平面连杆机构及设计

第三章平面连杆机构及其设计本章重点：平面四杆机构的类型、基本知识和设计。本章难点：平面四杆机构的设计。§3-1平面连杆机构的特点及设计的基本问题一、平面连杆机构：由低副联接而成的机构。二、平面连杆机构的特点：1、优点：面接触—承载能力强，便于润滑寿命长；低副—形状简单，易加工，易于操纵机构。2、缺点：（1）只能近似实现给定的运动规律;（2）设计复杂；（3）只适合速度较低的场合。三、平面连杆机构设计的基本问题四、设计方法：选型设计尺寸设计①连杆机构的构件数目②运动副类型与数目①转动副中心之间的距离②移动副位置尺寸1、实现构件给定位置2、实现已知运动规律3、实现已知运动轨迹1、图解法2、解析法3、实验法课外实践作品——仿生尺蠖机构所有运动副均为转动副的平面四杆机构。(含有0个移动副)§3-2平面四杆机构的基本型式与演化一、铰链四杆机构1A423CBD整转副：二构件相对运动为整周转动——A摆动副：二构件相对运动不为整周转动——D曲柄：作整周转动的连架杆——1摇杆：非整周转动的连架杆——34—机架1，3—连架杆→定轴转动2—连杆→平面运动→固定不动铰链四杆机构的基本形式:（根据连架杆不同运动形式分）（1）曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构（3）双摇杆机构雷达天线俯仰机构缝纫机机构正平行四边形机构鹤式起重机机构ADCB2143ADCB12344A1B2D3C曲柄→偏心轮偏心轮机构→曲柄为偏心轮结构的连杆结构偏心距＝曲柄长1、扩大转动副偏心轮机构应用：多用于曲柄销承受较大冲击、曲柄较短、需安装在直轴中部的机器。二、铰链四杆机构的演化DABCDBA12341234CKcKcB1A324CB241ACe32、转动副转化成移动副曲柄滑块机构（偏距e）e≠0，偏置曲柄滑块机构e=0，对心曲柄滑块机构冲床、内燃机、空压机、曲柄压力机等。(1)(2)导杆机构导杆整周转动→转动导杆机构导杆只作摆动→摆动导杆机构导杆—3作用：对滑块起导路作用牛头刨床、插床等(3)摇块机构自卸卡车车厢的举升机构等摇块—3绕C点摇摆(4)定块机构（又名移动导杆机构）手摇唧筒机构等定块—3固定不动四杆机构含有一个移动副曲柄滑块机构导杆机构摇块机构定块机构四杆机构含有二个移动副正弦机构正切机构双转块机构双滑块机构转动副移动副(1)正弦机构(曲柄移动导杆机构)缝纫机的刺布机构等移动构件—2、3sin3ABlS(3)双转块机构(十字滑块联轴节)(2)正切机构移动构件—2、3tan3lS(4)双滑块机构（椭圆仪）连杆BC连线上的任一点轨迹为以A为中心的椭圆。其中，中点D的轨迹是以A为圆心的圆。3、更换机架构件3为机架→定块机构(d)构件4为机架→曲柄滑块机构(a)构件1为机架→转动导杆机构(b)构件2为机架→摇块机构(c)教材中所示不同形式的四杆机构四杆机构含有1个移动副曲柄滑块、导杆摇块、定块四杆机构含有2个移动副正弦、正切双转块、双滑块四杆机构含有0个移动副曲柄摇杆、双曲柄(曲柄主动)曲柄摇杆、双摇杆(摇杆主动)更换机架更换机架更换机架转动副变移动副§3-3平面四杆机构曲柄存在条件及特性一、平面四杆机构曲柄存在条件1、铰链四杆机构整转副存在条件（1）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和（称为杆长条件）；（2）组成该整转副的两构件之一为最短杆。证明：不失一般性，以图中的转动副A为例，证明转动副A成为整转副的条件。Bba1A2dC3cD4A1CB2dD4B1abcAD4B2C2abdc在机构运动的任一位置，若令f=lBD，则由三角形的边角关系：b+c≥f，b+c≥fmax=a+d，(B在B1处)|b－c|≤f，|b－c|≤fmin=|d－a|（B在B2处）若ad，则|d－a|=d－a→a+b≤c+da+c≤b+da+d≤c+b且a=min若ad，则|d－a|=a－d→d+b≤c+ad+c≤b+ad+a≤c+b且d=min铰链四杆机构曲柄存在条件(类型判定)：双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构杆长之和条件N双摇杆机构Y最短杆为连架杆最短构件为机架最短杆对边的为机架YY2BCe1C2B1AabE2、曲柄滑块机构曲柄存在条件直角△AC1E：AC1＞AEb-aeba+e曲柄存在的条件:ba+e偏置ba对心(e=0)直角△AC2E：AC2＞AEa+beba-e→二、平面四杆机构工作特性(1)机构的急回运动特性原动件作匀速转动，从动件相对机架作往复运动的机构，从动件正行程和反行程的平均速度不相等的特性。BCDAC21CB12B12ψ曲柄摇杆机构曲柄AB1→AB2，摇杆C1D→C2D，曲柄AB2→AB1，摇杆C2D→C1D，正行程：反行程：正行程慢，反行程快。,1/11t,1/tCD,2/22t,2'/tCDCDCDtt'12121、行程速度变化系数(2)行程速度变化系数1v输出从动件v输出从动件）慢行程的平均速度（）快行程的平均速度（慢快K21801802121180180212112'ttttKCDCD11180KK可见：θ越大，急回特性越显著。(a)偏置曲柄滑块机构：AeB2B1C12C慢行程121(3)其它具有急回特性的机构CB1B2A12(b)摆动导杆机构：往复式运动机械中，为提高劳动生产率，要求工作行程慢，非工作行程快。如：牛头刨床机构，刨时的速度＜回刀的速度(4)急回机构的应用2、压力角和传动角AB2BDCC2C11BnPPPtcvminmaxcosPPtsinPPn90(1)压力角α从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。(2)传动角γ——压力角余角平面连杆机构经常用γ衡量机构的传动质量(易于测量)——有效分力——无效分力γ↑，对机构传动越有利α↓→Pt↑对机构传动越有利α反映力的有效利用程度(4)传动角的计算40min,90180,90(3)许用传动角一般：50min传动角是原动件位置的连续函数。因此在机构运动的一个周期中，一定存在最小传动角min。高速机构：δ——构件2、3的夹角3、死点位置90,0C1C2DPAB1B2(1)死点位置:对于曲柄摇杆机构，以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角γ＝0°，这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为“死点”。例2曲柄滑块机构例3摆动导杆机构例1曲柄摇杆机构避免在死点位置起动。运转时，靠惯性冲过死点。(2)死点的不利影响：运动不确定卡死(3)克服死点的方法：(4)死点的利用：飞机起落架机构和工件夹紧机构等。§3-4平面四杆机构的设计——图解法ABCD固定铰链A、D：活动铰链B、C：圆心圆或圆弧BiCii=1、2、···、NEiFi图解设计问题——作图求解各铰链中心的位置问题。各铰链间的运动关系：图解设计的基本原理接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置。这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位置问题了。这种方法又称为反转法。为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作新机架，而将其相对的杆视为新连杆。机构的倒置原理1、已知连杆的三个或二个位置设计四杆机构AD1BB23BC12CC3∵B点绕A点、C点绕D点定轴转动①连接B1B2、B2B3；②作B1B2、B2B3垂直平分线交于A点；③连接C1C2、C2C3；④作C1C2、C2C3垂直平分线交于D点。给出B、C三个位置，A、D位置唯一给出B、C二个位置，A、D位置无穷（需加其他条件方可获得唯一解）目的：求解出铰链A和D。2、按给定两连架杆的位置设计四杆机构目的：求解出铰链C。引入转换机架的思想，采用反转法求得。①作△DE1B2’≌△DE2B2，得B2’；②作△DE1B3’≌△DE3B3，得B3’；③作B1’B2’、B2’B3’的垂直平分线，交点就是所求C1。连杆长度：b=ul×B1C1摇杆长度：c=ul×D1C13、按给定的行程速比系数K设计四杆机构已知：摇杆CD长度、摆角、行程速比系数K；目的：确定铰链A,曲柄长a和连杆长b。①由(1)式算出极位夹角θ；②任选D的位置，按已知条件作出摇杆极限位置DC1和DC2;③作∠C2C1O＝∠C1C2O＝90°－θ得C1O与C2O交点O;④以O为圆心，OC1为半径作辅助圆，A点在圆弧上任选。11180KK（1）baablablACAC,21ABCC'DC''M实现给定点的运动轨迹——实验法设计时确定:1、各杆的长度比例。2、描绘连杆曲线的点的位置图谱法本章知识点平面四杆机构类型曲柄存在条件压力角和传动角机构死点和急回特性平面四杆机构的尺寸综合Question?杆件数目？运动副类型？连杆机构类型？雷达天线俯仰机构返回机构缝纫机机构返回机构正平行四边形机构返回机构双摇杆机构返回机构双摇杆机构鹤式起重机曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构返回机构返回急回曲柄压力机导杆机构返回机构返回急回摇块机构返回摇块机构自卸卡车车厢返回摇块机构手摇唧筒机构返回定块机构缝纫机针返回正弦机构十字滑块联轴节正切机构椭圆仪飞机起落架返回工件夹紧机构返回给定位置设计炉门翻型机返回偏心泵机构契贝谢夫四足机器人它是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处在曲线的直线段时则着地静止不动，而另一对角足则处在曲线段作迈足运动，从而可实现类似动物的足行运动。