机械原理（朱龙英西电版）第03章平面连杆机构.ppt

第 3 章 平面连杆机构,3.1 平面连杆机构的类型及演化 3.2 平面连杆机构的工作特性 3.3 连杆机构的设计 3.4 平面机构的运动分析 思考题及习题,3.1 平面连杆机构的类型及演化 3.1.1 平面连杆机构的基本类型 如图3-1所示， 全部运动副均为转动副的四杆机构称做铰链四杆机构， 它是四杆机构最基本的形式 在此机构中， 杆件AD称为机架； 与机架相联接的杆件AB、 CD称为连架杆， 其中能作整周回转运动的连架杆称为曲柄； 只能在一定范围内作往复摆动的连架杆称为摇杆； 杆件BC称为连杆图3-1 铰链四杆机构,铰链四杆机构根据其两连架杆的不同运动情况， 又可分为以下三种类型  1. 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中， 若两连架杆中一杆为曲柄， 另一杆为摇杆， 则称该四杆机构为曲柄摇杆机构， 如图3-2所示  此机构可应用于许多机械中， 例如， 图3-3所示的缝纫机踏板机构， 图3-4所示的搅拌器机构， 图3-5所示的雷达天线调整机构等 ,图3-2 曲柄摇杆机构,图3-3 缝纫机踏板机构,图3-4 搅拌器机,图3-5 雷达天线调整机构,2． 双曲柄机构 在铰链四杆机构中， 若两个连架杆都是相对机架作整周回转的曲柄， 则称此机构为双曲柄机构， 如图3-6所示。

在图3-7所示的惯性筛中， 当原动曲柄AB等速回转时， 从动曲柄CD作变速转动， 从而使筛体6具有变化较大的加速度， 利用加速度所产生的惯性力， 使被筛材料达到理想的筛分效果图3-6 双曲柄机构,图3-7 惯性筛机构,在双曲柄机构中， 若相对两杆平行且相等， 则称为平行双曲柄机构， 如图3-8所示 这种机构的特点是两曲柄能以相同的角速度同时转动， 而连杆作平行移动， 故此机构也称为正平行四边形机构 图3-9所示的机车车轮联动机构和图3-10所示的摄影平台升降机构均为正平行四边形机构的应用实例图3-8 正平行四边形机构,图3-9 机车车轮联动机构,图3-10 摄影平台升降机构,在图3-11所示双曲柄机构中， 虽然其对应边长度也相等， 但BC杆与AD杆并不平行， 两曲柄AB和CD转动方向也相反， 故称其为反平行四边形机构  在图3-12中， 车门开闭机构利用反平行四边形机构运动时两曲柄转向相反的特性， 达到两扇车门同时敞开或关闭的目的图3-11 双曲柄机构,图3-12 车门开闭机构,3. 双摇杆机构 当铰链四杆机构中的两连架杆都是摇杆时， 称为双摇杆机构， 如图3-13所示 图 3-14 所示的鹤式起重机的双摇杆机构ABCD， 可使悬挂重物作近似水平移动。

图3-13 双摇杆机构,图3-14 鹤式起重机构,3.1.2 四杆机构的演化 前面介绍的三种铰链四杆机构是平面四杆机构的三种基本类型， 但它们还远不能满足实际工作机械的需要在工程应用中， 还广泛地采用着其它形式的四杆机构， 不过这些形式的四杆机构， 可认为是由四杆机构的基本形式演化而来的 四杆机构的演化， 不仅是为了满足运动方面的要求， 还是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要 虽然各种演化机构的外形各不相同， 但它们的性质以及分析和设计方法常常是相同的或类似的， 这就为连杆机构的创新设计提供了方便 下面介绍几种四杆机构演化方法及演化后的变异机构 ,1． 改变构件的形状和运动尺寸 在图3-15(a)所示的曲柄摇杆机构中， 当曲柄1绕铰链A回转时， 铰链C将沿着以D为圆心的圆弧作往复运动 如果把摇杆3做成滑块形式(如图3-15(b)所示)， 使其沿圆弧导轨作往复滑动， 显然其运动性质并未发生改变， 但此时铰链四杆机构已演化为具有曲线导轨的曲柄滑块机构图3-15 改变构件的形状对机构进行演化,如果将图3-15(a)中摇杆3的长度增至无穷大， 则图3-15(b)中的曲线导轨将变成直线导轨， 于是铰链四杆机构就演化成为常见的曲柄滑块机构， 如图3-16所示。

图3-16(a)为具有偏距e的偏置曲柄滑块机构； 图3-16(b)则为无偏距的对心曲柄滑块机构 曲柄滑块机构在冲床、 内燃机等机械中得到了广泛的应用图3-16 改变构件的运动尺寸对机构进行演化,对于图3-16(b)所示的曲柄滑块机构， 如果将连杆2的长度增至无穷大， 则曲柄滑块机构可进一步演化为图3-17所示的双滑块四杆机构 在图3-17(b)所示的曲柄滑块机构中， 从动件3的位移与原动件1转角的正弦成正比， 故称为正弦机构 由上所述可知， 移动副可认为是由回转中心在无穷远处的转动副演化而来的图3-17 双滑块四杆机构,2. 改变运动副的尺寸 在图3-18(a)所示的曲柄滑块机构中， 当曲柄AB的尺寸较小时， 由于结构的需要， 常将曲柄改为如图3-18(b)所示的偏心盘， 其回转中心A至几何中心B的偏心距等于曲柄的长度， 这种机构称为偏心轮机构 其运动特性与曲柄滑块机构完全相同 偏心轮机构可认为是将曲柄滑块机构中转动副B的半径扩大， 使之超过曲柄长度演化而成的 偏心轮机构在锻压设备和柱塞泵等中应用较广图3-18 改变运动副的尺寸,3. 选用不同的构件为机架 选运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。

下面以曲柄滑块机构为例具体说明该演化方法  在图3-19(a)所示的曲柄滑块机构中， 若取构件1为机架(如图3-19(b)所示)， 此时构件4绕铰链A转动， 而滑块3则以构件4为导轨沿其相对移动， 构件4称为导杆， 此机构称为导杆机构图3-19 曲柄滑块机构的演化,在导杆机构中， 如果导杆能作整周转动， 则称为回转导杆机构 图3-20所示小型刨床中的ABC部分即为回转导杆机构  在导杆机构中， 如果导杆仅能在某一角度范围内摆动， 则称为摆动导杆机构 图3-21所示牛头刨床的导杆机构ABC即为摆动导杆机构图3-20 小型刨床中的回转导杆机构,图3-21 牛头刨床中的摆动导杆机构,在图3-19(a)所示的曲柄滑块机构中， 如果改选构件2为机架(如图3-19(c)所示)， 则演化成为曲柄摇块机构 其中构件3仅能绕点C摇摆 图3-22所示的自卸卡车车厢的举升机构ABC就是曲柄摇块机构， 其中摇块3为油缸， 用压力油推动活塞使车箱翻转  在图3-19(a)所示的曲柄滑块机构中， 如果改选构件3为机架(如图3-19(d)所示)， 则演化成为移动导杆机构 图3-23所示的手摇唧筒就是移动导杆机构应用实例。

经过同样的方法， 可以获得铰链四杆机构、 双滑块机构的倒置机构， 它们的具体结构和应用归纳在表3-1中图3-22 车厢举升机构中的曲柄摇块机构,图3-23 手摇唧筒,,3.2 平面连杆机构的工作特性 在工程应用中， 选用机构的目的是为了实现对运动和力的传递及变换， 必然涉及到机构的运动问题和传力问题 为了避免选用机构时的盲目性， 也就是需实现的运动和力的传递必须是机构能够实现的 要做到这一点， 必须先了解已有机构的运动特性和传力特性， 它们是平面四杆机构的基本特性 这些基本特性主要包括： 曲柄存在的条件、 急回特性、 压力角、传动角和死点位置等问题3.2.1 连杆机构的运动特性 1． 曲柄存在的条件 在图3-24所示的铰链四杆机构中， 设构件1、 2、 3、 4的杆长分别为a、 b、 c、 d， 并且a＜d 根据前面曲柄的定义可知， 若杆1为曲柄， 它必能绕铰链A相对机架作整周转动（即360°）， 构件1就能通过ＡＢ２和AB1这两个关键位置， 也就是铰链B能转过B2点（距离D点最远）和B1点（距离D点最近）两个关键位置， 此时杆1和杆4共线图3-24 四杆机构有曲柄的条件分析,由△B2C2D， 可得 a+d≤b+c （3-1） 由△B1C1D， 可得 b≤(d－a)+c 或 c≤(d－a)+b 即  a+b≤d+c （3-2） a+c≤d+b （3-3）,将式（3-1）、 式（3-2）和式（3-3）分别两两相加， 则可得 a≤c （3-4） a≤b （3-5） a≤d （3-6） 即AB杆为最短杆。

 综合分析式（3-1）～式(3-6)及图3-24， 可得出铰链四杆机构有曲柄的条件：  (1) 最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和；  (2) 最短杆是连架杆或机架当最短杆为连架杆时， 该铰链四杆机构成为曲柄摇杆机构（见图3-25(a)、 (b)） 此时,在最短杆AB整周转动过程中， 它与杆BC的相对转动也是整周， 因此， 当最短杆为机架时， 该铰链四杆机构将成为双曲柄机构（见图3-25(c)） 当最短杆不为连架杆或机架（即最短杆为连杆）时， 铰链四杆机构中无曲柄， 此时， 成为双摇杆机构（图3-25(d)）图3-25 铰链四杆机构取不同构件为机架,2． 急回特性 在图3-26所示的曲柄摇杆机构中， 当曲柄AB逆时针转过一周时， 摇杆最大摆角ψ对应其两个极限位置C1D和C2D， 此时曲柄和连杆处于两次共线位置， 通常把曲柄这两个位置所夹的角θ称为极位夹角， 即∠C１AC２图3-26 曲柄摇杆机构的急回特性,当曲柄以ω1等速顺时针转过φ1角（AB1→ＡＢ2）时， 摇杆逆时针摆过ψ角（C1D→C2D）， 设所用时间为t1 当曲柄继续转过φ2角（AB2→AB1）时， 摇杆顺时针摆回同样大小的ψ角（C2D→C1D)， 设所用时间为t2。

由图3-26可见: φ1=180°+θ, φ2=180°－θ 由于φ1φ2， 因此曲柄以等角速度转过这两个角度时， 对应的时间t1t2 摇杆的平均角速度分别为,,,，,显然， ω3′ω3″， 即摇杆往复摆动的平均角速度不等 通常, 摇杆慢速摆动的行程称为工作行程， 而快速摆动的行程称为回程， 这种往复摆动速度快慢不同的运动特性称为急回特性  通常用行程速比系数K来衡量急回运动的相对程度， 即,,(3-7),故极位夹角θ为,,(3-8),由式（3-8）可知， 行程速比系数K随极位夹角θ增大而增大， 也就是说, θ值愈大， 急回特性愈明显  用同样方法对偏置曲柄滑块机构进行分析， 可以看出偏置曲柄滑块机构也有急回特性， 参见图3-27中的极位夹角θ  通过对导杆机构的分析， 可以看出导杆机构也有急回特性， 从图3-28中可以看出极位夹角θ与导杆的摆角ψ相等图3-27 偏置曲柄滑块机构,图3-28 摆动导杆机构,3.2.2 连杆机构的传力特性 1. 压力角和传动角 在图3-29所示的铰链四杆机构中， 如果不考虑构件的惯性力和铰链中的摩擦力， 则连杆2为二力共线的构件 主动件1通过连杆2驱动从动摇杆3摆动， 连杆2对摇杆3在C点的作用力F将沿着 方向。

F可分解为沿着与C点运动速度vC方向相一致的分力Ft和垂直于vC方向的外力Fn F与vC方向之间所夹的锐角α即为压力角图3-29 压力角和传动角,对于一般机构， 压力角的定义是： 从动件上的受力方向与该点速度方向之间所夹的锐角  由力的分解可以看出， 沿着速度方向的有效分力Ft= F cosα， 垂直于Ft方向的分力Fn=F sinα， 力Fn只能使铰链C、 D产生压力， 所以希望它能越小越好； 力Ft才能使从动摇杆3转动， 所以希望Ft越大越好 总而言之，希望压力角α越小越好压力角的余角定义为机构的传动角， 用γ表示 由上面分析可知， 传动角γ越大（α越小）对传动越有利 所以为了保证所设计的机构具有良好的传动性能， 通常应使最小传动角γmin≥40°； 在传递力矩较大的情况下， 应使γmin≥50° 在具体设计铰链四杆机构时， 一定要校验最小传动角γmin是否满足要求由图3-29可见， 当连杆2和摇杆3的夹角δ为锐角时， γ=δ； 当δ为钝。