平面连杆机构

nullnull § 5-2 平面四杆机构的类型和应用§ 5-3 平面四杆机构的基本知识§ 5-4 平面四杆机构的设计 § 5-1 平面四杆机构及其传动特点§ 5-5 多杆机构5 平面连杆机构及其设计§5.1 连杆机构及其传动特点§5.1 连杆机构及其传动特点nullnullnullnull主要优点： 若干构件用低副（转动副和移动副）连接而成的平面机构。 ▲采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损；形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。主要优点：▲改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。实现增力和扩大行程。▲连杆曲线丰富，可满足不同要求。主要缺点：主要缺点： 构件和运动副多，累积误差大，运动精度低、效率低； 产生动载荷（惯性力），不适合高速； 设计复杂，不易精确实现复杂的运动规律。分类:空间连杆机构平面连杆机构本章重点内容是介绍四杆机构。常以构件数命名： 四杆机构、多杆机构。§5.2 平面四杆机构的类型和应用§5.2 平面四杆机构的类型和应用铰链四杆机构(Four-bar Linkage)： 所有运动副全为回转副的平面四杆机构。机架连架杆连架杆连杆能绕其轴线转360º的连架杆。仅能绕其轴线作往复摆动的连架杆。在平面连杆机构中最基本的机构为铰链四杆机构。1.平面四杆机构的基本型式null 类型 曲柄摇杆机构(Crank-rocker Mechanism) 按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为： 双曲柄机构 (Double-crank Mechanism) 双摇杆机构(Double-Rocker Mechanism)平行四边形机构 反平行四边形机构null 1）曲柄摇杆机构 (Crank-rocker Mechanism)两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。null搅拌机null雷达null放映机null 2）双曲柄机构 (Double-crank Mechanism) 两连架杆都为曲柄，整周转动的铰链四杆机构。null惯性筛null平行四边机构反平行四边机构null播种机nullnull开门机构null 3）双摇杆机构 (Double-Rocker Mechanism) 两连架杆都作往复摆动，一般主动摇杆作等速摆动，从动摇杆作变速摆动。null汽车转向机构nullnull2.平面四杆机构的演化形式2.平面四杆机构的演化形式 (一) 含一个移动副的四杆机构 null1 曲柄滑块机构 (Slider-crank Mechanism) nullnull2 导杆机构 (Crank-Shaper  Mechanism) 取曲柄滑块机构中构件1为机架，则成为导杆机构，其中构件4称为导杆。 摆动导杆机构：导杆只能在一定的角度内摆动 转动导杆机构：导杆能作整周转动 L1L2 2 导杆机构 (Crank-Shaper  Mechanism)nullnull3 摇块机构 ( Swing -Crank  Mechanism) 取构件2为机架，曲柄1作360°周转运动，滑块3绕转动中心C作往复摇动。 3 摇块机构 ( Swing -Crank  Mechanism)nullnullnull4 定块机构 (Fixed-Crank  Mechanism) 取滑块3为机架，构件2作往复摆动，构件4在滑块中作往复移动。 null抽水唧筒（二）含两个移动副的四杆机构 （二）含两个移动副的四杆机构 1．正弦机构和正切机构 nullnull 将曲柄滑块机构中的转动副演化为移动副，则得正切机构，此时构件1仅能在一定角度范围内摆动，并有 。 2．双滑块机构 2．双滑块机构 将定块机构中的转动副C演化成移动副，则得如图所示的双滑块机构。 (2)改变运动副的尺寸(2)改变运动副的尺寸偏心轮机构BB 由转动副销轴的半径扩大并超过曲柄长度演化而来。这样使转动副接触面积增大，磨损减小，曲柄由原来的杆件变成板状，强度、刚度增大。 常用于工作行程很小而承受很大的冲击载荷的场合。如内燃机、锻压设备、柱塞油泵中。 AAnullnull §5.3 平面四杆机构的基本知识 §5.3 平面四杆机构的基本知识如果构件AB为曲柄,则构件AB应能通过与AD共线两个位置AB，及AB，， 。l4- l1则由△B’C’D可得：l1+ l4 ≤ l2 + l31.铰链四杆机构有曲柄条件nulll4- l1则由△B”C”D可得：l2≤(l4 – l1)+ l3 →l3≤(l4 – l1)+ l2 →l1+ l2 ≤ l3 + l4l1+ l3 ≤ l2 + l4将以上三式两两相加的： l1≤ l2, l1≤ l3, l1≤ l4 null双曲柄机构null1.最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆长度之和。     2.机架和连架杆中有一杆为四杆中的最短杆。铰链四杆机构类型的判别： 当不满足条件1：最短杆与最长杆的长度之和小 于或等于其它两杆长度之和----双摇杆机构 若满足条件1则： 取最短杆任一相邻的构件为机架----曲柄摇杆机构 取最短杆为机架----双曲柄机构 取最短杆对面的构件为机架----双摇杆机构 得曲柄存在条件是：null曲柄摇杆机构null双摇杆机构null双曲柄机构null 实例 如图ABCD中，已知各杆长度分别为：a=30，b=50，c=40，d=45，试确定该机构分别以AD、AB、CD、BC各杆为机架时，各属何机构？ 解：∵a+b 2（ t2）； 所以v2 > v1，弧长Snull 两速度之比,用行程速比系数K表示，或称行程速度变化系数。null 急回运动：把摇杆的这种往复摆动快慢不同的运动称为急回运动。 极位夹角θ越大，机构的急回运动特性愈显著。 若极位夹角θ为零，则机构没有急回运动特性。 利用急回特性可使机器在慢速运动行程工作（正行程），快速运动行程返回（反行程）。缩短非生产时间，提高生产率。 结论nullnullΘ≠ 0，存在急回运动nullnullnull3. 压力角与传动角CBFVc压力角α(Pressure Angle ) :在不考虑摩擦时机构从动件受力方向与受力点速度方向间所夹的锐角。 nullCBFVcnullCBFVc 为了度量方便，常用传动角γ来衡量机构的传力性能。 传动角γ( Transmission Angle) ：压力角的余角，γ=90-anull传动角γ的确定大多数机构在运动过程中，传动角是变化的。 设δ为连杆与摇杆之间所夹角度。null传动角γ—连杆与从动摇杆之间所夹锐角。null最小传动角γminC''B''AD ' AB与AD内共线时有min min=arcCos{[ b2+c2-(d-a) 2]/(2bc) }mindabc当δ为锐角时，γ ' =δ min null当δ为钝角时，γ''=1800－δmax C'B'ADd ''maxabcAB与AD外共线时有max，max=arcCos{[ b2+c2-(d+a) 2]/(2bc) }null 为保证机构具有良好的传动性能，一般规定机构的最小传动角γmin≥40º，在传递较大力矩时，应使γmin≥50º。B'C'AD'max'C''B''AD''min''外共线内共线取′与〞两者中的较小值为最小传动角  min = ' ，'' minnull4. 死点位置(Dead point Position) ADBCFVB以摇杆CD为主动件时机构的压力角nullADBCVB=0F 曲柄摇杆机构中，以摇杆为主动件，当连杆与从动曲柄共线时，由于连杆加给曲柄的力恰好通过其回转中心A，不能使曲柄转动，出现顶死现象，机构此位置就称为死点。 死点：null跨越死点的措施 利用惯性通过死点 nullADCBnullADCBnullADCBnullADCBnullDCBnullDCBAnullDCBAnullDCBAnullADCBnullCBDAABCDD 连杆BC与从动件曲柄AB共线，压力角=900，传动角=0，机构位于两个死点位置。采用装飞轮加大惯性的方法，利用从动件的惯性闯过死点。null 机构错位排列 nullABEFDCG 将两组以上的机构组合起来，是各组机构的死点相互错开排列。如蒸汽机车车轮联动机构，两侧的曲柄滑块机构的曲柄位置相互错开90º。 null利用死点的实例 飞机起落架机构 在机轮放下时，BC杆与CD杆成一直线，机构处于死点位置，使降落更加安全可靠。 null分合闸机构触头FACBD弹簧拉力搬动手柄使触头接上null触头ABCDFFQFB5.连杆曲线5.连杆曲线连杆平面上的每一个点描绘出的曲线——连杆曲线6.铰链四杆机构的运动连续性6.铰链四杆机构的运动连续性指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。可行域：摇杆的运动范围。不可行域：摇杆不能达到的区域。 设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域，称此为错位不连续。null 原动件按同一方向连续转动时，若其连杆不能按顺序通过给定的各个位置称为错序不连续。7.曲柄摇杆机构的几种类型7.曲柄摇杆机构的几种类型（1）Ⅰ型曲柄摇杆机构 （2）Ⅱ型曲柄摇杆机构（2）Ⅱ型曲柄摇杆机构（3）Ⅲ型曲柄摇杆机构（3）Ⅲ型曲柄摇杆机构§5.4 平面四杆机构的设计§5.4 平面四杆机构的设计1. 连杆机构设计的基本问题和方法1)满足预定的连杆位置要求（刚体导引）(Body guidance) 要求机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置。null2）满足预定的运动规律（函数生成问题） 实现两个连架杆的给定对应位置问题null3）满足预定的轨迹要求（轨迹生成问题path generation）是指连杆上某点通过某一预先给定轨迹的功能。2. 平面四杆机构选型 2. 平面四杆机构选型 (一）主动件连续转动，从动件往复移动 （1）如要求行程速比系数K=1，可采用正弦机构或对心曲柄滑块机构。 在正弦机构中，当主动件等角速回转时，从动件作简谐运动。运转比较平稳，但其中存在两个移动副，摩擦磨损较为显著。null 在该机构中，当连杆长度与曲柄长度的比值n越大，则从动件运动越接近于简谐运动，运转越平稳。但n较大时，在滑块行程相同的条件下，连杆长度越大，占据的空间越大。反之，n越小时，从动件运动的变化越剧烈，运转越不平稳。通常n≥3。 null（2）要求行程速比系数，可考虑采用偏置曲柄滑块机构。 影响该机构基本性质的尺寸参数是n和 （偏距与曲柄长之比）。在n—定的条件下，增加可获得较大的K值，但最大压力角也将随之加大，传动情况恶化。通常推荐K≤2。 2、主动件连续转动，从动件往复摆动 2、主动件连续转动，从动件往复摆动 如要求行程速比系数K=1，可采用Ⅲ型曲柄摇杆机构，传动比较平稳。通常n≥3，从动摇杆的最大摆角 null 随着K值的增加，Ⅱ型曲柄摇杆机构比Ⅰ型曲柄摇杆机构对压力角的影响更为显著。所以，当K值较大时，在机构条件允许的情况下，尽可能选用Ⅰ型曲柄摇杆机构。 3、主动件连续转动，从动件也连续转动 3、主动件连续转动，从动件也连续转动 满足这种运动要求的机构有转动导杆机构、双曲柄机构。 2.作图法设计四杆机构2.作图法设计四杆机构1）已知活动铰链中心的位置（1）按连杆预定的位置设计四杆机构求固定铰链（求活动铰链轨迹圆的圆心）。null试确定固定铰链A、D所在位置2）已知固定铰链中心的位置2）已知固定铰链中心的位置nullB2C2ADnullADnullnullC2B3A’B’2DnullC2B3A’B’2ADnullA’B’2ADnullC3B3A’B’2ADnullC3B’3A’A”B’2ADnullC3B’3A’A”B’2ADnullC3B’3B1A’A”B’2AnullB’3A’A”B’2nullB’3A’A”B’2B1、B’2、B’3三点在以C1为心的圆弧上A、A’、A”三点在以D为心的圆弧上 这一处理方法，其实质是将连架杆CD转化为机架，而另一连架杆AB则转化成为连杆。称为：机构的转化原理。结论： 机构中各构件的相对运动与选择哪个构件作为机架无关。应用： 可将按连架杆对应位置设计四杆机构转化为按连杆位置设计四杆机构的问题来处理。结论：null给定刚体三位置 和机架的位置null给定刚体三位置 和机架的位置nullAD问题现被转化为以被导向刚体为机架，已知三对动铰链点，求机架上定铰链点的问题。2)按两连架杆三组对应位置设计四杆机构 即已知固定饺链中心A、D及活动铰链中心一个，求另一活动铰链中心。随便取定两个活动饺链中心行吗？2)按两连架杆三组对应位置设计四杆机构null 如果把机构的第i个位置AiBiCiDi看成一刚体(即刚化)，并绕点D转过(-1i)角度(即反转)，使输出连架杆CiD与C1D重合，之为“刚化反转法”。null2）给定两连架杆上三对对应位置的设计请求出B1null实例 曲柄摇杆机构，现要求用一连杆将摇杆ＣＤ和一滑块Ｆ连接起来，使摇杆的三个已知位置C1D、C2D、C3D和滑块的三个位置F1、F2、F3相对应。试确定此连杆的长度及其与摇杆ＣＤ铰接点的位置。固化DC1F1顺时针旋转至C1D与C2D重合nullF1F1’Enull固化DC2F2逆时针旋转至C3D与C2D重合nullF2F3F1’F3 ’EnullF2F3F1F1’F3 ’E3）按给定行程速度变化系数设计四杆机构3）按给定行程速度变化系数设计四杆机构行程速度变化系数 极位夹角null3. 解析法设计四机构3. 解析法设计四机构(1)按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构 在封闭多边形ABCD中即：null(2) 设计曲柄滑块机构实现曲柄与滑块的三对应位置(3)按给定的行程速比系数设计在封闭三角形AC1D和AC2D中(3)按给定的行程速比系数设计null5.5 多杆机构四杆机构的局限平面多杆机构是指平面五杆及其五杆以上的平面机构。 采用多杆机构的目的采用多杆机构的目的1．实现较高要求的刚体导引 锯石机直线平动机构 锯石机直线平动机构，曲柄回转时，锯条作直线平动，由于锯条在锯石时受力很大，且难以安置导轨，采用图示的十杆机构就能很好地满足要求。 3．扩大从动件的摆角 2．扩大从动件的行程 图示为一钢料推送装置的机构运动简图，采用多杆机构可使从动件（滑块）的行程扩大。 推送机构 3．扩大从动件的摆角 该六杆机构是曲柄摇杆机构和一个导杆机构串联而形成的。曲柄转动时，摇杆CD摆动一个角度，此时输出构件EF摆动更大的角度。 null4．改变从动件的运动特性 图示的惯性筛六杆机构，不仅有较大的行程速度变化系数，且在运转中加速度变化幅度大，可提高筛分效果。 5．获得较大的机械增益 5．获得较大的机械增益 机械增益是指在忽略重力和惯性力，不计运动副中摩擦发热等引起的能量损失的情况下，机构输出力（力矩）与输入力（力矩）之比值。 由于在图示位置，DCE构形如同人的肘关节而得名。在机构接近下死点时，具有较大的机械增益，产生赠力效果，以满足锻压的需要。 基本要求 （1）了解连杆机构传动的特点及其主要优缺点。 （2）了解平面四杆机构的基本型式、演化型式及平面四杆机构的一些应用实例。 （3）了解有关四杆机构的一些基本知识（包括四杆机构有曲柄的条件、行程速比系数及急回作用、传动角及死点等）。 （4）了解四杆机构设计的基本问题，并学会根据简单的条件设计平面四杆机构的一些基本方法。本章重点 本章的重点是四杆机构的基本型式及其他演化，有关四杆机构的一些基本知识，以及平面四杆机构的一些基本设计方法。 基本要求null1.极位夹角：机构中从动摇杆处于两极限位置时，原动曲柄的相应两位置之间所夹的锐角。 知识点回顾nullnull2.压力角与传动角：在四杆机构中，当不计摩擦时，主动件通过连杆作用在从动件上的力的作用线与其受力点出的速度方向之间所夹的锐角，称为机构在此位置的压力角，而把压力角的余角，即连杆与从动摇杆所夹的锐角，称为传动角。 它们常用来衡量机构的传动性能。传动角愈大，即压力角愈小，机构的传动性能愈好，效率愈高。 null 多数机构运动中的传动角是变化的。为了使机构传动质量良好，一般规定机构的最小传动角 。为了检查机构的最小传动角，需要确定最小传动角的位置。通过分析可知：曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两位置之一；曲柄滑块机构的最小传动角出现在曲柄与导路垂直的位置；导杆机构在任何位置最小传动角都等于90o。null3. 死点：当机构出现传动角 时，其压力角α=90o，作往复运动的原动件通过连杆作用于从动曲柄上的力恰好通过从动件的转动副中心，致使从动件不能转动，机构的这种位置，称为死点位置。在曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中，若以摇杆或滑块为主动件，则曲柄与连杆共线的位置，就是死点位置。注意：死点、自锁与机构自由度小于等于零的区别。自由度小于等于零，表明机构中各构件间不可作相对运动；死点是指不计摩擦时机构所处的特殊位置，可null借助惯性或采用机构错位排列的方法，使机构能顺利通过死点位置而正常运转；而自锁是指机构在考虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的几何条件时，虽然机构的自由度大于零，但机构仍无法运动的现象。null4. 平面四杆机构的作图法：用作图法设计四杆机构是根据设计要求及各铰链之间相对运动的几何关系通过作图来确定四个铰链的位置。 根据不同的设计要求，作图法设计四杆机构可分为三种类型。1）按给定的行程速比系数K设计四杆机构 ： 2）按预定的连杆位置设计四杆机构： 3）按预定的连架杆位置设计四杆机构。 null实例偏置曲柄滑块机构，求AB杆为曲柄的条件，当偏距e＝0时，AB为曲柄的条件，若令e＝０（即对心式曲柄滑块机构），其传动角在何处最大？何处最小？AB+e