机械设计原理-连杆机构

1、第四章 连杆机构,连杆机构：由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。 平面连杆机构：所有构件均在相互平行的平面内运动的连杆机构。 空间连杆机构：所有构件不全在相互平行的平面内运动的连杆机构。 由于平面连杆机构不仅应用广泛，而且还往往是多杆机构的基础；所以这里重点介绍平面连杆机构.,4.1 平面连杆机构的类型,4.1.1平面四杆机构的基本型式 全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构,视频:2,平面四杆机构的基本型式 曲柄作整周运动的构件摇杆作摆动的构件。,铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为： 曲柄摇杆机构（视频1） 双曲柄机构（视频2） 双摇杆机构（视频3）,铰链四杆机构的三种基本型式 曲柄摇杆机构：指两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。,搅拌机,视频4,惯性筛,双曲柄机构：指两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构。若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。,机车车轮联动机构,天平机构,摄影车升降机构（视频7）,双摇杆机构：指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构。,港口起重机机构图,车辆前轮转向机构（视频6）,4.1.2 平面四杆机构的演化,由四杆机构的基本型式通

2、过演化可以得到其它多种结构型式。 常用的演化方法有 1、转动副变移动副 曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构,视频11,2 选用不同构件为机架,视频12,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,曲柄滑块机构,导杆机构,摇块机构,定块机构 (直动滑杆机构),3. 变换构件形态 两个移动副的四杆机构 若选择构件2或4为机架时，就是正弦机构； 若改取构件3为机架,则为双滑块机构; 当取构件1为机架时，便演化为双转块机构。,视频13,4 扩大移动副的尺寸,曲柄摇杆机构,偏心盘机构,（视频8）,機械原理視頻 连杆（1-2）.avi,4.2 平面连杆机构的工作特性,平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力的传递和变换功能，前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。了解了这些特征，对于正确选择连杆机构的类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。,4.2.1 运动特性 1.转动副为整转副的条件-铰链四杆机构有曲柄的条件,在B1C1D中，根据三角形任意两边之差必小于等于第三边，可得：,移项可得：,在B2C2D中，根据三角形任意两边之和必大于等于第三边，可得：,以上三式两两相加

3、并化简可得：,铰链四杆机构曲柄存在条件： 1、曲柄为最短杆； 2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和,满足上述条件时，取不同的构件为机架时，可得三种不同性质的铰链四杆机构 取最短杆的邻杆为机架曲柄摇杆机构取最短杆的对杆为机架双摇杆机构取最短杆为机架双曲柄机构 图10,“最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件长度之和”是必要条件， 如果不满足此条件，无论取那个构件作为机架，都不存在曲柄。,在某铰链4杆机构中，已知：LAB=80mm, LCD=120mm, LBC=150mm。 讨论：当机架LAD的长度处于什么范围时，可获得曲柄摇杆机构，双曲柄机构，双摇杆机构。,一 曲柄摇杆 (1)LBC最长 LAB+LBCLCD+LAD LAB LAD LBC 110 LAD 150(2)LAD最长 LAB+LADLCD+LBC LBC LAD 150 LAD 190 110 LAD 190,二 双曲柄 LAD最短 LAD+LBCLCD+LAB LAD LAB LAD 50,三 双摇杆 (1)LAD最短 LAD+LBCLAB+LCD LAD LAB 50 LAD 80(2)LAD

4、最长 LAB+LADLBC+LCD LBC LAD LAD 190(3)LAD既不是最短也不是最长 LAB+LBCLAD+LCD LAB LAD LBC 80 LAD 110 50 LAD 110 LAD 190,2 . 急回运动特性,在曲柄等速回转情况下，由于1=180+，2=180-，所以t1t2,摇杆往复摆动的平均速度为V2V1.把摇杆的这种往复摆动快慢不同的运动称为急回运动。 急回运动的程度可以用行程速比系数K来衡量：,行程速比系数,结论：当0时，机构具有急回运动特性，角愈大，K值愈大，急回运动特性愈显著。,3.运动连续性 1、运动连续性：当主动件连续运动时，从动件也能连续占据预定的各个位置，称为机构具有运动的连续性。,在不计重力、摩擦力、惯性力的条件下，机构中输出件所受主动力的方向线与该受力点的绝对速度方向线所夹的锐角。,压力角的余角， =900-。,1、压力角,2、传动角,越小， 越大，则机构传力性能越好。,4.2.2 传力特性,常用传动角的大小和变化来衡量机构传力性能的好坏。设计时通常要求min40，对于高速和大功率的传动机械，min50。,最小传动角的确定,图示铰链四杆

5、机构中，原动件为 AB。各杆长度为：a、b、c、d。,由图可见， 与 机构的BCD有关。,在ABD和BCD中， 由余弦定理得：,1）当BCD 900时， =1800-BCD，则min = 1800-BCDmax ，由公式可知，当 = 1800时， 有BCDmax 。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现 最大值。,视频1,机构的死点位置,1死点,图示曲柄摇杆机构，摇杆 CD为主动件，当机构处于连杆 与从动曲柄共线的两个位置时， 出现了传动角o。的情况。 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，所以不能使构件AB转 动而出现“顶死”现象。机构的 此种位置称为死点。,在下图所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当连杆与曲柄共线，机构的传动角为零，机构此位置就称为死点。而对于图示的曲柄滑块机构，当以滑块为主动件，机构也处于死点位置。,机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。,2. 死点的利用：,若以夹紧、增力等为目的，则机构的死点位置可以加以利用。,图61,对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施 使其顺利通过。,3. 死点的克服,蒸汽机车车轮联动机构，由

6、两组曲柄滑块机构组成，曲柄位置错开90度，使死点位置错开（图9）。,機械原理視頻 连杆（3-5）.avi,4.3 平面连杆机构的特点及功能,连杆机构中的运动副一般均为低副（正因为如此，所以又把连杆机构称为低副机构），低副两元素为面接触 ，故在传递同样载荷的条件下，两元素间的压强较小，可以承受较大的载荷。低副两元素间便于润滑，故两元素不易产生大的磨损。这些条件都能较好的满足重型机械的要求。此外，低副两元素的几何形状也比较简单，便于加工制造。 2）构件运动形式具有多样性； 3) 在连杆机构中，当原动件以同样的运动规律运动时，如果改变各构件的相对长度关系，便可是从动件得到不同的运动规律,4.3.1平面连杆机构的特点,4)在连杆机构中，连杆上个不同点的轨迹是各种不同形状的曲线（特称为连杆曲线），而且随着各构件相对长度关系的改变，这些连杆曲线的形状也将改变，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。 此外，连杆机构还可以很方便地用来达到增力，扩大行程和实现较远距离的传动的目的。 由于连杆机构由上述优点，所实在各种机械和仪表中得到了广泛的应用。,连杆机构缺点 1)由

7、于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递，因而连杆机构一般具有较长的运动链（即较多的构件和较多的运动副），所以各构件的尺寸误差和运动副中的间隙将使连杆机构产生较大的积累误差，同时也会使机械效率降低。 2)在连杆机构的运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，他们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构一般不易于高速传动。,此外，虽然如上所述，利用连杆机构可以满足各种运动规律和运动轨迹的设计要求，但要设计一种能够准确实现这种要求的连杆机构却纷繁难得，而且在多数情况下一般只能近似的得以满足。正因为如此，所以如何根据最优化的要求来设计四杆机构，使其能够最佳的满足设计要求，一直是连杆机构研究的一个重要课题。,4.3.2 平面连杆机构的功能 1.实现有轨迹位置或运动规律要求的运动 2.实现从动件运动形式及运动特性的改变 3.实现较远距离的传动 4.调节、扩大从动件的行程 5.获得较大的机械增益,4.4 平面连杆机构的运动分析,机构的运动分析: 机构的运动分析就是根据原动件的已知运动规律,来确定其它构件或构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数。

8、 机构运动分析的目的：1、通过机构的位移分析，可以确定机构运动所需的空间或某些构件及构件上某些点能否实现预定的位置或轨迹，并可判断它们在运动中是否发生干涉； 2、通过速度和加速度分析，了解从动件的运动变化规律能否满足工作要求，并可据此对机构进行动力学分析。,4.4.1 瞬心法及其应用,1、速度瞬心 瞬时速度中心(瞬心): 互相作平面相对运动的两构件,在任一瞬时都可以认为它们是绕某点做相对转动，称该点为瞬心。 2、瞬心表示方法：用P加下标表示。 图示构件1和2的瞬心为P12或P21,2.机构中瞬心的数目,N=n(n-1)/2,3.机构中瞬心位置的确定,1、通过运动副直接相联的两构件的瞬心 (1)以转动副联接的两构件, 其转动中心即为瞬心,(2)以移动副联接的两构件, 其瞬心在垂直导路方向的无究远处,所示。 (3)以平面高副联接的两构件, 若高副元素之间为纯滚动时, 则两元素的接触点即为两构件的瞬心所示； (4)若高副元素之间既滚动又滑动, 则瞬心在高副接触点处的公法线上，具体位置要由其它条件来确定所示。,三心定理: 三个彼此作平面平行运动的构件共有三个瞬心, 而且必定位于同一直线上。,瞬

9、心在速度分析中的应用,2/ 4=P14P24/P12P24,4.4.2 杆组法及其应用,结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架和若干个基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的级别。机构结构分析的步骤是： (1)计算机构的自由度并确定原动件。 (2)拆杆组。,4.5.1 平面连杆机构设计的基本问题,问题一：刚体导引机构设计引导一个刚体实现一系列给定位置,4.5平面连杆机构设计,满足预定的连杆位置要求,问题二：函数生成机构设计主、从动连架杆运动规律具有给定的函数关系,满足预定的运动规律要求,问题三：轨迹生成机构设计机构中某点可以实现预期的运动轨迹,满足预定的轨迹要求,图解法解析法 实验法,平面连杆机构设计方法：,4.5.2 刚体导引机构的设计,要求：设计四杆机构，使得连杆通过 I、II、III三个位置,第 1 步：选定 B、C 点位置,第 2 步：找 A、D 点位置,刚体导引机构的设计,第 3 步：联接 A、B1、C1、D，获得四杆机构,三点唯一确定一个圆，B、C确定后，A、D是确定的；,已知固定铰链点A、D，设计四杆机构，使得两个连架杆可以实现三组对应关系,4.5.3 函数生成机构的设计,刚化反转法,以CD杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当于把以AD为机架时观察到的ABCD的位置刚化，以D轴为中心转过 得到的。,低副可逆性； 机构在某一瞬时，各构件相对位置固定不变，相当于一个刚体，其形状不会随着参考坐标系不同而改变。,函数生成机构的设计,第 1 步：选B点，以 I 位置为参考位置，DF1 为机架,第 2步：用刚化反转法求出 B2、B3 的转位点,第 3 步：做中垂线，找C1 点,第 4 步：联接AB1C1D,

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