平面连杆机构及其设计幻灯片课件.ppt

平面连杆机构及其设计2011 在工程应用中十分广泛在工程应用中十分广泛,如如内燃机内燃机鹤式起重机鹤式起重机火车轮火车轮急回冲床急回冲床牛头刨床牛头刨床翻箱机翻箱机椭圆仪椭圆仪机械手爪机械手爪2一、连杆机构及其传动特点一、连杆机构及其传动特点1.1.定义与分类定义与分类连杆机构连杆机构 由由若干刚性构件用低副联接而成的机构，又称为若干刚性构件用低副联接而成的机构，又称为低副机构低副机构。平面连杆机构平面连杆机构空间连杆机构空间连杆机构连杆机构连杆机构32.2.平面连杆机构的特点平面连杆机构的特点优点：优点：（1）承受载荷大，便于润滑）承受载荷大，便于润滑（2）制造方便，易获得较高的精度）制造方便，易获得较高的精度（3）两构件之间的接触靠几何封闭实现）两构件之间的接触靠几何封闭实现（4）较好实现多种运动规律和轨迹要求较好实现多种运动规律和轨迹要求4缺点：缺点：（1）惯性力不易平衡惯性力不易平衡，常应用于中低速场合，常应用于中低速场合（2）不易精确实现各种运动规律和轨迹要求）不易精确实现各种运动规律和轨迹要求（3）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低增加若干较大的平衡质量，尤其是要把平衡质量安装在连增加若干较大的平衡质量，尤其是要把平衡质量安装在连架杆延长线的某部位处，给机构设计带来较大困难。为了架杆延长线的某部位处，给机构设计带来较大困难。为了使机构的惯性力得到平衡，可采用将相同机构按对称方式使机构的惯性力得到平衡，可采用将相同机构按对称方式进行布置的设计方法进行平衡。进行布置的设计方法进行平衡。5a 曲柄曲柄（与机架相（与机架相联联且作整周回且作整周回转转运运动动的构件）的构件）平面四杆机构最基本型式平面四杆机构最基本型式 铰链四杆机构铰链四杆机构b 连连杆杆（不与机架相（不与机架相联联作平面运作平面运动动的构件）的构件）c 摇摇杆杆（与机架相（与机架相联联且只能在一定范且只能在一定范围围内作往复内作往复摆动摆动构件）构件）d 机架机架（相（相对对固定不固定不动动的构件）的构件）a、c 连连架杆架杆（与机架相（与机架相连连的杆件）的杆件）BACDbacd二、平面四杆机构的类型和应用二、平面四杆机构的类型和应用 1.1.平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式 6曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 铰链四杆机构中的两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆，铰链四杆机构中的两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆，称该四杆机构为称该四杆机构为曲柄摇杆机构图曲柄摇杆机构图(a)。双曲柄机构双曲柄机构 铰链四杆机构中的两连架杆都是相对机架作整周回转的曲柄，此铰链四杆机构中的两连架杆都是相对机架作整周回转的曲柄，此机构为机构为双曲柄机构图双曲柄机构图(b)。双摇杆机构双摇杆机构 铰链四杆机构中的两连架杆是摇杆时，称为铰链四杆机构中的两连架杆是摇杆时，称为双摇杆机构图双摇杆机构图(c)。根据铰链四杆机构根据铰链四杆机构两连架杆两连架杆的不同运动情况分类：的不同运动情况分类：7（1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两连架杆中一杆为两连架杆中一杆为曲柄曲柄，另一杆为，另一杆为摇杆摇杆。应用举例应用举例：雷达天线雷达天线缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构颚式破碎机颚式破碎机搅拌机搅拌机8（2）双曲柄机构双曲柄机构 两连架杆均为相对机架作整周回转的两连架杆均为相对机架作整周回转的曲柄曲柄。震动筛震动筛应用举例应用举例：9机车车轮联动机构机车车轮联动机构车门开闭机构车门开闭机构特例：平行双曲柄机构特例：平行双曲柄机构 反平行双曲柄机构反平行双曲柄机构平行双曲柄机构平行双曲柄机构反平行双曲柄机构反平行双曲柄机构10（3）双摇杆机构双摇杆机构 两连架杆均为两连架杆均为摇杆摇杆。应用举例应用举例：鹤式起重机鹤式起重机摇头风扇摇头风扇汽车转向机构汽车转向机构特例：等腰梯形机构特例：等腰梯形机构112 2、平面四杆机构的演化型式、平面四杆机构的演化型式 1 1）改变相对杆长、转动副演化为移动副改变相对杆长、转动副演化为移动副改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副当当CD无穷大时无穷大时,曲柄摇杆机构演化为何种机构曲柄摇杆机构演化为何种机构?12(1)(1)曲柄滑块机构曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构当当e=0e=0时时,如何如何?13对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构思考题思考题:偏置曲柄滑块机构与对心曲柄滑块机构的区别偏置曲柄滑块机构与对心曲柄滑块机构的区别?当当BC无穷大时无穷大时,曲柄滑块机构演化为何种机构曲柄滑块机构演化为何种机构?改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸e014(2)(2)双滑块机构双滑块机构正弦机构正弦机构l s=l sin s15(1)(1)变化铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架曲柄摇杆曲柄摇杆机构机构双摇杆双摇杆机构机构曲柄摇杆曲柄摇杆机构机构双曲柄双曲柄机构机构 2 2）选用不同构件为机架选用不同构件为机架16v曲柄滑块机构中曲柄滑块机构中构件构件1 1为机架为机架,得到得到导杆机构导杆机构。(2)(2)变化单移动副机构的机架变化单移动副机构的机架17v曲柄滑块机构中曲柄滑块机构中构件构件2 2为机架为机架,得到得到曲柄摇块机构曲柄摇块机构。A18手摇唧筒手摇唧筒v曲柄滑块机构中曲柄滑块机构中滑块滑块3为机架，得到为机架，得到定块机构定块机构 （移动导杆机构）（移动导杆机构）19（3 3）变化双移动副机构的机架）变化双移动副机构的机架正弦机构正弦机构双转块机构双转块机构双滑块机构双滑块机构20机构类型机构类型?举例举例1.1.牛头刨床牛头刨床摆动导杆机构摆动导杆机构+曲柄滑块机构曲柄滑块机构21 3 3）改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸v偏心轮机构偏心轮机构扩大运动副尺寸扩大运动副尺寸22特点特点:(1)小行程小行程 (2)大输出力大输出力23小结小结1）曲柄摇杆机构的演化）曲柄摇杆机构的演化改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副e改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸改变构件相对尺寸改变构件相对尺寸e0242）双曲柄机构的演化）双曲柄机构的演化改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副转动导杆机构转动导杆机构改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副双转块杆机构双转块杆机构改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸0改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸253）双摇杆机构的演化）双摇杆机构的演化改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副移动导杆机构移动导杆机构改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副双滑块机构双滑块机构0改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸00改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸264）曲柄滑块机构的演化）曲柄滑块机构的演化改变运动副类型改变运动副类型转动副变成移动副转动副变成移动副改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸正弦机构正弦机构改变机架改变机架定为机架定为机架双滑块机构双滑块机构27总结：平面四杆机构的演化总结：平面四杆机构的演化曲柄摇杆机构是四杆机构的最基本形式，其它曲柄摇杆机构是四杆机构的最基本形式，其它类型的四杆机构都可以通过适当途径演化而成。类型的四杆机构都可以通过适当途径演化而成。途径二：途径二：改换机架改换机架（改变机构类型）（改变机构类型）途径一：途径一：改变杆长改变杆长（改变机构类型）（改变机构类型）途径三：途径三：扩大运动副尺寸扩大运动副尺寸（不改变机构类型）（不改变机构类型）28曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构 铰链四杆机构铰链四杆机构如何形成的三种基本形式如何形成的三种基本形式?三、平面四杆机构的基本知识三、平面四杆机构的基本知识（重点重点）1.1.铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件29 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构机架机架连架杆连架杆曲柄曲柄连架杆连架杆摇杆摇杆连杆连杆周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副（1 1）周转副和摆转副）周转副和摆转副30 AB整周转动整周转动B1C1D和和B2C2D成立成立铰链四杆机构铰链四杆机构(2)(2)周转副存在条件周转副存在条件结论：结论：（1 1）构成周转副的两个构件中，必有一个是最短杆。）构成周转副的两个构件中，必有一个是最短杆。（2 2）最短杆和最长杆长度之和）最短杆和最长杆长度之和小于或等于小于或等于其余两杆长度之和。其余两杆长度之和。31推论：推论：（1）若）若A是周转副，则是周转副，则B必为周转副必为周转副BACDbacd（2）具有两个周转副的构件必为最短杆，并满足杆长和）具有两个周转副的构件必为最短杆，并满足杆长和条件条件（3）C、D不是周转副不是周转副（4）周转副条件不满足时，机构中的各构件只能摆动）周转副条件不满足时，机构中的各构件只能摆动32曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构z例题例题机架机架?周转副周转副?33(3)(3)曲柄的存在条件曲柄的存在条件（戈拉霍夫定理重点）（戈拉霍夫定理重点）最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和最短杆和最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和abcd周转副周转副周转副周转副摆转副摆转副摆转副摆转副最短杆最短杆a是机架时，连架杆是机架时，连架杆b和和d均为曲柄均为曲柄双曲柄机构双曲柄机构最短杆最短杆a是连架杆时，是连架杆时，b或或d是机架，是机架，a是曲柄是曲柄曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构c是机架时，无曲柄是机架时，无曲柄双摇杆机构双摇杆机构最短杆是连架杆或机架最短杆是连架杆或机架34例例1 1：曲柄滑块机构有曲柄的条件曲柄滑块机构有曲柄的条件ababemn构件构件a a能通过能通过m m点的条件是：点的条件是：构件构件a a能通过能通过n n点的条件是：点的条件是：曲柄滑块机构有曲柄的条件曲柄滑块机构有曲柄的条件35例例2 2：对心导杆机构有曲柄的条件：对心导杆机构有曲柄的条件有曲柄有曲柄摆动导杆机构摆动导杆机构有曲柄有曲柄转动导杆机构转动导杆机构有曲柄有曲柄转转动动导杆机构导杆机构F导杆机构总是有曲柄的。导杆机构总是有曲柄的。36（1）极位夹角）极位夹角 当曲柄逆时针转过一周时，摇杆最大摆角当曲柄逆时针转过一周时，摇杆最大摆角 对应其两个极限对应其两个极限位置（曲柄和连杆处于两次共线位置），通常把曲柄这两个位置位置（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锐角所夹的锐角 称为称为极位夹角极位夹角。极极位位夹夹角角()：输输出出构构件件在在两两个个极极限限位位置置时时，主主动动曲曲柄柄的的一一个个位位置置的的方方向向与与第第二二位位置置的的反反方向之间的夹角方向之间的夹角 。2.2.急回运动和行程速比系数急回运动和行程速比系数37 曲柄曲柄AB1AB2，摇杆，摇杆C1DC2D,1 推程运动角推程运动角 曲柄曲柄 AB2AB1,摇杆摇杆C2DC1D,2 回程运动角回程运动角 38（2）急回运动）急回运动 在曲柄等速回转情况下，摇杆往复摆动速度快慢在曲柄等速回转情况下，摇杆往复摆动速度快慢不同的运动。不同的运动。（3）行程速比系数）行程速比系数 为衡量摇杆急回作用的程度，通常把从动件往复摆为衡量摇杆急回作用的程度，通常把从动件往复摆动平均速度的比值（大于动平均速度的比值（大于1）称为行程速比系数，并用）称为行程速比系数，并用K来表示。来表示。3940有急回要求的设备上，应明显标出原动件的正确回转有急回要求的设备上，应明显标出原动件的正确回转 方向。方向。机构急回特性在工程上应用的三种情况：机构急回特性在工程上应用的三种情况：（1 1）慢进快退慢进快退 （2 2）快进慢退快进慢退 （3 3）无急回）无急回41ADabd讨论讨论1：曲柄摇杆机构的极位夹角：曲柄摇杆机构的极位夹角42e讨论讨论2：曲柄滑块机构的极位夹角：曲柄滑块机构的极位夹角对心对心偏置偏置=0，K=1，无急回特性，无急回特性 0，K 1，有急回特性，有急回特性43讨论讨论3：摆动导杆机构的极位夹角：摆动导杆机构的极位夹角 0，K 1，有急回特性；，有急回特性；=443.3.铰链四杆机构的传动角和死点铰链四杆机构的传动角和死点（1）压力角和传动角）压力角和传动角压力角：压力角：力力F的作用线与力作用点绝对速度的作用线与力作用点绝对速度V所夹的所夹的 锐角锐角。在其它条件不变的情况下压力角在其它条件不变的情况下压力角越小，作功越小，作功W越大。越大。45传动角：压力角的余角传动角：压力角的余角。传动角传动角：机构传力性能的一个重要指标，是力利：机构传力性能的一个重要指标，是力利用率大小的衡量指标。用率大小的衡量指标。46铰链四杆机构的压力角铰链四杆机构的压力角 铰链四杆机构中，如果不考虑构件的惯性力和铰链中的摩铰链四杆机构中，如果不考虑构件的惯性力和铰链中的摩擦力，则原动件擦力，则原动件AB 通过连杆通过连杆BC作用到从动件作用到从动件CD上的力将沿上的力将沿BCBC方向，该力的作用线与力作用点方向，该力的作用线与力作用点C C点绝对速度所夹的锐角点绝对速度所夹的锐角 称为称为压力角。压力角。传动角传动角 压力角的余角压力角的余角 定义为传动角。定义为传动角。47为保证所设计的机构具有良好的传动性能，通常应使最小传动为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 角角 ;在传递力矩较大的情况下，应使在传递力矩较大的情况下，应使 。讨论：讨论：压力角越小，推动机构运动的有效分力越大，故压力角越小越压力角越小，推动机构运动的有效分力越大，故压力角越小越好；好；48ABCDabcdFFtFn49ABCDabcdFFtFn5051传动角传动角 w比较比较 和和 ，找出其中较小的角度。，找出其中较小的角度。52ababemn讨论：讨论：曲柄滑块机构的压力角曲柄滑块机构的压力角。53 从动件的传动角从动件的传动角 时时机构所处的位置（机构所处的位置（压力角等于压力角等于9090）。）。（2）死点位置）死点位置54无死点存在无死点存在!曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）的死点DA55AB与与BC共线时，共线时，或者或者机构有死点存在。机构有死点存在。曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）的死点曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）的死点DA56u 机构的极位与死点是同一位置吗？区别何在？机构的极位与死点是同一位置吗？区别何在？57曲柄滑块机构（曲柄为主动件）的死点曲柄滑块机构（曲柄为主动件）的死点e无死点存在！无死点存在！e曲柄滑块机构（滑块为主动件）的死点曲柄滑块机构（滑块为主动件）的死点有死点存在！有死点存在！58采取措施使其能顺利地通过死点位置。采取措施使其能顺利地通过死点位置。u死点位置在机构中的作用死点位置在机构中的作用 对于传动机构，在死点位置时，驱动从动件的有效回对于传动机构，在死点位置时，驱动从动件的有效回转力矩为零，可见机构出现死点对于传动是很不利的。转力矩为零，可见机构出现死点对于传动是很不利的。蒸汽机车车轮联动机构蒸汽机车车轮联动机构59利用死点位置来实现一定工作要求。利用死点位置来实现一定工作要求。飞机起落架机构飞机起落架机构钻床夹具机构钻床夹具机构60*连杆机构运动的连续性连杆机构运动的连续性 错位不连续错位不连续 错序不连续错序不连续61四杆机构设计的基本问题四杆机构设计的基本问题函数机构设计函数机构设计轨迹机构设计轨迹机构设计导引机构设计导引机构设计四、平面四杆机构设计四、平面四杆机构设计62631.1.导引机构设计导引机构设计 设计方法：设计方法：图解法图解法、解析法、解析法（1）图解法）图解法（2）解析法）解析法642.2.函数机构设计函数机构设计 设计方法：设计方法：图解法图解法、解析法、数值比较法、解析法、数值比较法（1）解析法）解析法65铰链四杆机构位置方程：铰链四杆机构位置方程：66（2）数值比较法）数值比较法设计步骤设计步骤 建立连架杆转角曲线建立连架杆转角曲线 数据库数据库 将给定函数将给定函数y=fy=f（x x）转换为连架杆转角关系曲线转换为连架杆转角关系曲线 与数据库中曲线与数据库中曲线 比较求得机构比较求得机构 67（3）按从动件急回特性设计四杆机构按从动件急回特性设计四杆机构已知：行程速比系数已知：行程速比系数K=1.25，摇杆长度，摇杆长度 mm，摇杆，摇杆摆角摆角 ，机架长度，机架长度 mm，试确定曲柄摇杆机构尺，试确定曲柄摇杆机构尺寸。寸。解：解：68已知：行程速比系数已知：行程速比系数K、行程行程H和偏距和偏距e，现设计此机构。，现设计此机构。69已知已知:摆动导杆机构中机架的长度摆动导杆机构中机架的长度lAC，行程速比系数，行程速比系数K，要求，要求设计此机构。设计此机构。B2B1703.3.轨迹机构设计轨迹机构设计 设计方法：实验法、解析法设计方法：实验法、解析法（1）实验法）实验法（2）解析法）解析法71 有六个待定参数：有六个待定参数：a、b、c、d、e、g，若在给定轨迹中选，若在给定轨迹中选6个点个点 6，分别代入上式，即可得到，分别代入上式，即可得到6个方程。解此个方程。解此6个个方程组成的非线性方程组，可求出全部待定参数，即求出机构方程组成的非线性方程组，可求出全部待定参数，即求出机构尺寸尺寸a、b、c、d、e、g，机构实现的连杆曲线可有，机构实现的连杆曲线可有6个点与给定个点与给定轨迹重合。轨迹重合。72 为了使设计四杆机构的连杆曲线上有更多的点与给定的轨为了使设计四杆机构的连杆曲线上有更多的点与给定的轨迹相重合，引入坐标系迹相重合，引入坐标系 ，这样，原坐标系，这样，原坐标系 在新坐在新坐标系内又增加了三个参数标系内又增加了三个参数 和角和角 。因此，在新坐标系中连。因此，在新坐标系中连杆曲线的待定参数可有九个，即：杆曲线的待定参数可有九个，即：、a、b、c、d、e、g）=0，按此式求解出机构的连杆曲线可有九个点与给定轨迹，按此式求解出机构的连杆曲线可有九个点与给定轨迹相重合。相重合。734.4.连杆机构的优化设计连杆机构的优化设计（1）问题的提出）问题的提出（2）优化设计的基本概念）优化设计的基本概念 设计变量设计变量目标函数目标函数约束条件约束条件优化设计的数学模型优化设计的数学模型74机构优化设计建模的基本问题：机构优化设计建模的基本问题：正确地选择设计变量，根据机构的工作要求，提正确地选择设计变量，根据机构的工作要求，提出恰当的限制条件并构造约束函数，建立能够描述机出恰当的限制条件并构造约束函数，建立能够描述机构特征的目标函数，并求其最小值。构特征的目标函数，并求其最小值。75五五、多杆机构、多杆机构 1.1.多杆机构的功用多杆机构的功用（1）取得有利的传动角（2）获得较大的机械利益（3）改变从动件的运动特性（4）实现从动件带停歇的运动（5）扩大机构从动件的行程（6）使机构从动件的行程可调（7）实现特定要求下的平面导引 结论 由于多杆机构的尺度参数较多，因此它可以满足更为复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求。但其设计也较困难。76（1）多杆机构的分类）多杆机构的分类1）按杆数分五杆、六杆、八杆机构等；2）按自由度分单自由度、两自由度和三自由度多杆机构。（2）六杆机构的分类）六杆机构的分类1）瓦特（Watt）型，有型、型两种。2.2.多杆机构的类型多杆机构的类型瓦特型斯蒂芬森型瓦特型瓦特型772）斯蒂芬森（Stephenson）型，有型、型、型三种。斯蒂芬森型斯蒂芬森型斯蒂芬森型（3）六杆机构的应用六杆机构的应用78契贝谢夫四足机器人契贝谢夫四足机器人 它是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处在曲线的直线段时则着地静止不动，而另一对角足则处在曲线段作迈足运动，从而可实现类似动物的足行运动。79本章小结本章小结（1）平面四杆机构的基本型式、特点及其演化方法。）平面四杆机构的基本型式、特点及其演化方法。（2）铰链四杆机构曲柄存在条件，并判断铰链四杆机构的类型；）铰链四杆机构曲柄存在条件，并判断铰链四杆机构的类型；曲柄滑块机构及导杆机构等其他四杆机构的曲柄存在条件的曲柄滑块机构及导杆机构等其他四杆机构的曲柄存在条件的推导过程。推导过程。（3）平面四杆机构的压力角、传动角、急回运动、极位夹角、）平面四杆机构的压力角、传动角、急回运动、极位夹角、行程速比系数等；连杆机构最小传动角出现的位置及计算方行程速比系数等；连杆机构最小传动角出现的位置及计算方法；极位夹角与行程速比系数的关系式；死点在什么情况下法；极位夹角与行程速比系数的关系式；死点在什么情况下出现及死点位置在机构中的应用。出现及死点位置在机构中的应用。（4）平面四杆机构的设计）平面四杆机构的设计80此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢