四连杆机构及其设计

章连杆机构及其设计从本章开始系统介绍几种常用机构的原理、类型、应用及设计……机械原理教学内容体系机构分析机构设计机械设计结构分析力分析运动分析连杆机构轮系齿轮机构凸轮机构其他常用机构机械系统动力学设计机械系统方案设计机构创新设计研究内容§4-1平面四杆机构的基本类型及其演化§4-2平面四杆机构的基本特性§4-3平面连杆机构设计*§4-4多杆机构本章内容■平面连杆机构的基本型式及其演化和应用。■曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等基本概念。■设计平面四杆机构的方法。■能用解析法和图解法对平面四杆机构进行运动分析。曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的传动角和平面四杆机构最小传动角的确定。重点：难点：连杆机构的定义连杆机构是由低副(Lower-pair)将若干构件连接而成的低副机构。连杆机构的分类连杆机构平面连杆机构空间连杆机构组成机构的所有构件都在相互平行的平面内运动的连杆机构。▲(planarlinkage)(spatiallinkage)平面连杆机构的几个基本概念：机架——平面连杆机构中的固定构件。连架杆——平面连杆机构中与机架相连的构件。连杆——连接连架杆的活动构件。曲柄——连架杆中能绕机架作整轴转动的构件。摇杆——连架杆中只能在某一范围内绕机架作往复摆动的构件。请区分构件名称连架杆周转副——能作整周转动的转动副。摆转副——不能作整周转动的转动副。请区分一下转动副连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见的连杆机构型式。这些机构的共同特点是其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3，这个不直接与机架相联的中间构件称为连杆，而把具有连杆的这些机构统称为连杆机构。●构件可长，用于远距离的操作。如挖掘机、车闸。●杠杆特性，用于增力。●运动形式多样，可用于运动转换。●连架杆位置对应，用于控制。●连杆位置多变，用于特定运动规律。●连杆曲线丰富，用于特定轨迹。●运动形式多样，可用于运动转换。平面连杆机构的优点1、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。2、其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单，工作可靠。3、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。平面连杆机构的缺点3、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求。1、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动精度。2、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。例如：多自由度的机械手；四足、六足步行机等，已经不限于运动学的范围，还注重动力学方面的研究。近年来国内外在连杆机构的研究方面都有长足的发展，不再限于单自由度四杆机构的研究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故常简称为“杆”。连杆机构可根据机构中所含杆数而命名，如：四杆机构、五杆机构、六杆机构、多杆机构等。平面连杆机构中最简单、应用最广的是四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。由于计算机的普及，很多智能化软件为平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连杆机构的应用前景广阔。§4-1平面四杆机构的基本类型及其演化二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件三、具有移动副的四杆机构及其演化铰链四杆机构机构中的全部运动副均为转动副时的四杆机构为铰链四杆机构。铰链四杆机构是平面连杆机构中最基本的形式，其它各种平面连杆机构都可以看成是由它演变而来的。连架杆—曲柄机架连架杆—摇杆连杆铰链四杆机构的基本类型曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构根据连架杆是曲柄还是摇杆，分类如下：铰链四杆机构1）两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆2）两连架杆均为曲柄3）两连架杆均为摇杆可根据曲柄的数量和存在与否进行判定。如何判定曲柄是否存在？B1CABDB2C1C2一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件曲柄的两个极限位置AB1、AB2。abcdAB整周转动B1C1D和B2C2D存在cbdaB1C1D中abcdB2C2D中cadb)(badc)(cbdadbcadcba杆长条件.dacaba，，且A、B均为周转副周转副存在条件：1）最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。条件1）称为杆长条件。◆不满足杆长条件时，则没有周转副，而只能获得双摇杆机构。◆满足杆长条件时，有最短杆参与构成的转动副都是周转副，而其余转动副则是摆转副。abcd2）其最短杆为连架杆或机架。四杆机构有曲柄的条件：1）各杆的长度应满足杆长条件，即最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构图4-3a），b），P58图4-3c）图4-3d）曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构铰链四杆机构二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化周转副周转副摆转副摆转副机架选用不同的构件曲柄摇杆机构？曲柄摇杆机构一种演化方法——机构的倒置机构的倒置：选用运动链中不同构件为机架以获得不同机构的演化方法。ABCD1）曲柄摇杆机构：取与最短杆相邻的构件为机架。曲柄摇杆机构的应用颚式破碎机机构1）此种机构常以曲柄为原动件，将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。雷达天线机构搅拌机机机构此时连杆作平面运动，连杆上各点的轨迹能形成不同的封闭曲线。玩具狗腿的动作也利用连杆曲线的特殊轨迹。2）此种机构中，若以摇杆为原动件，则可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。2）双曲柄机构当以短边为机架时，为一般双曲柄机构。两曲柄的转动方向相同或相反。双曲柄机构的应用惯性筛机构将原动曲柄的等速转动转变为从动曲柄的变速转动，从而使筛子具有较大惯性力而筛分物料。东莞理工学院专用ADCB1234旋转式叶片泵ADCB123ABDC1234E6惯性筛机构31在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等且平行，两曲柄的转向相同，称为正平行四边形机构。①正平行四边形机构：1）两曲柄以相同速度同向转动；2）连杆作平动，始终与机架平行。正平行四边形机构的两个显著特点：▲平行四边形机构的应用蒸汽机车驱动装置摄影升降机构用正平行四边形机构传递动力用连杆作平移运动作者：潘存云教授耕地料斗DCAB播种机料斗机构在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，但不平行(BC与AD)，两曲柄转向相反（AB与CD），称为反平行四边形机构。②反平行四边形机构（逆平行四边形机构）：车门开闭机构（主、从动曲柄反向转动。）四轮拖车转向机构东莞理工学院专用作者：潘存云教授反平行四边形机构双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行。--车门开闭机构反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG注：平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开排列。火车轮3）双摇杆机构(doublecrockmechanism)2）若铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。1）若铰链四杆机构各杆的长度满足杆长条件，取与最短杆相对的构件为机架。45256035最短杆长度+最长杆长度》其余两杆长度之和。东莞理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABDCE双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构特例：等腰梯形机构－汽车转向机构、风扇摇头机构C’B’ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDCEABDCE电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆ABDC可使连杆到达两个固定的位置。铸造翻箱机构风扇摇头机构风扇壳体固装于连架杆AB上。5—蜗轮，6—蜗杆构件2与构件5固连在一起。通过构件2的整周转动，实现摇杆AB的往复摆动。等腰梯形机构：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。汽车前轮转向机构鹤式起重机机构悬点E上悬挂的重物在近似水平直线上运动，避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。4）泛菱形机构AD1BC234A1B34DC2ADC34（1）（2）若四杆机构的两相邻杆长度两两相等，则机构将变为泛菱形机构，如下图a）、b）、c）图a）双曲柄机构图b）曲柄摇杆机构图c）二杆机构泛菱形机构有3个周转副，一个摆转副。当其以短杆为机架时为双曲柄机构；当其以长杆为机架时为曲柄摇杆机构，这种机构当相邻两杆重叠在一起时，将退化为二杆机构，其运动不确定。机构的演化机构的演化——将基本机构进行变换，得到新机构的方法。常见的演化方法：1）改变构件的形状和运动尺寸；2）改变运动副的尺寸；3）选用不同的构件为机架；4）运动副元素的逆换。1)得到所要求的运动性能；2)改善受力状况；3)满足结构设计要求。机构演化目的：各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。e.g.选用不同构件为机架(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABCD双曲柄机构(0~360°)(0~360°)(360°)(360°)1234ABDC双摇杆机构(0~360°)(0~360°)(360°)1234ABCD(360°)整周转动副曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构1、曲柄滑块机构C3AB124三、具有移动副的四杆机构及其演化改变相对杆长、转动副演化为移动副。——具有移动副的四杆机构的基本形式。A点到铰链C移动轨迹的距离e称为偏距。偏置式曲柄滑块机构（e0)对心式曲柄滑块机构(e=0)曲柄滑块机构根据偏距e不同分类：曲柄滑块机构的应用：活塞式内燃机往复式水泵冲床曲柄滑块机构的演化机构1）导杆机构2）摇块机构3）定块机构4）双滑块机构变换单移动副机构的机架。再次改变相对杆长，将另一个转动副演化为移动副。4321定块机构(一)变换单移动副机构的机架曲柄滑块机构BA1234C导杆机构1234曲柄摇块机构1432导杆机构1234曲柄滑块机构中，当取杆1为机架时，即得。杆4称为导杆，滑块3相对导杆4作相对滑动，并随杆2一起转动，一般取杆2为原动件。应用：回转式液压泵、牛头刨床、插床等机器的主体机构。曲柄滑块机构BA1234C①导杆机构1）转动导杆机构BA1234C2）摆动导杆机构3A124CB导杆机构均可作整周转动和杆时，杆当4221ll只能作往复摆动杆作整周转动时，杆当4,221ll转动导杆机构D回转式液压泵插床主体机构(ABBC)刨床主体机构摆动导杆机构(ABBC）A刨床主体机构的另一种形式曲柄滑块机构BA1234C曲柄摇块机构1432曲柄滑块机构中，当取杆2为机架时，即得摇块机构。摇块机构一般取杆1或杆4为原动件，当杆1作转动或摆动时，杆4相对滑块3滑动，并一起绕C点摆动。应用：e.g.液压驱动装置、摆缸式内燃机、卡车车厢自动翻转卸料机构。②摇块机构曲柄摇块机构摆缸式内燃机机构左侧四杆机构位移量小，减振功能差挖掘机相邻两杆之间的开合动作也是由摇块机构来实现的。作者：潘存云教授应用实例B234C1A自卸卡车举升机构应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2应用实例A1C234Bφ曲柄滑块机构BA1234C滑块3为定块，一般取杆1为原动件，杆2绕C点往复摆动，而杆4仅相对滑块3作往复移动。4321定块机构③定块机构（移动导杆机构）曲柄滑块机构中，当滑块3为机架时，即得定块机构。应用：e.g.抽水泵、抽油泵。移动导杆机构（定块机构）抽水泵手动抽油泵ABC3214东莞理工学院专用(二)改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构(slider-crankmechanism)双滑块机构正弦机构s=lsinφ↓∞→∞φl12341234s正弦机构曲柄滑块机构BA1234Caa铰链B相对于铰链C运动的轨迹为圆弧aa1234将连杆2做成滑块形式，并使之沿圆弧导轨运动。作（1）的转化，并将连杆2长度增至