机械基础(第九章：平面连杆机构)

1、L/O/G/O第二部分第二部分( (第九章第九章) )平面连杆机构平面连杆机构机械基础机械基础9-1 平面连杆机构概述平面连杆机构概述 9-2 铰链四杆机构铰链四杆机构9-3 其他平面连杆机构其他平面连杆机构9-1 平面连杆机构概述平面连杆机构概述（Planar Linkage）连杆机构：连杆机构：各构件间均以各构件间均以低副（转动副、移动副、低副（转动副、移动副、球面副、圆柱副等）球面副、圆柱副等）相连接的机构称为连杆机构，相连接的机构称为连杆机构，也叫低副机构。也叫低副机构。平面机构：平面机构：各构件的相对运动平面互相平行（常用各构件的相对运动平面互相平行（常用的机构大多数为平面机构）。的

2、机构大多数为平面机构）。空间机构：空间机构：至少有两个构件能在三维空间中相对运至少有两个构件能在三维空间中相对运动。动。 运动副单位面积受压力较小，面接触便于润滑，故运动副单位面积受压力较小，面接触便于润滑，故磨损较小磨损较小； 制造方便，易获得较高的精度；制造方便，易获得较高的精度； 两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的； 连杆机构可以实现给定的运动规律或实现给定的运连杆机构可以实现给定的运动规律或实现给定的运动轨迹，但动轨迹，但只用于速度较低的场合只用于速度较低的场合。 平面连杆机构分为四杆机构和多杆机构。平面连杆机构分为四杆机构和多杆机构

3、。铰链四杆机构：铰链四杆机构： 全部用转动副相连的平面四杆机构。全部用转动副相连的平面四杆机构。它是平面它是平面四杆机构的基本型式之一，其它型式的四杆机构可四杆机构的基本型式之一，其它型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。看作是在它的基础上通过演化而成的。9-2 铰链四杆机构铰链四杆机构（Four - bar linkages）机架：机架：机构的固定构件；机构的固定构件；连杆：连杆：不直接与机架连接的构件；不直接与机架连接的构件；连架杆：连架杆：与机架用转动副相连接的构件；与机架用转动副相连接的构件；连架杆可分为：连架杆可分为： 曲柄：曲柄：能绕机架作整周转动的连架杆；能绕机架作整

4、周转动的连架杆； 摇杆：摇杆：只能绕机架作小于只能绕机架作小于360的某一角度摆动的的某一角度摆动的连架杆。连架杆。DABC摇摇杆杆机架机架摇杆摇杆连杆连杆双摇杆机构双摇杆机构DABC曲柄曲柄机架机架曲柄曲柄连杆连杆双曲柄机构双曲柄机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构DABC摇杆摇杆机架机架 曲柄曲柄连杆连杆在铰链四杆机构中，在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动，按连架杆能否作整周转动，可将铰链四杆机构分为：可将铰链四杆机构分为：一、曲柄摇杆机构一、曲柄摇杆机构二、双曲柄机构二、双曲柄机构三、双摇杆机构三、双摇杆机构曲柄存在的条件曲柄存在的条件1、整转副：、整转副：2、整转副存在的条件：、整转副存

5、在的条件：两构件能相对转动两构件能相对转动360 的转动副。的转动副。取决于各杆的长度。取决于各杆的长度。l1 1Al4l2l3CBDBC BC 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构分析：若分析：若l1能绕能绕A整周相对转动，则存在两个特殊位置。整周相对转动，则存在两个特殊位置。在在 AC D中有：中有：l4 (l2 l1) l3 l3 (l2 l1) l4l1 l4 l2 l3 （1）l1 l3 l2 l4 （2）l1 l2 l4 l3 （3）在在 AC D中有：中有：将（将（1）、（）、（2）、（）、（3）式两两相加，得到以下关系式：）式两两相加，得到以下关系式：l1 l2，l1 l3，l1 l4以上

6、关系表明以上关系表明 l1 为最短杆。为最短杆。曲柄存在的条件：曲柄存在的条件： （1）杆长之和条件：最短杆与最长杆长度之和小于或）杆长之和条件：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。等于其它两杆长度之和。（2）最短杆条件：连架杆和机架中必有一杆是最短杆。）最短杆条件：连架杆和机架中必有一杆是最短杆。l1 l4 l2 l3 （1）l1 l3 l2 l4 （2）l1 l2 l4 l3 （3）注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：边形条件：最长杆的杆长最长杆的杆长 其余三杆长度之和。其余三杆长度之和。你会判断由不同杆作机架时四

7、杆机构属于你会判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构么？哪种机构么？ 方法如下方法如下双摇杆机构双摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构cbda 以最短杆相邻杆为机架以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架以最短杆为机架NY)(dcbadcba长度、一、曲柄摇杆机构一、曲柄摇杆机构 两个连架杆中，两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。 曲柄曲柄1为原动件，作匀速转动；摇杆为原动件，作匀速转动；摇杆3为为从动件，从动件，作变

8、速往复摆动作变速往复摆动。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构DABC摇杆摇杆机架机架 曲柄曲柄连杆连杆雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。运动转换。 搅拌机搅拌机可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。运动转换。 汽车车窗雨刷机构汽车车窗雨刷机构缝纫机缝纫机二、双曲柄机构二、双曲柄机构两个连架杆均为曲柄两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。的铰链四杆机构称为双曲柄机构。双曲柄机构双曲柄机构DABC曲柄曲柄机架机架曲柄曲柄连杆连杆双曲柄机构双曲柄

9、机构惯性筛工作机构惯性筛工作机构 从动曲柄从动曲柄3与主动曲柄与主动曲柄1的长度不同，故当主动曲柄的长度不同，故当主动曲柄1匀速回转一匀速回转一周时，从动曲柄周时，从动曲柄3作变速回转一周，机构利用这一特点使筛子作变速回转一周，机构利用这一特点使筛子6作作加速往复运动，提高了工作性能。加速往复运动，提高了工作性能。 1、曲柄、曲柄1为原动件，作等角速转动；从动件曲柄为原动件，作等角速转动；从动件曲柄3也以相也以相同角速度转动。同角速度转动。特例：特例：平行双曲柄机构平行双曲柄机构，其相对两杆平行且相等。其相对两杆平行且相等。2、当四个铰链中心处于同一直线上时，将出现运动不确、当四个铰链中心处于

10、同一直线上时，将出现运动不确定状态。定状态。B2C2AB1C1 1D123B3C3C3 为了消除这种运动不确定状态为了消除这种运动不确定状态, ,可在主、从动曲可在主、从动曲柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构。柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构。ABCD123B1 1C1BCC1 1B1 1BC机车驱动轮联动机构机车驱动轮联动机构三、双摇杆机构三、双摇杆机构两个连架杆均为摇杆两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。的铰链四杆机构称为双摇杆机构。双摇杆机构双摇杆机构DABC摇摇杆杆机架机架摇杆摇杆连杆连杆双摇杆机构双摇杆机构起重机吊臂结构起重机吊臂结构 ABCD构成双摇杆机构

11、，构成双摇杆机构，AD为机架，在主动摇杆为机架，在主动摇杆AB的驱动下，的驱动下，随着机构的运动连杆随着机构的运动连杆BC的外伸端点的外伸端点E获得近似直线的水平运动获得近似直线的水平运动（EE ），使吊重），使吊重Q能作水平移动，大大节省了移动吊重所需能作水平移动，大大节省了移动吊重所需要的功率。要的功率。 飞机起落架机构飞机起落架机构 （1）机构的急回运动特性：）机构的急回运动特性：四、曲柄摇杆机构的一些主要特性：四、曲柄摇杆机构的一些主要特性：摆角摆角 C1C2DAB1B2B 1C 2 1 2 , t1 t2 , 1 180 曲柄转角曲柄转角 2 180 C1C2C2C1铰链铰链C的平均

12、速度：的平均速度：v1 v2 它表明摇杆具它表明摇杆具有急回运动特性。有急回运动特性。慢行程慢行程快行程快行程 v1= / t1C1C2v2= / t2C1C2急回运动特性可用急回运动特性可用行程速比系数（或行程速度变化行程速比系数（或行程速度变化系数）系数）K 表示：表示：曲柄摇杆机构的极位夹角曲柄摇杆机构的极位夹角 越大，越大，K 值越大值越大，急回运动，急回运动的性质越显著。的性质越显著。 =0、 K =1时，无急回特性。时，无急回特性。 极限夹角计算公式：极限夹角计算公式：式中式中 为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角，称为锐角，称为极位

13、夹角极位夹角（ C2AC1） 。11180 180180212112121212tttCCtCCvv1）原动件作等角速整周转动；）原动件作等角速整周转动；2）输出件具有正、反行程的往复运动；）输出件具有正、反行程的往复运动；3）极位夹角）极位夹角 0。（2）压力角和传动角）压力角和传动角ABCD Fvca、机构压力角机构压力角: :在在不计摩擦力、惯性不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，力和重力的条件下，机构中驱使输出件机构中驱使输出件运动的力与输出件运动的力与输出件上受力点的速度方上受力点的速度方向间所夹的锐角，向间所夹的锐角，称为机构压力角，称为机构压力角，通常用通常用 表示。表示。ABCD

14、 vc FF1F2通常用通常用 表示：表示： 90 F1为有效分力；为有效分力；F1 = Fcos ； ，F1 在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角 来来判断机构传力性能。判断机构传力性能。 F1 ，机构传力性能越，机构传力性能越好；好；反之，机构传力越费劲，传动效率越低。反之，机构传力越费劲，传动效率越低。 ，连杆和从连杆和从动摇杆之间所夹的动摇杆之间所夹的锐角。锐角。 min ； = 40 50 ； 为许为许用用传动传动角角曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角 minmin出现在曲柄与机架共出现在曲柄与机架共线（即曲柄转角线（即曲柄转角

15、= 0 = 0 或或 = 180= 180 ）的位置。）的位置。 机构运转时，传动角机构运转时，传动角 是变化的，为了保证机构是变化的，为了保证机构的正常工作，的正常工作，机构的传动角作出如下规定机构的传动角作出如下规定。（3）死点位置）死点位置：（主动件条件）：（主动件条件） 在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下力的条件下: 当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中心心A的力，对的力，对A点不产生力矩，不能使曲柄转动，机点不产生力矩，不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置构的这种位置称为

16、死点位置 。DABCFBDACF 机构停在死点位置，不能起动。运转时，靠惯性机构停在死点位置，不能起动。运转时，靠惯性 冲过死点。冲过死点。缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构工件夹紧机构工件夹紧机构 利用死点实例利用死点实例曲柄摇杆机构是否一定具有急回特性？曲柄摇杆机构是否一定具有急回特性？是否肯定有死点位置？是否肯定有死点位置？1.曲柄为原动件，当曲柄为原动件，当机构有极位夹角时，就有急回特机构有极位夹角时，就有急回特性；性； =0、K=1时，无急回特性。时，无急回特性。2.存在死点位置的标志是：存在死点位置的标志是：连杆与从动件共线连杆与从动件共线。 摇杆为原动件，有摇杆为原动件，有2个死点位置

17、；个死点位置； 曲柄为原动件，没有死点位置，因为此时连杆与从曲柄为原动件，没有死点位置，因为此时连杆与从动杆不会共线。动杆不会共线。【设计实例设计实例】如图示的加热炉门启闭如图示的加热炉门启闭机构，图中机构，图中为炉门关闭位置，使用为炉门关闭位置，使用要求在完全开启后门背朝上水平放置要求在完全开启后门背朝上水平放置并略低于炉口下沿，见图中并略低于炉口下沿，见图中位置。位置。 解：把解：把炉门当作连杆炉门当作连杆BC，已知的两个位置，已知的两个位置B1C1和和B2C2 ，B和和C已成为两个铰点，分别作已成为两个铰点，分别作直线段直线段B1B2、C1C2的平分线得的平分线得b12和和c12 ，另外

18、，另外两铰点两铰点A和和D就在这两根平分线上。为确定就在这两根平分线上。为确定A、D的位置，根据实际安装需要，希望的位置，根据实际安装需要，希望A、D两两铰链均安装在炉的正壁面上即图中铰链均安装在炉的正壁面上即图中yy位置，位置，yy直线分别与直线分别与b12、c12相交点相交点A和和D即为所求。即为所求。摇杆长摇杆长转动副转动副D 直线直线 滑块滑块摇杆摇杆3 移动副移动副曲柄滑块机构曲柄滑块机构一、曲柄滑块机构：一、曲柄滑块机构： 当曲柄摇杆机构中的当曲柄摇杆机构中的摇杆为无限长时摇杆为无限长时，即为曲，即为曲柄滑块机构。具有一个移动副和三个转动副。柄滑块机构。具有一个移动副和三个转动副。9-3 其它平面连杆机构其它平面连杆机构(铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化)（Other Planar Linkages）曲柄滑块机构的应用曲柄滑块机构的应用内燃机内燃机 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构e 称为偏距称为偏距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，对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构AeB2C2慢行程慢行程 1 2 1B1C1（1）曲柄滑块机构的行程）曲柄滑块机构的行程C1、C2：曲柄与连杆两次共线时，滑块移动的两个极曲柄与连杆两次共线时，滑块移动的两个极限位置。限位置。曲柄滑块机构同样具有急回特性曲柄滑块机构同样具有急回特性。