模块4 平面连杆机构

模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 学习情境1 学习情境1 铰链四杆机构 学习情境2 含有一个移动副的平面四 杆机构 学习情境3 平面四杆机构的基本特性 学习情境4 平面连杆机构的设计方法 【知识目标知识目标】 认知平面四杆机构的各种类型；认知平面四杆机构的各种类型； 理解平面四杆机构的基本特性，了解这些特性在工理解平面四杆机构的基本特性，了解这些特性在工 程实际中的应用；程实际中的应用； 理解平面四杆机构的设计方法。理解平面四杆机构的设计方法。 模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 【技能目标技能目标】 根据机构要实现的运动，选择平面连杆机构 的类型； 根据已设计的机构，分析其能实现的运动及 特性； 给定的行程速度变化系数或连杆位置，能够 设计简单的平面四杆机构。 模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 若干构件通过低副（转动副或移动副）联接所组成 的机构称作连杆机构。它广泛用于各种机器中，如 图4-1所示。根据所含有构件的数目，平面连杆机构 可分为平面四杆机构、平面多杆机构(五杆机构、六 杆机构) 模块模块4 4 平面连杆机构平面连杆机构 学习情境1 铰链四杆机构 4.1.1铰链四杆机构的组成 铰链四杆机构是由转动副连接而成的封闭四杆系统 （即四构件系统），其中一个杆固定， 曲柄摇杆机 构是铰链四杆机构的一种形式。如图4-3所示。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 若在铰链四杆机构的两个连架杆中，一个为曲柄， 另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。 其运动特点是: 当曲柄为主动件做等速转动时，摇 杆为从动件做往复摆动，如图4-3所示。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 2. 双曲柄机构双曲柄机构 如果两个连架杆均为曲柄， 都能作360°整周转 动， 则该铰链四杆机构称为双曲柄机构。其运动特 点是: 当主动曲柄做匀速转动时, 从动曲柄做周期性 的变速转动, 以满足机器的要求。如图4-5所示 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 2. 双曲柄机构双曲柄机构 在双曲柄机构中, 若相对的两杆长度分别相等, 则称为平行双曲柄机构，或称平行四边形机构。在 机构运动的过程中，当曲柄与连杆共线时，机构将 会出现四个铰链中心处于同一直线上的情况，如图 4-6所示， 此时机构的位置是AB1C1D。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 2. 双曲柄机构双曲柄机构 为了消除平行四边形机构的这种运动不确定的状 态，以保证机构具有确定的运动，可以在机构中添 加附加构件以增加虚约束。图4-7所示的机车车轮联 动机构就是平行四边形机构。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 3. 双摇杆机构双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆 机构，如图4-8所示。图4-9所示的飞机起落架收放 机构即为双摇杆机构。 4.1.2铰链四杆机构的类型及应用 3. 双摇杆机构双摇杆机构 如图4-10所示的起重机机构也是比较典型的双摇 杆机构。在双摇杆机构中，如果两个摇杆的长度相 等，则称为等腰梯形机构，如图4-11。 4.1.3铰链四杆机构有曲柄的条件 铰链四杆机构有曲柄的条件（杆长之和条 件）为： (1) 最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其 他两杆的长度之和； (2) 连架杆或机架中必有一杆是最短杆。 以上的两个条件必须同时满足，否则机构 中不存在曲柄。但对铰链四杆机构三种基本 形式的具体判别，除了满足铰链四杆机构有 曲柄的条件外，还与固定不同杆作机架有关。 【例4.1】在图4-12所示四铰链机构中，已知： b50mm，c35 mm，d30mm，AD为固定件。 (1) 如果能成为曲柄摇杆机构，且AB是曲柄， 求a的极限值；(2) 如果能成为双曲柄机构， 求a的取值范围。 解：解：(1) 若能成为曲柄摇杆机构，则机构必 须满足“杆长之和的条件”，且AB应为最短 杆。 b+ac+d 50+a35+30 所以a15mm 解：(2) 若能成为双曲柄机构，则应满足“杆长之和的条 件”， 且AD必须为最短杆。这时，应考虑下述两种情况： a50 mm时，BC为最长杆， b+dac 50+30a+35 所以a45 mm 45mma50mm a50mm时，AB为最长杆， a+db+c a+3050+35 所以a55 mm 50 mma55mm 将两种情况下得出的结果综合起来，即得a的取值范 围为：45 mma55 mm。 学习情境2 含有一个移动副的平面四杆机构 4.2.1 曲柄滑块机构及其应用 曲柄滑块机构可以看成是由曲柄摇杆机构演 化而来的。如图4-13所示。 4.2.1 曲柄滑块机构及其应用 曲柄滑块机构用途很广，主要用于将回转运动转变 为往复运动的场合。 自动送料机构(如图4-14所示)、 冲压机构(如图4-15所示) 4.2.2 偏心轮机构 在曲柄摇杆、曲柄滑块或其他带有曲柄的机构中， 如果曲柄很短，当在曲柄两端各有一个轴承时，则 加工和装配工艺困难，同时还影响构件的强度。因 此，在这种情况下，往往采用如图3-15所示的偏心 轮机构。 4.2.3导杆机构 当改变曲柄滑块机构中的固定构件时，可得到各种 形式的导杆机构。导杆为能在滑块中作相对移动的 构件。如图4-17所示 。 4.2.3导杆机构 牛头刨床的主运动机构利用了摆动导杆机构, 如 图4-18所示。如图4-19所示为电气开关机构。 4.2.4 摇块机构和定块机构 1.摇块机构摇块机构 当取曲柄滑块机构中的连杆2为机架时，则成为 摇块机构如图4-20所示。曲柄摇块机构常应用于各 种液压和气动装置上。如图4-21所示 。 4.2.4 摇块机构和定 块机构 2.定块机构定块机构 如果将滑块作为 机架，则可得到如图 4-22(a)所示的定块 机构。这种机构常用 于老式的手动抽水机 和抽油泵中。如图4- 22(b)所示的抽水唧 筒中采用的就是这种 机构。 学习情境3 平面四杆机构的运动特性 4.3.1 急回特性 如图4-23所示的曲柄摇杆机构中， 设曲柄AB为主 动件， 以角速度1作顺时针转动， 摇杆CD为从 动件并作往复摆动。平面四杆机构有无急回作用取 决于极位夹角。 若0， 则K1， 表明机构有急 回特性； 且越大， K值就越大， 机构的急回特性 就越显著。 若=0， 则K=1， 表明机构没有急回 特性。 在设计机器时，利用这个特性，可以使机器在工作 行程速度小些，以减小功率消耗；而空回行程时速 度大些， 以缩短工作时间，提高机器的生产率。 4.3.2 传力特性 在工程实践中，不仅要求连杆机构能实现预期的运 动规律，同时希望传力性能良好(运动轻便、效率 较高)。因此需要分析和认识机构的传力特性。 1.压力角和传动角压力角和传动角 4.3.2 传力特性 1.压力角和传动角压力角和传动角 如图4-25所示出现最小传动角min。如图4-26 所示传动角恒等于90°。这说明摆动导杆机构具 有良好的传力性能。 4.3.2 传力特性 2.死点位置死点位置 4.3.2 传力特性 2.死点位置死点位置 缝纫机借助带轮的惯性使机构通过死点位置的, 如图4-28所示。 4.3.2 传力特性 2.死点位置死点位置 工程上有时也利用机构的死点位置来满足某些 工作要求。如图4-29所示为飞机的起落架机构，当 飞机准备着陆时，机轮被放下，此时BC杆与CD杆 共线，机构处于死点位置，使飞机着陆可靠。 学习情境4 平面连杆机构的设计方法 4.4.1运动设计的类型与方法 在实际生产中， 对机构的设计要求是多种多样 的， 给定的条件也各不相同。 归纳起来， 设计的 类型一般可以分为两类： (1) 按照给定的运动规律(位置、 速度、 加速度) 设计四杆机构，称为位置设计； (2) 按照给定的点的运动轨迹设计四杆机构，称 为轨迹设计。 4.4.2 按给定的行程速度变化系数设计 在设计具有急回特性的平面四杆机构时，通常按照 实际的工作需要，先确定行程速度变化系数K的数 值，并计算出极位夹角，然后利用机构在极限位 置时几何关系，再结合其它有关的附加条件进行四 杆机构的设计，从而求出机构中各个构件的尺寸参 数。 1.曲柄摇杆机构设计曲柄摇杆机构设计 【例4.2】如图4-31所示，已知曲柄摇杆机构中摇杆 CD的长度lCD、 摆角和行程速比系数K， 试设计 该机构（即确定曲柄AB、 连杆BC和机架AD的长 度）。 解 (1) 由给定的行程速比系数K， 可以算出极位夹 角。 (2) 任选一固定铰链点D，选取长度比例尺l， 并按摇杆长lCD和摆角作出摇杆的两个极限位置 C1D和C2D，如图6-25所示。 (3) 连接C1、 C2两点， 并自C1（或C2）作 C1C2的垂线C1H。 11180KK解(4) 作C1C2J=90°-，则直线C2J与C1H相交于 P点。 在直角三角形C1PC2中， C1PC2=。 (5) 以C2P为直径作直角三角形C1PC2的外接圆 k， 在圆周上任取一点A作为曲柄AB的固定铰链中 心， 连接AC1和AC2。 因同一圆弧的圆周角相等， 故C1AC2=C1PC2=。 (6) 由图可知， 摇杆在两极限位置时曲柄和连杆 共线， 故有各构件长度关系：和。 (7) 在图上测得各构件实际长度为： lAB=l×lAB；lDC=l×lDC； lAD=l×lAD 2.曲柄滑块机构设计曲柄滑块机构设计 【例43】 如图4-32所示，已知偏置曲柄滑块机构 的行程速度变化系数K、 滑块的行程H和偏距e， 试设计此机构。 解 (1) 根据给定的行程速度变化系数K，计算极位 夹角。 (2) 画出滑块的极限位置。 选取适当的长度比例尺l， 按滑块的行程H画出线 段C1C2, 得到滑块的两个极限位置C1和C2， 如图 4 - 26所示。 (3) 作P C1C2 及其外接圆。 作图方法同例4.2中的步骤(4)和(5)。 11180KK解(4) 确定曲柄与机架的固定铰链中心A。 作C1C2的平行线，与C1C2的距离为偏距e，该直 线与P C1C2的外接圆的交点即为曲柄的转动中心 点A。 (5) 确定曲柄和连杆的尺寸。方法同例4.2 （6）、（7）。 (6) 在曲柄的运动轨迹上，任取一点A，按各构 件的尺寸画出机构ABC，即为该机构在某个位置时 的运动简图。 4.4.3按给定的连杆位置设计 【例例4.4】如图4-33（a）所示，已知机构的长度 比例尺为l， 铰链四杆机构中连杆BC的长度为l2， B和C分别是连杆上的两个铰链， 给定连杆的三个 位置B1C1、 B2C2和B3C3， 试设计该铰链四杆 机构。 【例例4.4】 解解 设计要解决的问题就是确定连架杆与机架组成的 固定铰链中心A和D的位置， 并求出机构中其余三 个构件的长度l1、 l3和l4。 由于连杆上的两个铰链中心B、 C的运动轨迹 都是圆弧，它们的圆心就是两固定铰链中心A和D， 圆弧的半径即为两个连架杆的长度l1和l3， 所以运 用已知三点求圆心的方法即可设计出所求的机构， 而且作图过程比较简单。 【例例4.4】 解解 具体设计步骤如下： (1) 分别作B1与B2、 B2与B3连线的中垂线b12和 b23， 其交点就是所要求的固定铰链中心A。 (2) 同理, 作C1与C2、 C2与C3连线的中垂线c12 和c23， 其交点就是另一固定铰链中心D； (3) 连接AB1C1D即为所设计的铰链四杆机构在第 一位置时的运动简图，如图4-23(b)所示。 (4) 根据作图时所取的长度比例尺l以及从图中量 取的尺寸即可确定出构件的尺寸l1、 l3和l4