54883《机械原理（汉语）（第2版）》（基本课件）第5章平面连杆机构及其设计.pptx

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1、1.平面连杆机构的特点1)平面连杆机构结构简单、易于制造、成本低廉。2)连杆机构是低副连接的机构，故承载能力大。3)通过适当地设计各杆件尺寸，连杆机构可实现运动规律与运动轨迹的多样化。4)可进行远距离的传动。5)连杆机构不宜应用在高速运转场合。5.1平面连杆机构的特点与基本型式Fig.5-1Types of four-bar linkages(铰链四杆机构的类型)2.平面连杆机构的基本型式Fig.5-2Types of four-bar linkages with a sliding pair(含有一个移动副的四杆机构类型)(1)曲柄摇杆机构若两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此铰链四杆机构称为

2、曲柄摇杆机构，如图5-1a所示。(2)双曲柄机构若将图5-1a所示曲柄摇杆机构的曲柄1选为机架，转动副A、B为整转副，则连架杆2、连架杆4均为曲柄，该机构称为双曲柄机构，如图5-1b所示。(3)双摇杆机构若将图5-1a所示的曲柄摇杆机构的摆杆3选为机架，转动副C、D为摆转副，则连架杆2、连架杆4均为摇杆，该机构称为双摇杆机构，如图5-1c所示。(4)平行四边机构图5-1b所示双曲柄机构中，如两曲柄平行且相等，该机构演化为平行四边形机构，如图5-1d所示。(5)等腰梯形机构图5-1c所示双摇杆机构中，如两摇杆相等，该机构演化为等腰梯形机构，如图5-1e所示。(6)曲柄滑块机构图5-2a所示四杆机

3、构中，一连架杆为曲柄，另一个连架杆为滑块，该机构称为曲柄滑块机构。(7)转动导杆机构若将图5-2a所示的曲柄滑块机构的曲柄1选为机架，转动副A、B为整转副，则连架杆2、4均为曲柄，滑块3沿连架杆4移动，且随4转动，该机构称为转动导杆机构，如图5-2b所示。(8)曲柄摇块机构若将图5-2a所示机构的构件2选为机架，转动副A、B仍为整转副，连架杆1仍为曲柄，另一连架杆(滑块3)只能绕C点往复摆动，该机构称为曲柄摇块机构，如图5-2c所示。(9)移动导杆机构若将图5-2a所示机构的滑块3选为机架，转动副A、B仍为整转副，连架杆4只能沿滑块往复移动，该机构称为移动导杆机构，如图5-2d所示。(10)摆

4、动导杆机构若将图5-2b所示的转动导杆机构的机架加长，使lBClAB,转动副A演化为摆转副，连架杆4往复摆动，该机构称为摆动导杆机构，如图5-2e所示。Fig.5-3Types of four-bar linkages with two sliding pairs(含有两个移动副的四杆机构类型)(11)双滑块机构在含有两个移动副的四杆机构中，若两个连架杆作成块状，且相对十字形机架作相对移动，则称之为双滑块机构，如图5-3a所示。(12)双转块机构若两个块状连架杆相对机架作定轴转动，则称之为双转块机构，如图5-3b所示。(13)正弦机构图5-3c中，曲柄2绕A点转动时，通过滑块3驱动构件4作水平

5、移动，其位移量l2sin，与曲柄转角成正弦函数关系，该机构称为正弦机构。(14)正切机构图5-3d中，构件2转动时，构件4竖直移动，其位移量s=atan，该机构称为正切机构。3.四杆机构的演化与变异(1)转换机架法图5-1a所示机构为曲柄摇杆机构，若以曲柄1为机架，则得到图所示的双曲柄机构；若以摇杆3为机架，则得到图5-1c所示的双摇杆机构。Fig.5-4Evolution from turning pair to sliding pair(转动副向移动副的演化)(2)转动副向移动副的演化图5-4a所示曲柄摇杆机构中，摇杆上C点的运动轨迹是以D为圆心、以DC为半径的圆弧。Fig.5-5Ecce

6、ntric disk mechanism(偏心盘机构)(3)转动副的销钉扩大如图5-5a所示的曲柄滑块机构中，曲柄AB的尺寸较小时，可将转动副B的销钉扩大，当销钉B的半径大于曲柄的长度时，该机构演化为图5-4b所示的偏心盘机构。4.平面连杆机构的应用(1)全转动副四杆机构的应用图5-6所示为曲柄摇杆机构的应用。其中，图5-6a所示为矿石破碎机，图5-6b是其机构简图。曲柄摇杆机构是该机器的主体机构。图5-6c所示是利用曲柄摇杆机构设计的和面机示意图。Fig.5-6Applications of crank-rocker linkage(曲柄摇杆机构的应用)1eccentric disk(偏心盘

7、)2belt wheel(带轮)3moving jaw(动鄂)4moving jaw board(动鄂板)5fixed jaw board(静鄂板)6rocker(摆杆)7spring(弹簧)Fig.5-7Applications of double-rocker linkage(双摇杆机构的应用)图5-7所示为双摇杆机构的应用。图5-7a所示为鹤式起重机，当摇杆CD摆动时，另一摇杆AB随之摆动，使得悬挂在连杆E点上的重物在近似的水平直线上运动，避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。图5-7b所示为汽车和拖拉机前轮转向机构，该机构为等腰梯形双摇杆机构。Fig.5-8Applications

8、of double-crank linkage(双曲柄机构的应用)图5-8a所示为双曲柄机构在惯性振动筛中的应用，图5-8b所示为机车动轮中平行四边形机构的应用，图5-8c所示为平行四边形机构在升降机中的应用。(2)曲柄滑块机构的应用图5-9a是曲柄滑块机构在多缸内燃机中的应用，图5-9b是曲柄滑块机构在剪床中的应用。Fig.5-9Applications of slider-crank linkage(曲柄滑块机构的应用)(3)导杆机构的应用导杆机构包括转动导杆机构、摆动导杆机构、移动导杆机构。图5-10a所示为摆动导杆机构在牛头刨床中的应用。图5-10b所示机构为转动导杆机构在小型牛头刨床

9、中的应用。Fig.5-10Applications rocking guide-bar linkage and rotating guide-bar linkage(摆动导杆机构和转动导杆机构)Fig.5-11Applications of sliding guide-bar linkage and rocking-block linkage(移动导杆机构和曲柄摇块机构的应用)1handle(手柄)2link(连杆)3cylinder(简体)4plunger(活塞)图5-11a是移动导杆机构在手摇水泵中的应用。当扳动手柄1时，活塞4便在筒体3内作往复移动，从而完成抽水和压水的工作。图5-11b

10、是曲柄摇块机构在自动装卸卡车中的应用。(4)含有两个移动副的四杆机构的应用图5-12a是双滑块机构在椭圆规中的应用实例，图5-12b是双转块机构在联轴器中的应用。Fig.5-12Applications of four-bar linkages with two sliding pairs(含有两个移动副机构的应用)1.曲柄存在条件5.2平面连杆机构的基本性质Fig.5-13Grashoflaw(曲柄存在条件)图5-13所示的铰链四杆机构中，设构件1、构件2、构件3、构件4的长度分别为a、b、c和d，并取ad。当构件1能绕点A做整周转动时，构件1必须能通过与构件4共线的两位置AB1和AB2。1

11、)曲柄是最短杆。2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。在铰链四杆机构中，要使构件1为曲柄，它必须是四杆中的最短杆，且最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。考虑到更一般的情形，可将铰链四杆机构曲柄存在条件概括为：2.急回特性图5-14所示曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为主动件，摇杆CD为从动件。主动曲柄AB以等角速度顺时针转动，当曲柄转至AB1位置与连杆B1C1重叠共线时，摇杆CD处于左极限位置C1D；而当曲柄转至AB2位置与连杆B2C2拉伸共线时，从动摇杆处于右极限位置C2D。摇杆Fig.5-14Quick-return characteristics(急回特性)处于

12、左、右两极限位置时，对应曲柄两位置所夹的锐角称为极位夹角。摇杆两极限位置间的夹角称为摇杆的摆角。3.机构压力角与传动角Fig.5-15Transmission angle and pressure angle(传动角和压力角)图5-15所示曲柄摇杆机构中，若忽略各杆的质量和运动副中的摩擦，连杆BC作用于从动摇杆CD上的力F是沿杆BC方向的。把从动摇杆CD所受力F与力作用点C的速度v之间所夹的锐角称为压力角。压力角越小，传力性能越好。因此，压力角的大小可以作为判别一个连杆机构传力性能好坏的依据。Fig.5-16Transmission angle in a slider-crank linkag

13、e(曲柄滑块机构的传动角)偏置曲柄滑块机构的传动角如图5-16所示。最小传动角可用式(5-10)求出。4.机构的死点位置图5-17所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆CD为主动件，则当摇杆在两极限位置C1D、C2D时，连杆BC与从动曲柄AB将两次共线，出现=0的情况。该作用力对A点的力矩为零，故曲柄AB不会转动。机构的该位置称为死点位置。克服机构死点的常用方法有：1)利用构件的惯性来通过死点位置。2)利用机构的错位排列通过死点位置。Fig.5-17Dead points(死点)Fig.5-18Overcome dead point by using flywheel(利用飞轮克服死点)1flywhee

14、l(飞轮)2crank shaft(曲轴)3cam shaft(凸轮轴)4valve(气门)5piston(活塞)6connect link(连杆)图5-18所示的单缸四冲程内燃机就是借助于飞轮的惯性通过曲柄滑块机构的死点位置。图5-19所示的机车驱动轮联动机构中，采用机构错位排列，使两组机构的位置相互错开，可使机构顺利通过死点位置。Fig.5-19Overcome dead points by using different phase(错位排列克服死点)Fig.5-20Self-locking clamp(自锁夹具)在工程中，也利用机构的死点位置来实现一定的工作要求。图5-20所示的夹具，

15、就是利用机构死点位置来夹紧工件的。在连杆BC的手柄处施以压力F之后，连杆BC与连架杆CD成一直线。撤去外力F之后，在工件反弹力作用下，连架杆CD处于死点位置。即使此反弹很大，也不会使工件松脱。1.概述(1)实现给定的运动规律按照连杆的一系列位置设计四杆机构、按照连架杆的一系列位置设计四杆机构和按照行程速度变化系数设计四杆机构，是实现机构运动规律的基本途径。(2)实现给定的运动轨迹连杆上各点能描绘出各种各样的高次曲线。5.3平面连杆机构的设计Fig.5-21Problems of synthesis of a four-bar linkage 1(四杆机构设计基本问题1)图5-21a所示的铸造车

16、间翻转台，是按照连杆的一系列位置设计四杆机构的示例。该机构是按照平台的两个位置B1C1和B2C2设计的。图5-21b所示车床变速机构是按照主动件和从动件的转角位置、之间的对应关系设计的。变速手柄位于1、2、3位置，换挡齿轮位于1、2、3档。主动件和从动件的对应转角位置能实现一定的对应关系。图5-22a中，设曲柄、连杆、摇杆和机架尺寸分别为a、b、c、d，则有：AC1=b+a，AC2=b-a，联立求解得 a=（AC1AC2）/2 求出曲柄长度后，其余尺寸可直接在图上用图解法求解。Fig.5-22Problems of synthesis of four-bar linkages 2(四杆机构设计

17、基本问题2)Fig.5-23Guiding a body through two coupler positions(按连杆的两个位置设计四杆机构)1）按照连杆的两个位置设计四杆机构。如图5-23a所示，设已知连杆BC的长度和预定占据的两个位置B1C1、B2C2，设计此四杆机构。(1)按照连杆的一系列位置设计四杆机构通常情况下，会给定连杆的两个或三个位置，要求设计四杆机构。2.图解设计法 2）按照连杆的三个对应位置设计铰链四杆机构。如图5-24a所示，若要求连杆占据预定的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，则可用上述方法分别作出B1B2和B1B3的垂直平分线b12和b13，其交点即为转动副A

18、的位置；同理，分别作C1C2和C1C3的垂直平分线c12和c13，其交点即为转动副D的位置。连接AB1及C1D，即得所求的四杆机构在位置1的简图，作图过程如图5-24b所示。Fig.5-24Guiding a body through three coupler positions(按连杆的三个位置设计四杆机构)Fig.5-25Guiding a body through a number of link plane positions(按连杆平面位置设计四杆机构)3）按连杆平面位置设计四杆机构。若给定图5-25所示的连杆平面的两个或三个位置，可在连杆平面中假设出BC位置，按上述方法求解即可。

19、由于每假设一组BC就对应一组解，故此时有无穷多解。Fig.5-26Principle of inversion(反转法的原理)(2)按照连架杆的一系列对应位置设计四杆机构 1)反转法的原理。在图5-26中，给出了四杆机构的两个位置AB1C1D、AB2C2D，两连架杆的对应转角分别为1、2和1、2。设想将机构AB2C2D整体刚化，并绕轴心D转过2-1角。构件DC2与DC1重合，AB2运动到了AB2位置。经过这样的转化，可以认为此机构已转换为以C1D为机架，AB1、AB2为连杆位置的设计问题。Fig.5-27Coordination of the positions of the input an

20、d output links(按两连架杆的三组对应位置设计四杆机构)2）按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构。如图5-27a所示，已知构件AB和机架AD的长度，要求在该机构的传动过程中，构件AB和构件CD上某一标线DE能占据三组预定的对应位置AB1、AB2、AB3及DE1、DE2、DE3,三组对应位置的对应角度为1、2、3和1、2、3。设计此四杆机构。此类设计问题可以转化为以构件CD为机架，以构件AB为连杆的设计问题。设计过程如下（图5-27b）：选适当比例尺画出机构的三组对应位置。以D为圆心，任选半径画弧，交三个方向线于E1、E2、E2点。连接四边形AB1E1D、AB2E2D、AB3E3D,

21、分别反转AB2E2D、AB3E3D,使E2D、E3D与E1D重合。此时，转化为以E1D为机架，以AB、A2B，A3B为连杆三个位置的设计问题。作B1B、BB的中垂线，交点C1即为所求，AB1C1D为机构的第一位置。(3)按行程速度变化系数设计四杆机构设计具有急回特性的机构时，通常已知行程速度变化系数K和其他条件，设计方法如下。1)曲柄摇杆机构已知摇杆的长度lCD，摇杆摆角和行程速度变化系数K，设计曲柄摇杆机构。Fig.5-28Synthesis of a crank-rockerlinkage for a given K(已知K设计曲柄摇杆机构)Fig.5-29Synthesis of a s

22、lider-cranklinkage for a given K(已知K值设计曲柄滑块机构)2)曲柄滑块机构Fig.5-30Synthesis of a guide-barlinkage for a given K(已知K值设计导杆机构)3）导杆机构Fig.5-31Coupler curve(连杆曲线)(4)按照连杆曲线设计四杆机构 按照连杆曲线设计四杆机构时，经常采用图谱法。图5-31为连杆上F点的运动轨迹示意图。改变连杆上BE与EF的尺寸，可以生成许多不同的连杆曲线，再对照连杆曲线选择相关的连杆机构。3.解析设计法(1)按连杆的对应位置设计四杆机构通过设定连杆铰链点的坐标值给定连杆的两组或

23、三组对应位置，求出两端圆心坐标后，可求解各构件尺寸。图5-32给出连杆对应位置的铰链B、C点坐标。设铰链B点转动半径为a,铰链C点转动半径为c。Fig.5-32Guiding a body through a number of link positions(按连杆的对应位置设计四杆机构)Fig.5-33Coordination of the positions of the input and output links(按连架杆的对应位置设计四杆机构)(2)按连架杆的对应位置设计四杆机构已知连架杆的对应角位置(1-1)、(2-2)、(3-3)，其上点的坐标的对应位置也可以写出通式。图5-33

24、给出了连架杆的两组和三组对应角位置，关键是求解C点坐标。(3)按行程速度变化系数设计四杆机构已知条件仍为摇杆长度c、摆角、行程速度变化系数K。Fig.5-34Synthesis of a four-bar linkagefor a given K(已知K设计四杆机构)(4)按连杆曲线设计四杆机构给定连杆曲线设计四杆机构时，一般是给定连杆曲线上几个关键点的坐标，所设计的四杆机构能准确或近似通过所选的关键点。如图5-35所示，已知P点在连杆曲线上，求待设计的四杆机构的尺寸与描述P点位置的e、f、。Fig.5-35Design of a four-bar linkage forcoupler curve(按连杆曲线设计四杆机构)