第八章 连杆机构.ppt

第八章第八章第八章第八章 平面平面平面平面连杆机构及其设计连杆机构及其设计连杆机构及其设计连杆机构及其设计8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点一、定义与分类一、定义与分类1.定义定义 由若干刚性构件用低副联接而成的由若干刚性构件用低副联接而成的机构机构称为称为连杆机连杆机构构(Linkage Mechanisms)；连杆机构又称为连杆机构又称为低副机构低副机构。(avi)(avi)(avi)(avi)(avi)(avi)2.分类分类 连杆机构可分为连杆机构可分为空间连杆机构空间连杆机构和和平面连杆机构平面连杆机构以上三图为以上三图为平面连杆机构平面连杆机构 平面连杆机构平面连杆机构 空间连杆机构空间连杆机构 空间连杆机构空间连杆机构二、连杆机构的特点二、连杆机构的特点 优点：优点：承载能力高、磨损少，便于润滑；承载能力高、磨损少，便于润滑；制造简单制造简单；两两构件之间的接触靠几何封闭实现；构件之间的接触靠几何封闭实现；实现多种运动规律和轨迹要求。实现多种运动规律和轨迹要求。0 0 xyADCBabcd0 0ADM2BMM1M3连杆曲线连杆曲线连杆连杆缺点：缺点：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；机械效率较低；机械效率较低；产生动态不平衡。产生动态不平衡。CaaBBCrrllBCDA4213m2m3S2S3S1m1mmcm2Bm2C8-2 平面四杆机构的类型及应用平面四杆机构的类型及应用 补充：补充：1.四杆机构是最简单的连杆机构四杆机构是最简单的连杆机构 自由度为自由度为1时：时：F=1，即，即3n-2pl-ph=1，亦即亦即 3n=2pl+ph+1=2pl+1(其中：其中：ph=0)所以：所以：n=(2pl+1)/3，即，即n=1、3、5。n=1时，时，N=2。一般不将其归纳为机构。一般不将其归纳为机构。所以：所以：自由度为自由度为1时的最简单机构为时的最简单机构为n=3(N=4)四杆机构。四杆机构。(avi)自由度为自由度为2时：时：F=2，即，即3n-2pl-ph=2，亦即亦即 3n=2pl+ph+2=2*(pl+1)(其中：其中：ph=0)，n为偶数，为偶数，N为奇数。为奇数。开式链机构开式链机构结论：结论：偶数连杆机构自由度为偶数连杆机构自由度为1，奇数连杆机构自由度为，奇数连杆机构自由度为2。2.平面四杆机构是平面连杆机构研究的基础平面四杆机构是平面连杆机构研究的基础 在在F=1的前提下，六杆、八杆机构均可分解为由一系列的的前提下，六杆、八杆机构均可分解为由一系列的四杆机构组成。四杆机构组成。A BCDE+A BDDCE 一、基本类型一、基本类型1.构件及运动副名称构件及运动副名称构件名称：构件名称：连架杆连架杆与机架连接的构件与机架连接的构件 曲柄曲柄作整周回转的连架杆作整周回转的连架杆 摇杆摇杆作来回摆动的连架杆作来回摆动的连架杆 连杆连杆未与机架连接未与机架连接的构件的构件 机架机架运动副名称：运动副名称：回转副回转副(又称铰链又称铰链)移动副移动副(avi)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(avi)双曲柄机构双曲柄机构(avi)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(avi)双摇杆机构双摇杆机构(avi)2.基本基本类型类型(avi)(avi)(avi)(avi)二、应用二、应用 1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(avi)(avi)(avi)(avi)2.双曲柄机构双曲柄机构(avi)惯性筛惯性筛(avi)(avi)3.双摇杆机构双摇杆机构(avi)起起落落架架(avi)吊吊车车(avi)夹夹具具(avi)二、二、平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化1.改变运动副的形式改变运动副的形式（变转动副为移动副）（变转动副为移动副）A ABCDABCD偏置式曲柄滑块机构偏置式曲柄滑块机构ABC对心式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构改变摇杆改变摇杆相对尺寸相对尺寸曲线轨迹曲柄滑块机构曲线轨迹曲柄滑块机构改变摇杆改变摇杆相对尺寸相对尺寸e导杆机构导杆机构变转动副变转动副为移动副为移动副双转块杆机构双转块杆机构0移动导杆机构移动导杆机构改变构件改变构件相对尺寸相对尺寸改变运动副类型改变运动副类型改变运动副类型改变运动副类型双滑块机构双滑块机构改变运动副类型改变运动副类型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ABCC ACDB2.扩大铰链副扩大铰链副扩大铰链副扩大铰链副ABCD偏心轮机构偏心轮机构BAACDB扩大铰链副扩大铰链副3.取不同构件作为机架取不同构件作为机架摇摇块块机机构构曲曲柄柄滑滑块块机机构构导导杆杆机机构构定定块块机机构构(avi)(avi)(avi)(avi)8-3平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识一、平面四杆机构有曲柄的条件一、平面四杆机构有曲柄的条件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双双曲曲柄柄机机构构(avi)双双摇摇杆杆机机构构(avi)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(avi)曲柄摇杆机构运动特点的观察曲柄摇杆机构运动特点的观察特点：特点：曲曲柄与连杆柄与连杆出现一次出现一次共线、一共线、一次重合次重合(avi)特点：特点：1.摇杆与连杆均摇杆与连杆均未出现重合未出现重合(或共或共线线)现象；现象；2.固定铰链均为固定铰链均为整周回转铰链；整周回转铰链；连杆上两活动铰连杆上两活动铰链均为非整周回链均为非整周回转铰链。转铰链。双曲柄机构运动特点的观察双曲柄机构运动特点的观察(avi)特点：特点：摇杆与摇杆与连杆均连杆均出现重出现重合或共合或共线线连杆与左摇杆重合连杆与左摇杆重合连杆与右摇杆连杆与右摇杆共线共线连连杆杆与与右右摇摇杆杆重重合合 连连杆杆与与左左摇摇杆杆共共线线双双摇杆机构摇杆机构运动特点的运动特点的观察观察双双摇摇杆杆机机构构(avi)结论：结论：若要连架杆能整周回转若要连架杆能整周回转(即成为曲即成为曲柄柄)，则另一连架杆与连杆不能出现重，则另一连架杆与连杆不能出现重合或共线。合或共线。ABCDdabc设：设：最长杆最长杆Lmax=Max(a,b,c,d)最短杆最短杆Lmin=Min(a,b,c,d)中间两杆杆长之和中间两杆杆长之和Lm=a+b+c+d-Lmax-Lmin(1)条件条件a.Lmax+Lmin Lm b.Lmin不得为连杆不得为连杆(必要条件必要条件)(充分条件充分条件)(avi)(avi)条件条件a.Lmax+Lmin Lm(必要条件必要条件)b.Lmin不得为连杆不得为连杆(充分条件充分条件)双双摇摇杆杆机机构构双双曲曲柄柄机机构构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构240120280200(avi)(avi)（2）结论：）结论：曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄曲柄摇杆摇杆连杆连杆转动副转动副摆转副摆转副摆转副摆转副转动副转动副条条 件件机构名称机构名称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满足满足条件条件aLmin为连架杆为连架杆Lmin为为机架机架Lmin为为连杆连杆不不满足条件满足条件a(avi)(3)应用应用 a.判断机构类型判断机构类型 例：判断两图示机构类型例：判断两图示机构类型解：对图解：对图(a)，有：有：30+70 40+55 该机构为双摇杆机构。该机构为双摇杆机构。对图对图(b)，有：有：20+80 2，C C2 C C1 1 C C2C C1 B B1 B B2 C C1 C C2 2 C C1C C2 t1 t2 C C2C C1=C C1C C2v v1=/=/t1 C C2C C1v v2=/=/t2 C C1C C2所以所以t t1 t t2，v v2 v v1(avi)急回特性：称机构急回特性：称机构具有的特性为具有的特性为急回特性急回特性在曲柄等速回转的情况下，通常将作往复运动从动件速度快在曲柄等速回转的情况下，通常将作往复运动从动件速度快慢不同的运动称为急回运动。慢不同的运动称为急回运动。从动件回程的平均速度从动件回程的平均速度(或角速度或角速度)从动件去程的平均速度从动件去程的平均速度(或角速度或角速度)=V2V1=t1t2B2C2B1C1CADB2 B B2 B B1 C C2 C C1 1 C C2C C1 B B1 B B2 C C1 C C2 2 C C1C C2 t1 t2v v2=/=/t2 C C1C C2v v1=/=/t1 C C2C C1K=1=12K=180=180+-3.推广推广(1)推广到曲柄滑块机构推广到曲柄滑块机构(2)(2)对心式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构B1C1BAC =0结论：对心式曲柄滑块机结论：对心式曲柄滑块机构构无无急回特性。急回特性。偏置式曲柄滑块机构偏置式曲柄滑块机构ABCB1C1C2B2 0结论：偏置式曲柄滑块机结论：偏置式曲柄滑块机构构有有急回特性。急回特性。B2C2三、传动角与死点三、传动角与死点（一）传动角（一）传动角1.定义定义F FV VF Fx xF Fy y压力角压力角a a：力力F的作用线与力作用的作用线与力作用点绝对速度点绝对速度V所所夹的锐角夹的锐角传动角传动角：压力角的余角压力角的余角 压力角压力角a a是衡量机构传力性能的一个重要指标。是衡量机构传力性能的一个重要指标。Fx=F*cos a a2.曲柄摇杆机构的压力角与传动角曲柄摇杆机构的压力角与传动角a a：连杆对从动件力作用线与从动件上被作用点绝对速度方向线所夹锐角连杆对从动件力作用线与从动件上被作用点绝对速度方向线所夹锐角因为：因为：=90-a a所以：当所以：当BCD 90 时，时，=180-BCD连杆线与从动杆线所夹锐角连杆线与从动杆线所夹锐角3.意义意义ABCDcdabVCFnFFta a往往将往往将作为度量连作为度量连杆机构传力性能的杆机构传力性能的一个重要指标。一个重要指标。显然：显然：90 时时最好。最好。显然：显然：a aFt传力性能传力性能4.的的大小大小(连杆与摇杆之夹角连杆与摇杆之夹角)由由BCD：f 2=c 2+b 2 2ab*cos ABD：f 2=a 2+d 2 2ad*cos j j fFFnFtABCDcdabj jC2B1maxb 2+c 2 a 2 d 2+2ad*cos j j2abcos=显然：显然：=0 时，有时，有min=180时，有时，有max5.minmin的确定的确定 minmin=Min180-，maxmin结论：最小传动角出现在曲柄与机架共线或重合处。结论：最小传动角出现在曲柄与机架共线或重合处。C2B2min6.曲柄滑块机构最小传动角的确定曲柄滑块机构最小传动角的确定ABCminmax7.导杆机构最小传动角的确定导杆机构最小传动角的确定BACFVC结论：导杆机构传动角结论：导杆机构传动角衡等于衡等于90，即，即压力角压力角a a衡等于衡等于0。（二）机构的死点位置（二）机构的死点位置定义定义 当当=0(a a=90)时，时，Fx=F*cos=0，即连杆作用在即连杆作用在从动件上的力通过了从动件从动件上的力通过了从动件的回转中心，将无法使从动的回转中心，将无法使从动件产生运动，此时称机构处件产生运动，此时称机构处于死点位置。于死点位置。DdAFVBa a(avi)2.死点位置的确定死点位置的确定 在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合时，机构处于死点在四杆机构中当从动件与连杆共线或重合时，机构处于死点位置。位置。曲柄摇杆机构中曲柄摇杆机构中曲柄曲柄为主动件时为主动件时VBFB 0CFCVCCa aDABMCFC=MLAB结论：无死点位置存在结论：无死点位置存在 曲柄摇杆机构中曲柄摇杆机构中摇杆摇杆为主动件时为主动件时a a 0B DABCFB=MLCD结论：结论：当当a a=90(=0)时，即连杆与时，即连杆与曲柄出现共线和重合时，机构出现曲柄出现共线和重合时，机构出现死点位置。死点位置。MFCVCa aVBFBBC1 双曲柄机构和双摇杆机构双曲柄机构和双摇杆机构结论：双曲柄机构结论：双曲柄机构无论哪个曲柄无论哪个曲柄做原动件，都无死点位置存在；做原动件，都无死点位置存在；双摇杆机构双摇杆机构无论哪个摇杆做原动无论哪个摇杆做原动件，都有死点位置存在；件，都有死点位置存在；(avi)3.死点位置的应用死点位置的应用(avi)(avi)火车轮火车轮4.死点位置危害的避免死点位置危害的避免加虚约加虚约束的平束的平行四边行四边形机构形机构(avi)课堂练习：P145-8-88-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计一、四杆机构设计的基本问一、四杆机构设计的基本问题和方法题和方法设计中的已知条件：设计中的已知条件：运动条运动条件件(如行程速比系数如行程速比系数)、几何、几何条件及传力条件条件及传力条件(如最小传如最小传动角动角)。基本问题：基本问题：要求满足预定的位置或运要求满足预定的位置或运动规律动规律ADM2BMM1M3要求满足给定的轨迹要求满足给定的轨迹设计方法设计方法 图解法、解析法和实验法图解法、解析法和实验法二、用图解法设计四杆机构二、用图解法设计四杆机构1.按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构观察分析观察分析:炉门不可能是连架杆，只能是连杆炉门不可能是连架杆，只能是连杆 只对此两位置的准确性有要求只对此两位置的准确性有要求E1E2炉门炉门炉膛炉膛 所要解决的问题是寻找所要解决的问题是寻找A、B、C、D，即各杆杆长即各杆杆长根据所给定条件的不同，有两种情况：根据所给定条件的不同，有两种情况：a.已知连杆位置及活动铰链找固定铰链已知连杆位置及活动铰链找固定铰链b.已知连杆位置及活动铰链找固定铰链已知连杆位置及活动铰链找固定铰链(1)已知连杆位置及活动铰链找固定铰链已知连杆位置及活动铰链找固定铰链a.分析分析ABCDc12b12几何特点：几何特点：活动铰链轨迹活动铰链轨迹圆上任意两点连线的垂直圆上任意两点连线的垂直平分线必过回转中心平分线必过回转中心(固固定铰链点定铰链点)b.设计设计C1C2B1B2b12c12A点所在线点所在线D点所在线点所在线ADB1B2C1C2 已知连杆两位置已知连杆两位置 无穷解。要唯一解需另加条件无穷解。要唯一解需另加条件 已知连杆三位置已知连杆三位置B2ADC2C3B3b23c23C1B1b12c23 唯一解唯一解 已知连杆四位置已知连杆四位置 无解无解B2C2C3B3C1B1C4B4(2)已知连杆位置及活动铰链找固定铰链已知连杆位置及活动铰链找固定铰链a.问题问题b.相对运动分析相对运动分析站在机架上看：站在机架上看：B点饶点饶A点点顺时针顺时针转动，转动，C点点饶饶D点点顺时针顺时针转动。转动。站在连杆上观察：站在连杆上观察：从位置从位置1到位置到位置2，C2B2E1DF2E2F1AB1C1ABC增大，增大，BCD减小，即减小，即A点饶点饶B点点逆时针逆时针转动，转动，C点饶点饶D点点逆时针逆时针转动。转动。(avi)(avi)E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1F2E2F1B1C1B2C2ADA2D2d12a12(avi)c.设计设计 两对应位置两对应位置E1F2E2F1B1C1B2C2ADDA11d12a12E1ADE2F1F2A1D1B1C1C2B2 三对应位置三对应位置E1ADE2F1F2C2B2F3A2D2A3D3E3B1C1a23a12d12d23设计步骤：设计步骤：连接连接E1A、F1D、E2A、F2D(或或E3A、F3D；刚化刚化E1F1DA、E2F2DA(或或E3F3DA)，并将并将E1F1和和E2F2分别分别重合于重合于E3F3，得到得到A1、D1、A2、和和D2 点；点；连接连接A1A2、A2A3、D1D2 和和D2D3、并分别作其垂直平分线，得并分别作其垂直平分线，得交点，交点，B3和和C3；连接连接AB3、DC3、B3C3、B3E3和和C3F3得所需机构。得所需机构。根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。根据图中线长，乘以比例尺得到各构件尺寸。3.按两连架杆预定对应位置设计四杆机构按两连架杆预定对应位置设计四杆机构已知条件：已知条件：一连架杆杆长一连架杆杆长LAB、机架长机架长LAD连架杆对应位置，即连架杆对应位置，即1、2、3；a a1、a a2、a a3。求活动铰链点求活动铰链点C。132B3DE2AB1B2E1E3a a3a a1a a2C3C2C1(1)分析分析B2C1E2E1C2DAB1AB2C2B1C1(2)设计步骤设计步骤a.刚化刚化E2B2D，并使其绕并使其绕D点反转到点反转到E2D重合于重合于E1D，得，得B2点。点。b.作连线的垂直平分线，即作连线的垂直平分线，即得活动铰链点所在直线得活动铰链点所在直线无穷解无穷解(avi)(2)按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构(1)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构已知条件：已知条件：摇杆长摇杆长LCD、摆角摆角j j及行程速比系数及行程速比系数Ka.分析分析B2C2B1C1CADBj j=180K-1K+1Ab.寻找寻找A点的位置点的位置90-ADC2C1j jA点所在圆点所在圆c.设计步骤设计步骤 已知条件线条化；已知条件线条化；由由K计算出计算出；过过C1(或或C2)点作点作C1 C2连线的垂线，过连线的垂线，过C2作作 C1C2M=90-与垂与垂线交于线交于N点；点；作作C1C2N外接圆外接圆曲柄回转中心曲柄回转中心A点所点所在圆在圆无穷解；无穷解；利用另外条件获取唯利用另外条件获取唯一解；一解；EFNB1B2连杆长连杆长连杆长连杆长M 用作图法用作图法(或公式计算或公式计算)得曲柄和连杆尺寸得曲柄和连杆尺寸A(2)曲柄滑块机构曲柄滑块机构已知条件：已知条件：滑块行程滑块行程H，偏距偏距e及行程速比系数及行程速比系数KNA点所在圆点所在圆 I JB2B190-2解：解：1.计算计算=180(K-1)/(K+1)；2.选取比例尺选取比例尺m mL，并将，并将已知条已知条件线条化；件线条化；OPHC1C2e3.过过C1、C2分别作射线分别作射线C1O、C2P，使使C1C2P=C2C1O=90-，得交点得交点N；4.以以N点为点为圆心，以圆心，以NC1为半径，为半径，画圆画圆A点所在圆，并与点所在圆，并与A点点所在线交于两点；所在线交于两点；m mL=m/mm摆动导杆机构也有急回运动特性，其摆动导杆机构也有急回运动特性，其极位夹角极位夹角8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点一、定义与分类一、定义与分类 二、连杆机构的特点二、连杆机构的特点8-2 平面四杆机构的类型及应用平面四杆机构的类型及应用一、基本类型一、基本类型 二、应用二、应用三、三、平面四杆机构的演化平面四杆机构的演化8-3平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识一、平面四杆机构有曲柄的条件一、平面四杆机构有曲柄的条件二、急回运动和行程速度变化系数二、急回运动和行程速度变化系数三、传动角与死点三、传动角与死点8-4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计一、四杆机构设计的基本问题和方法一、四杆机构设计的基本问题和方法二、用图解法设计四杆机构二、用图解法设计四杆机构本章结束本章结束