1、机械设计基础第2章 平面连杆机构 连杆机构是由若连杆机构是由若干刚性构件用低副连干刚性构件用低副连接而成的平面机构接而成的平面机构,又又称低副机构。称低副机构。2.1 平面连杆机构基本类型 及其应用2.1.1 特点特点1.优点优点1）各构件以低副相连）各构件以低副相连,压强小压强小,易于润滑易于润滑,磨损小；磨损小；2）能由本身几何形状保持接触能由本身几何形状保持接触;3）制造方便，精度高；）制造方便，精度高；4）构件运动形式的多样性，实现多种多样的运动轨迹。）构件运动形式的多样性，实现多种多样的运动轨迹。2.缺点缺点1）机构复杂）机构复杂,传动积累误差较大（只能近似实现给定的运动规律）；传动
2、积累误差较大（只能近似实现给定的运动规律）；平面连杆机构的设计通常包括选型和运动尺寸设计两个方面，前者是指平面连杆机构的设计通常包括选型和运动尺寸设计两个方面，前者是指确定接连杆机构的结构组成，后者是确定机构运动简图的参数。确定接连杆机构的结构组成，后者是确定机构运动简图的参数。2.1.2 设计的基本问题2）设计计算比较复杂；）设计计算比较复杂；3）作复杂运动和往复运动的构件的惯性力难以平衡，常用于速度较低）作复杂运动和往复运动的构件的惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。的场合。2.2 平面四杆机构的基本型式平面四杆机构的基本型式 及其演化及其演化2.2.1 铰链四杆机构铰链四杆机构 所有运
3、动副均为转动副的平面所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，其它四杆机构称为铰链四杆机构，其它型式的平面四杆机构都可以看成是型式的平面四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而成的。在它的基础上演化而成的。根据构件数目分根据构件数目分为四杆机构、五杆机构为四杆机构、五杆机构。广泛应用的是平面四杆机构，而且它。广泛应用的是平面四杆机构，而且它是构成和研究平面多杆机构的基础。是构成和研究平面多杆机构的基础。组成转动副的两构件能作整周相对转动该转动副称为组成转动副的两构件能作整周相对转动该转动副称为整转副整转副，否则为，否则为摆动副摆动副。机架机架组成组成曲柄曲柄连架杆连架杆连杆连杆摇杆摇杆
4、 曲柄所联接的两个转动副均为整转副，而摇杆所联接的两个转动副均为摆动副。按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种类型。双曲柄机构和双摇杆机构三种类型。1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构输送机构输送机构搅拌机搅拌机揉面机揉面机2.双曲柄机构双曲柄机构振动筛振动筛对边不等双曲柄机构对边不等双曲柄机构平行四边形机构平行四边形机构反平行四边形机构反平行四边形机构3.双摇杆机构双摇杆机构飞机起落架飞机起落架鹤式起重机鹤式起重机翻台机构 本机构为翻台震实式造型机的翻台机构
5、，是双摇杆机构，当造型完毕后，可将翻台F翻转180，转到起模工作台的上面，以备起摸。1.转动副转化成移动副的演化转动副转化成移动副的演化2.2.2 四杆机构的演化e0偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构e=0对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄移动导杆机构曲柄移动导杆机构双滑块机构的演化过程双滑块机构的演化过程2.扩大转动副扩大转动副 在左图中若将转动副在左图中若将转动副B的半径扩大到比曲柄的半径扩大到比曲柄AB的长度还要大，则曲的长度还要大，则曲柄滑块机构转化为偏心轮机构。柄滑块机构转化为偏心轮机构。在含曲柄的机构中，若曲柄的长度很短，在柄状曲柄两端装设两个转在含曲柄的机构中，若曲柄的长度很短，
6、在柄状曲柄两端装设两个转动副存在结构设计方面的问题，故常常设计成偏心轮机构。动副存在结构设计方面的问题，故常常设计成偏心轮机构。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构双双摇杆机构摇杆机构 取不同构件为机架各取不同构件为机架各构件间的相对运动关系不构件间的相对运动关系不变变3.取不同构件作机架取不同构件作机架（1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构（2）曲柄滑块机构）曲柄滑块机构(a)曲柄滑块机构曲柄滑块机构(b)曲柄转动曲柄转动导杆导杆机构机构(c)曲柄摇块机构曲柄摇块机构(b)曲柄摆动曲柄摆动导杆导杆机构机构(d)定块机构定块机构 组成移动副的两活动构件，画成杆状的组成移动副的两活动构件，画成
7、杆状的构件称为构件称为导杆，导杆，画成块状的构件称为画成块状的构件称为滑块滑块。对心曲柄滑块机构 因导路的中线通过曲柄的回转中心而得名。该机构能把回转运动转换为往复直线运动或作相反的转变，广泛应用于蒸汽机、内燃机、空压机以及各种冲压机器中。转动导杆机构 该机构是通过将曲柄滑块机构中的曲柄固定演化而成，它可将主动件的匀速回转转化为导杆的非匀速转动。摆动导杆机构 该机构具有急回运动性质，且其传动角始终为90度，具有最好的传力性能，常用于牛头刨床、插床和送料装置中。定块机构 该机构是通过将曲柄滑块机构中的滑块固定而演化得出，它可把主动件的回转或摆动转化为导杆相对于滑块的往复移动。摇块机构 该机构是通
8、过将曲柄滑块机构中的连杆固定而演化得出，它可把主动件的匀速回转运动转化为导杆相对于滑块的往复移动并随滑块摆动的形式。正弦机构 该机构是具有2个移动副的四杆机构，因从动件的位移与原动曲柄的转角的正弦成正比而得名，常用于缝纫机下针机构和其他计算装置中。椭圆规 动杆联接两回转副，固定导杆联接两移动副，导杆呈十字形，动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆。4.多杆机构多杆机构六杆机构六杆机构手动冲床手动冲床2.3 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性2.3.1铰链四杆运动链成为曲柄摇杆机构的条件铰链四杆运动链成为曲柄摇杆机构的条件1.转动副为整转副的充分必要条件转动副为整转副的充分必要条件结论：铰链
9、四杆机构中相邻两杆能作整周转动的条件是：组成该转动副的两个构件中结论：铰链四杆机构中相邻两杆能作整周转动的条件是：组成该转动副的两个构件中必有一个为最短杆，且最短杆与最长杆长度之和小于其它两杆的长度之和。必有一个为最短杆，且最短杆与最长杆长度之和小于其它两杆的长度之和。43214231324141llllDCAllllllllDCAll 由由由由若若44342441,:llllllll同同样样得得若若413121,:llllll得得杆长条件杆长条件机架条件机架条件机构类型机构类型满足杆长之和条满足杆长之和条件件最短杆相邻的杆为机架最短杆相邻的杆为机架曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构最短杆本身为机架最短
10、杆本身为机架双曲柄机构双曲柄机构最短杆相对的杆为机架最短杆相对的杆为机架双摇杆机构（双摇杆机构（I）不满足杆长之和不满足杆长之和条件条件任意杆为机架任意杆为机架双摇杆机构（双摇杆机构（II）2.四杆铰链运动链成为曲柄摇杆机构的条件AB1234eCabD2B23Cb42B b2B bEFGaA11B成为曲柄滑块机构的条件为：成为曲柄滑块机构的条件为：bea（其中（其中e e偏心距离）偏心距离）1aea例例:1.曲柄摇杆机构中，原动件曲柄摇杆机构中，原动件AB以以等速转动等速转动1（1）输出件）输出件CD的两极限位置的两极限位置当当AB与与BC两次共线时，输出件两次共线时，输出件CD处于两极限位置
11、。处于两极限位置。极位夹角极位夹角：当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄位置线所夹的锐角。位置线所夹的锐角。2.3.2 急回特性曲柄转角曲柄转角 1801对应的时间对应的时间111/t摇杆点摇杆点C的的平均速度平均速度 1802122/t1121/vC Ct2122/vC CtB2C2B1C11A211C34BDabcd2摆角摆角极位夹角极位夹角 v1v2（2）输出件的行程速度变化系数）输出件的行程速度变化系数K：从动件快行程平均速度从动件快行程平均速度v2与慢行程平均速度与慢行程平均速度v1之比。之比。11180KK180180212112ttvvK平面四杆机
12、构具有急回特性的条件：平面四杆机构具有急回特性的条件：（1）原动件作等速整周转动；）原动件作等速整周转动；（2）输出件作往复运动；）输出件作往复运动；（3）0314AB2Cab12.曲柄滑块机构中，原动件曲柄滑块机构中，原动件AB以以等速转动等速转动1B1B2H0,无急回特性无急回特性C1C2对心曲柄滑块机构2AB134eCab1C1B1B2HC20,有急回特性。有急回特性。偏置曲柄滑块机构1AB21B2B13.曲柄摆动导杆机构曲柄摆动导杆机构有急回特性有急回特性2.3.3 压力角与传动角压力角与传动角在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使
13、输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受力点的速度方向线受力点的速度方向线所夹的锐所夹的锐角。角。压力角：压力角：传动角：传动角：压力角的余角。压力角的余角。vcFF1F2cos1FFsin2FF越小，传力越好越小，传力越好。越大，传力越好越大，传力越好。min1.压力角与传动角压力角与传动角注意：压力角与传动角是指从动件的受力方向与受力点的注意：压力角与传动角是指从动件的受力方向与受力点的 速度方向的夹角。速度方向的夹角。曲柄为主动件曲柄为主动件滑块为主动件滑块为主动件AB134C2FvcvBFvC曲柄为主动件曲柄为主动件滑块为主动件滑块为主动件曲柄滑块机构曲柄滑块
14、机构曲柄摆动导杆机构曲柄摆动导杆机构vB3F0900 曲柄为主动件曲柄为主动件3B132C0?F v 摆杆为主动件摆杆为主动件09002.四杆机构的最小传动角位置四杆机构的最小传动角位置（1）铰链四杆机构中，原动件为）铰链四杆机构中，原动件为AB当当为锐角时，为锐角时，当当为钝角时，为钝角时，180以以AB为原动件的曲柄摇杆机构：为原动件的曲柄摇杆机构：m inm inm axm in,(180)maxmin,当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输出件的夹角当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输出件的夹角最小和最大（最小和最大（）。）。以曲柄为原动件的曲柄摇杆机构，当曲柄和机架处于两共线位置之
15、一以曲柄为原动件的曲柄摇杆机构，当曲柄和机架处于两共线位置之一时，出现最小传动角。时，出现最小传动角。m inm inm axm in,(180)（2）曲柄为主动件的曲柄滑块机构）曲柄为主动件的曲柄滑块机构FvcB1C1max 曲柄为主动件的曲柄滑块机构，当曲柄处于与机架垂直的位置之一时出现曲柄为主动件的曲柄滑块机构，当曲柄处于与机架垂直的位置之一时出现最小传动角。最小传动角。曲柄摇杆机构中取曲柄摇杆机构中取摇杆为主动件摇杆为主动件时，当时，当曲柄与连杆共线曲柄与连杆共线时，连杆对从动件曲时，连杆对从动件曲柄的作用力通过转动中心柄的作用力通过转动中心A，传动角为零，力矩为零，称为死点位置。，传
16、动角为零，力矩为零，称为死点位置。3.3.4 死点位置 当工件被夹紧后，BCD成一直线，机构处于死点位置，即使工件的反力很大，夹具也不会自动松脱，该例为利用死点位置的自锁特性来实现工作要求的。死点的利用：死点的利用：飞机起落架机构飞机起落架机构电气设备开关的分合闸机电气设备开关的分合闸机构构请思考：请思考：下面机构的死点位置在哪下面机构的死点位置在哪里？里？例例在图示铰链四杆机构中，已知铰链四杆机构各构件的长度分别为在图示铰链四杆机构中，已知铰链四杆机构各构件的长度分别为LAB=20mm，LBC=60mm，LCD=85mm，LAD=50mm，要求：（，要求：（1）试确定该机构是否有曲柄？）试确
17、定该机构是否有曲柄？（2）若以）若以AB为原动件，试画出该机构在图示位置时的压力角和该机构的最小为原动件，试画出该机构在图示位置时的压力角和该机构的最小传动角。（传动角。（3）在什么情况下此机构有死点位置？在图上标出死点发生的位置。）在什么情况下此机构有死点位置？在图上标出死点发生的位置。解解:(1)mmllmmllADCDBCAB110105又又AD为机架为机架 所以该机构存在曲柄，构件所以该机构存在曲柄，构件AB就是曲就是曲柄。柄。ACBDmin（2）如图所示）如图所示B”C”BCACBD（3）如图所示，当以摇杆）如图所示，当以摇杆CD为主动件、且曲柄为主动件、且曲柄AB与与连杆连杆BC共
18、线时的位置为死点共线时的位置为死点位置位置C2B2B1C12.4.1 按给定连杆位置设计四杆机构按给定连杆位置设计四杆机构2.4 平面四杆机构的运动设计 已知已知:连杆的长度和占据的两位置连杆的长度和占据的两位置B1C1,B2C2,设计四杆机构。设计四杆机构。此问题的本质是：已知活动铰链，求固定铰链此问题的本质是：已知活动铰链，求固定铰链（求活动铰链轨迹圆的圆心）。（求活动铰链轨迹圆的圆心）。B1B2C1C2A AD D给定两位置有无穷多解给定两位置有无穷多解b12c12B1B2B3C1C2C3A AD D给定三位置，有唯一解给定三位置，有唯一解1.铰链四杆机构铰链四杆机构2.4.2 按给定的
19、从动件的行程按给定的从动件的行程 和和K设计四杆机构设计四杆机构1)1(180kkD DC2C1A111A BlB CllA BlBCO 90EB2B122222A CA CE CA B由由k计算极位夹角计算极位夹角步骤：步骤：任选固定铰链中心任选固定铰链中心D,由由l4和和作出摇杆的两极限位置作出摇杆的两极限位置C1D和和C2D连接连接C1和和C2 过过C1、C2作与作与C1C2成成C1C2N=900-的直线的直线C1O、C2O,得交点得交点O以以O为圆心为圆心OC1为半径作圆为半径作圆,在圆弧上任选一点在圆弧上任选一点A作为固定铰链中心作为固定铰链中心以以A为圆心为圆心,AC2为半径作圆弧
20、交为半径作圆弧交AC1于于E,平分平分EC1,得曲柄长度得曲柄长度l2.再以再以A为圆为圆心心,为为l2半径作圆交半径作圆交AC1和和AC2的延长线于的延长线于B1,B2.B1C1=l32.曲柄滑块机构曲柄滑块机构已知：已知：H，K，e。求运动学。求运动学尺寸。尺寸。HOeAc2c1 90EB1B2111A BlB CllA BlBC 组成转动副的两构件能作整周相对转动该转动副称为组成转动副的两构件能作整周相对转动该转动副称为整转副整转副，否则为，否则为摆动副摆动副。机架机架组成组成曲柄曲柄连架杆连架杆连杆连杆摇杆摇杆 曲柄所联接的两个转动副均为整转副，而摇杆所联接的两个转动副均为摆动副。按照
21、两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、按照两连架杆的运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种类型。双曲柄机构和双摇杆机构三种类型。2.双曲柄机构双曲柄机构振动筛振动筛对边不等双曲柄机构对边不等双曲柄机构平行四边形机构平行四边形机构1.转动副转化成移动副的演化转动副转化成移动副的演化2.2.2 四杆机构的演化2.3.3 压力角与传动角压力角与传动角在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出件上上受力点的速度方向线受力点的速度方向线所
22、夹的锐所夹的锐角。角。压力角：压力角：传动角：传动角：压力角的余角。压力角的余角。vcFF1F2cos1FFsin2FF越小，传力越好越小，传力越好。越大，传力越好越大，传力越好。min1.压力角与传动角压力角与传动角2.四杆机构的最小传动角位置四杆机构的最小传动角位置（1）铰链四杆机构中，原动件为）铰链四杆机构中，原动件为AB当当为锐角时，为锐角时，当当为钝角时，为钝角时，180以以AB为原动件的曲柄摇杆机构：为原动件的曲柄摇杆机构：m inm inm axm in,(180)ACBDmin（2）如图所示）如图所示B”C”BCHOeAc2c1 90EB1B2111A BlB CllA BlBC
