摇杆的四杆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飞机起落架车辆的前轮转向机构8.1.2平面四杆机构的演化1.扩大转动副，使转动副变成移动副对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构2.取不同的构件为机架•当曲柄滑块机构取不同的构件为机架时，会得到不同的导杆机构；•演化后在滑块中与滑块做相对移动的构件称为导杆►导杆机构机架4曲柄滑块机构机架2摇块机构机架3移动导杆机构机架1转动导杆机构机架1转动导杆机构特点：构件2和4都可以作整周转动，因此称为曲柄转动导杆机构若l1l2，则为曲柄摆动导杆机构曲柄转动导杆机构：小型刨床就是应用实例摆动导杆机构：牛头刨中的主运动机构机架2摇块机构机架3移动导杆机构特点：构件2只可以绕C点摆动，导杆4只能移动。因此称为移动导杆机构3、扩大回转副正弦机构应用实例缝纫机针运动机构双滑块机构双转块机构8.2平面四杆机构的运动和动力传递特性8.2.2急回运动性质8.2.1四杆机构存在曲柄的条件8.2.3压力角与传动角8.2.4死点位置8.2.1四杆机构存在曲柄的条件1、周转副存在条件：1)最短杆长度＋最长杆长度其余两杆长度之和，此谓之杆长条件。2)组成转动副A的两杆中有一杆为四杆中的最短杆；引出：铰链四杆机构曲柄存在条件；铰链四杆机构有曲柄的条件最短构件与最长构件的长度之和小于等于其他两构件长度之和。1、杆长条件取最短构件为机架——双曲柄机构取最短构件对面的构件为机架——双摇杆机构2、取最短构件任一相邻构件为机架——曲柄摇杆机构8.2.2急回运动性质急回特性：回程所用时间小于工作行程所用时间时，称机构有急回特性。极位：从动摇杆位于两极限位置时，机构所处位置（原动件曲柄与连杆共线的两个位置）。极位夹角θ机构在两极位时，原动曲柄两位置的锐夹角行程速比系数K：θ越大，K越大，急回越明显。118018000212112ttvvK11180KK返回8.2.3压力角与传动角Fn=Fsinα，Ft=FcosαFn——使转动副D产生径向载荷Ft——使摇杆CD运动的有效分力压力角α：从动件运动方向与所受主动力方向所夹的锐角。传动角γ：压力角的余角用来衡量机构的传力性能在机构运动过程中，压力角和传动角是变化的。►为了确保机构能正常工作，应使一个运动循环中最小传动角γmin为40o~50o►传递功率大时，γmin应取大些►机构的最小传动角γmin发生在主动曲柄与机架二次共线的位置之一处8.2.4死点位置死点（此位置传动角γ=0）：在不计摩擦的情况下，当CD为主动件，AB杆上所受的力恰好通过其回转中心时，构件AB不能继续转动，出现“顶死”现象，这种位置称为机构的死点（从动件与连杆共线的位置）。对传动机构而言，机构存在死点是不利的，应尽量避免；或者采取措施使机构能顺利通过死点位置•利用从动件的惯性；•采用多套机构错位排列，使各组机构的死点位置相互错开。夹具，夹紧工件时，B，C，D共线，机构处于死点位置。ABDC飞机起落架中的死点死点的应用：8.3平面四杆机构的运动设计8.3.1连杆机构设计的基本问题8.3.2平面四杆机构的运动设计8.3.3平面连杆机构的结构8.3.1连杆机构设计的基本问题一个设计过程：已知条件→构件尺寸►两类基本问题：实现给定运动规律；实现给定运动轨迹；►三种设计方法：图解法►解析法►实验法已知条件：运动条件、几何条件、动力条件。简明易懂，精确性差。精确度好，计算繁杂。形象直观，过程复杂。图解法设计平面四杆机构1.按给定连杆位置设计四杆机构A1B2B3B1C2C3CD12b12c23b已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：设计铰链四杆机构设计步骤：①连接B1B2、B2B3，作线B1B2、B2B3的垂直平分线b12、b23，交于A点；②连接C1C2、C2C3，作线C1C2、C2C3的垂直平分线c12、c23，交于D点；③连接AB1、C1D。23c8.3.2平面四杆机构的运动设计问题：已知行程速比系数K，摇杆长CD，其摆角ψ，设计一曲柄摇杆机构。分析：所需确定的是另外三杆的长度。假设满足要求的四杆机构已经设计出，现分析之。1.由K求出曲柄的极位夹角。2.曲柄2、具有急回要求的曲柄摇杆机构的设计ψBC?►第一步►第二步►第四步第一步：求极位夹角►第三步具有急回要求的曲柄摇杆机构的设计第二步：确定D、C1、C2的位置第三步：求曲柄转轴A的位置•过C1做C1C2的垂线C1N•做角•以C2P为直径画圆。转轴A的位置可在圆弧C1F和C2G上选取。C1N和C2M相交得到点P具有急回要求的曲柄摇杆机构的设计第四步：求曲柄长，即确定B的位置具有急回要求的曲柄摇杆机构的设计讨论：•在弧C1F上A点选得离F越近，则机构的最小传动角越小。若无其他要求，应使最小传动角尽量大些，即A点应在圆周的上方选取。•设计时若给定机架AD长度，则A点可定具有急回要求的曲柄摇杆机构的设计返回3.按给定行程速度变化系数K设计四杆机构问题：已知行程速比系数K，滑块行程H，和偏距e。设计曲柄滑块机构。分析：由于曲柄滑块机构是四杆机构的一种演化型式，故设计方法与曲柄摇杆机构相同。只是在曲柄摇杆机构中，从动件是摆动，在曲柄滑块机构中从动件是移动。3、具有急回要求的曲柄滑块机构的设计第一步：求极位夹角具有急回要求的曲柄滑块机构的设计第二步：确定C1、C2，满足滑块行程H。第三步：求转轴A的位置第四步：求AB、BC长度注意最后实际构件的长度要在量得的尺寸上乘以长度比例尺μl4.按给定速度变化系数K设计导杆机构4、具有急回要求的导杆机构的设计问题：已知行程速比系数K，机架长度lAC。设计此导杆机构。分析导杆机构的极位夹角θ等于导杆的摆角ψ。所需确定的是曲柄长度AB第一步：求极位夹角第二步：确定CB1、CB2方向，满足摆角第三步：作ψ角的角平分线为机架AC，令AC=lAC/μl第四步：从A点作Cn的垂线，垂足即为B2。至此，曲柄AB长度lAB=μlxAB。具有急回要求的导杆机构的设计返回复习思考题曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构一个连架杆为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构。两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。摇杆曲柄能作整周转动的连架杆。不能作整周转动的连架杆。平行四边形机构在双曲柄机构中，两曲柄长度相等且平行。反平行四边形机构在双曲柄机构中，两曲柄长度相等，而连杆和机架不平行。偏置曲柄滑块机构在曲柄滑块机构中，滑块的导路到曲柄回转中心的距离称为偏距。若偏距不为零，则称为偏置曲柄滑块机构；若偏距为零，则称为对心曲柄滑块机构。复习思考题行程速比系数当原动件作等角速运动时，从动件的回程速度与工作行程速度之比。它表征机构的急回运动特性。极位夹角从动件处于两极限位置时，原动件所处两位置的锐夹角。压力角在不计摩擦的情况下，从动件某点的受力方向与运动方向的锐夹角。传动角压力角的余角。死点传动角为零的机构位置。复习思考题铰链四杆机构中，存在周转副的条件是什么？最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和时，最短杆的两个转动副都是周转副。铰链四杆机构有那三种基本形式？曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。在铰链四杆机构中，何时出现传动角的极小值？当原动件曲柄与机架共线时，出现传动角的极小值。当铰链四杆机构各杆长满足什么条件时，为双摇杆机构？不满足“杆长和条件”时，为双摇杆机构；满足“杆长和条件”，但以最短杆的对边为机架时，仍为双摇杆机构。例题急回机构的设计急回机构的设计例1图示铰链四杆机构，已知各杆长度1）说明为何机构；2）当BC主动并连续转动时，求AB的摆动角度。解：1）双摇杆机构2）分析：取AB为机架时，机构为曲柄摇杆机构，摇杆AD的摆角即为原机构中AB的摆角。作图：如图示从图中量AB的摆角为：急回机构的设计例2已知曲柄摇杆机构的摇杆长LCD=50mm，摆角ψ=40度，行程数比系数K=1.5，机架长LAD=40mm。试用作图法求出该机构的曲柄和连杆的长度LAB、LBC。解：1）计算极位夹角003611180KK2）作图（取比例尺μl=1mm/mm）作摇杆的两个极位；作θ圆；作铰链A点；求曲柄和连杆的长度画出机构#讨论：铰链点A的求法36mm22.5)/2(49.71)/2ACAC(μL12lBC13.6mm22.5)/2(49.71)/2ACAC(μL12lAB急回机构的设计例3试设计一曲柄滑块机构，已知行程数比系数K=1.5，滑块的冲程H=50mm，偏距e=20mm。并求其最大压力角解：计算极位夹角作图（取μl=1）作两极位；作θ圆；作偏距求A点；作最大压力角时的机构位置，量取#mmACACLlBC5.462/)2568(12/)(12mmACACLlAB5.212/)2568(12/)(12急回机构的设计例4已知一牛头刨床横向进给机构中的曲柄摇杆机构，LAB=20mm，LBC=80mm，LCD=70mm，LAD=60mm，现要改变进给量，需把摇杆的摆角ψ减小一半，试问若行程数比系数不变，应如何调整曲柄和连杆的长度？解：根据给定的四个杆长，作机构的两个极位，如图，量取机构的摆角和极位夹角再根据LCD=70mm，LAD=60mm，进行铰链四杆机构的设计，如图，量得：mmACACLlAB9.112/)7.205.44(12/)(12mmACACLlBC6.322/)7.205.44(12/)(128.3.3平面连杆机构的结构►1.构件的结构1）杆状：2）桁架：3）盘状4）曲轴5）偏心轮和偏心轴6）杆件的结构设计还要考虑载荷、质量、质量分布、刚度和材料经济性等因素。具有不同横截面的连杆机构偏心轴结构2.运动副的结构形式1）转动幅连杆机构中可利用滑动轴承或滚动轴承作为其转动副。2）移动副3.平面连杆机构结构分层为了避免连杆机构在传动中出现“干涉”现象，平面连杆机构中的各构件并非都分布在同一平面内，往往是分布在互相平行的不同平面内。8.4实例设计与分析►1．原始数据和设计要求（1）上模作上、下往复直线运动，具有快速返回的特性。（2）机构应具有较好的传动性能，工作段的传动角应大于或等于许用传动角40°。（3）上模的工作段长度l＝30～100mm，对应曲柄转角φ＝60°～90°；上模行程长度必须大于工作段长度的两倍以上。（4）行程速度变化系数K