机械设计基础 第2版

第一节 概述 第二节 平面四杆机构的基本形式及其演化 第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几 个基本概念 第四节 平面四杆机构的设计
第一节 概述
机构实例:内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、 椭圆仪、机械手爪等。
定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。 特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。 特点： ①采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。 ②改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。 ③连杆曲线丰富。可满足不同要求。
l4
l1 coc φ + l2 cos δ = l3 cos ψ + l4
l1 sin φ + l2 sin δ = l3 sin ψ
机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.
令： l 1 =1
代入移项得：
l2 cosδ = l4 ＋ l3 cos ψ －cos φ l2 sinδ = l3 sin ψ －sin φ
消去δ整理得：
cosφ ＝ l3 cosψ －
2l4 l4 令: P0 P2 P1 则化简为：cocφ＝P0 cosψ ＋ P1 cos(ψ－ φ ) ＋ P2
l3 cos(ψ-φ) ＋
l42+ l32+1- l22
代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：
cocφ1＝P0 cosψ1 ＋ P1 cos(ψ1－ φ1 ) ＋ P2 cocφ2＝P0 cosψ2 ＋ P1 cos(ψ2－ φ2 ) ＋ P2 cocφ3＝P0 cosψ3 ＋ P1 cos(ψ3－ φ3 ) ＋ P2
平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。
铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构 中是否存在曲柄和有几个曲柄 。 B 曲柄存在的条件：
1. 构件和条件： A
l2
C
l1
l3
最长杆与最短杆的长度之和应 ≤其他两杆长度之和。 2. 最短杆条件: 连架杆杆与机架中必有一杆为最短杆。
l4
D
当满足构件和条件时，说明存在整转副，当选择不同 的构件作为机架时，可得不同的机构。如
K称为行程速比系数。
180 180
A B1
180°-θ
C2
设计：潘存云
C1
D
只要 θ ≠ 0 ， 就有
K>1
且θ越大，K值越大，急回性质越明显。 设计新机械时，往往先给定K值，于是:
K 1 180 K 1
三、平面四杆机构的传力特性
1.压力角和传动角 从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角， 称为机构的压力角，用α表示。 切向分力: F’= Fcosα =Fsinγ 法向分力: F”= Fsinα =Fcosγ γ↑ F’↑ 对传动有利。 可用γ的大小来表示机构传动力 性能的好坏, 称γ为传动角。
) t2 (180 ) / V2 C1C2 t2 C1C2 /(180
显然：t1 >t2 V2 > V1
B 180°＋θ ω θ A B1 C2
设计：潘存云
CC D D
1
摇杆的这种特性称为 急回运动。
B2
C1C2 t2 t1 V2 K C1C2 t1 t2 V1
C1
E
90°-θ
θ 设计：潘存云 φ A θ D
∠C2C1P=90°－θ,交于P; ④作△P C1C2的外接圆，则A点必在此圆上。 ⑤选定A，设曲柄为l1 ，连杆为l2 ，则:
P
A C1= l1+l2
,A C2=l2- l1
l1 =( A C1－A C2)/ 2
⑥以A为圆心，A C2为半径作弧交于E,得： l1 =EC1/ 2 l2 = A C1－EC1/ 2
B A A B F’ F” F α γ C F α F’
C
γ
F” δ
设计：潘存云
D D
设计时要求: γmin≥50° γmin出现的位置： 当δ ≤90°时， γ＝ δ 当δ >90°时， γ＝180°δ
C B A A
B
γ
F’ F” F α C γ F α F’
F” δ
设计：潘存云
D D
当δ最小或最大时，都有可能出现γmin 此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。
B’ A’ E’ F’ D’ C’ G’
设计：潘存云
A B
E
设计：潘存云
D C
G
F
反平行四边形机构 ——车门开闭机构
设计：潘存云 设计：潘存云
反向
（3）双摇杆机构
特征：两个摇杆 应用举例：铸造翻箱机构、
风扇摇头机构、
飞机起落架
特例：等腰梯形机构——汽车转向机构
B’ C’ B C
设计：潘存云
C C 电机
C1
1
小型插床
A
牛头刨床
(3)选不同的构件为机架 B 1 A 2 B 3 1 2
3
4 C 曲柄滑块机构
B
A
4 C 摇块机构
应用实例 应用实例
1
A
2
3
4 C 导杆机构
C
3 4
2 B 1 A
A A 1 11 4 φ1 4 A 4 A A 1 B 设计：潘存云 2 3 34 3 C 3 C
自卸卡车举升机构
B2
2.急回特性
当曲柄以ω逆时针转过180°+θ时，摇杆从C1D位置 摆到C2D。 所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：
t1 (180 ) / V1 C1C2 t1 C1C2 /(180 )
当曲柄以ω继续转过180°-θ时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所 花时间为t2 ,平均速度为V2 ,那么有：
D
二、实验法
按预定的运动轨迹设计四杆机构 6 D E B5 1 A 4
E
设计：潘存云
B
C D
A
设计：潘存云
3 C
2
步进式 传送机构
搅拌机构
连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。 B, C点的轨迹为圆弧; 其余各点的轨迹为一条 封闭曲线。 A
设计：潘存云
M
B E C
设计目标 : 就是要确定一组杆 长参数, 使连杆上某点的轨迹满 足设计要求。
→∞
对心曲柄滑块机构
双滑块机构
正弦机构
(2)改变运动副的尺寸
设计：潘存云
(3)选不同的构件为机架 B 1 A B 3 C 1 A
偏心轮机构
2 4
2 4 导杆机构
3 C 摆动导杆机构 转动导杆机构
曲柄滑块机构
应用实例:
D C
3
6 E 5
2 B 设计：潘存云 4 A
1
C2 D
B
2 4
3 C
设计：潘存云
P
γ B =0
B
B 2 2 C
C γ=0 33
P
B
飞机起落架
F
工件
设计：潘存云
A
11 A
D D
T
4
钻孔夹具
第四节 平面四杆机构的设计
连杆机构设计的基本问题 机构选型——根据给定的运动要求选择 机构的类型；
γ
尺度综合——确定各构件的尺度参数(长 度尺寸)。
设计方法：图解法、解析法、实验法
三类设计要求： 1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。 2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。
C’
B’ B C
设计：潘存云
A
D
要求连杆在两个位置垂 直地面且相差180˚
三类设计要求： 1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。 2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。 3)满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。
A C E B
设计：潘存云
B C D
D
A
θ
设计：潘存云
φ=θ
D
C1 C2 2、按预定连杆位置设计四杆机构 B1 B2 D D’ C1 B1 B2
设计：潘存云
1)给定连杆两组位置
将铰链 A 、 D 分别选在 B1B2 ， C1C2 连 线的垂直平分线上任意位置都能满足 设计要求。 有无穷多组解。
A
A’
C2 C3
B3
2)给定连杆上铰链BC的三组位置 有唯一解。 A
2.止点位置 摇杆为主动件，且连杆与曲 柄两次共线时，有： F F γ＝0 γ＝0
设计：潘存云
γ＝0
此时机构不能运动。 称此位置为： “止点”
避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构; 靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。
也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。
C D A A C
设计：潘存云
(3)选不同的构件为机架 B 1 A 2 B 3 1 2
3
4 C 曲柄滑块机构
B
A
4 C 摇块机构 1
2 3 B A A 4 4 1 1 2 2 C 3 C 3 B B
1
A
2
3
A
4
4 C 导杆机构 C
设计：潘存云
定块机构
手摇唧筒
Hale Waihona Puke 第三节 平面四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念 一、铰链四杆机构存在曲柄的条件:
CC 2 B 1
A
设计：潘存云
设计：潘存云
33 D
3
3 2
4
2
4 1
1
缝纫机踏板机构
曲柄主动
雷达天线俯仰机构
（2）双曲柄机构
特征：两个曲柄，1、3；
4 摇杆主动
作用：将等速回转转变为等速或变速回转。 应用实例：如叶片泵、惯性筛等。