机械原理第5章-连杆机构设计

+
B ①
①
θ
A
① C
①
A1
+
2 3
4
B
连杆AB中点的轨迹为圆，其余点轨迹为椭圆 1. 椭圆仪机构
2) 椭圆仪机构的演化机构 十字滑槽联轴器
教材P78图5.17谁是投影面？
A1
2 3
4
B
变换机架
1 4 3
2
1
4 3
+
2
转动的主动件+RPP杆组而成 1 3
3) 正弦机构
A
B
y
可用于小型冲压机
若 lAB 取 单位:长 ys度 in
就 是 如 此 ， 几度风 雨几春 秋。
插床工作机构 连续转动→往复移动
叉车的举升机构 引导一个构件按给定序列位置运动
平面连杆机构的应用
传送装置的主体机构 使构件上指定点按预期轨迹运动
平面连杆机构的应用
5.2 四杆机构的运动变换功能和性能指标
5.2.1 铰接四杆机构：四个构件以四个转动副连接 而成的平面机构。
曲柄摇杆机构
C B
非整周转动副
整周转动副
A
D
非整周转动副
C
C
C
B
B
B
A
D
(a)
双曲柄机构
A
D
(b)
曲柄摇杆机构
A
D
(c)
双摇杆机构
5.2.1.1
C2
铰
接
四
B
C b
C1
c
杆
a
机
A
构
B1
中
D
B2
曲
柄
存
d
在
条
件
令a < d、 c<b
bc
ad
BD max
bc
d
a
BD min
a d b c b c d a
5.2.1.2 铰接四杆机构的急回特性问题
急回特性: 从动件往复行程速度不等，我们说机构有急回特性。
铰接四杆机构中只有曲柄摇杆机构可能存在急回特性。
C
C
C
B
B
A
DA
A
D
B
D
C1
C2
1
A
2
M B1
D
B2
曲柄摇杆机构中，当摇杆处于极限位置时，曲柄和连杆处于 延伸共线和重叠共线位置。
曲柄摇杆机构的工作过程
死点: 机 构 处 于 9 0 ( 或 0 ) 的 位 置 称 为 死 点 位 置
对于铰接四杆机构来说，死点是连杆与从动件共线的位置。
B1
A B2
如图曲柄摇杆机构： 当曲柄为主动件时，不会出现死点位置；
当摇杆为主动件时，会出现两个死点位置。
C1 当机构处于死点位置时，无论主动件上施加 多大的力也不会使机构运动。
岁 月 像 极 了一 根盘根 交错的 藤，茂 密而坚 韧，即 使曲曲 折折， 须子却 扎的很 深 。 翻 一 翻 墙 角的日 历，好 像只是 一眨眼 ，大半 年便过 去了， 我一直 偏爱这 老 式 的 日 历 ，过一 天翻一 张，日 子久了 ，翻过 去的纸 张，侵 着微微 的黄晕 ，夹杂 着 丝 丝 缕 缕 的烟火 味。这 样的细 数时光 ，让生 活更多 了回味 与盼头 。 我 总 是 怀 念 起 年 轻 的时候 ，走过 的路， 去过的 城市。 那份所 到之处 都会带 给我年 轻的朝 气 与 豪 迈 的 热血与 激情。 走 过 了 那 么多的 路，不 禁感慨 ，年轻 人如果 条件允 许 ， 尽 可 能 的要多 迈开腿 ，走出 去多看 看，如 果青春 没那么 多一往 无前， 老了又 有 多 少 回 忆 可做为 茶余饭 后的谈 资？ 无 数 次 在午 夜梦回 间，我 仿佛再 一次骑 着 俊 马 驰 骋 于草原 ，再一 次轻摇 浆板， 放眼云 烟于水 墨江南 。再一 次领略 西藏的 神 秘 雄 伟 ， 再一次 亲吻梦 里的胡 杨。我 想在我 美好的 青春年 华里， 只要一 抬腿就 可 以 去 自 己 想去的 地方。 待到暮 年，我 可以翻 一翻老 照片， 寻找下 自己年 轻的影 子 。 生 活 里 那 些布满 青色苔 藓的日 子，终 归会被 一丝暖 阳所照 耀，人 生的路
C2
C1
β1
β2
e
α1 b θ
s
aA
α2
B2
k 1 2
—极位夹角
B1
1
arcsin
b
e
a
2arcsin 来自be a
12 s2a2b22b2a2cos
A B
C 1) 曲柄滑块机构 2) 定块机构 3)摆块机构 4) 导杆机构
A B
5.2.3 导杆机构
A B
A B
C
变换机架 曲柄滑块
平面连杆机构的特点
连续转动 往复摆动
优点： 连续转动 往复移动 1 能够实现多种形式的运动变换
2 低副连接承载能力强，易加工 连续转动 连续转动
3 运动副保证构件接触,不需外力锁合
缺点：
1 连杆机构平衡困难，尤其对于高速运转的机构
平面连杆机构中最基本的、最常用的是四杆机构
平面连杆机构的应用
b 2.5 3
滑块为主动件时，传力角 =CBA 显然机构存在两个死点B1和B2
偏置曲柄滑块机构 e 0
减小工作行程压力角，改善工作行程的传力性能。
B
B
b
a
C
C
e
A
A
B1
(1) 显然，偏置曲柄滑块机构中曲柄存在条件为：
aeb 即动铰链B能通过B1点。
偏置曲柄滑块机构 e 0
偏置曲柄滑块机构的急回特性
C1
c1 c 2 工作行程
C2
所用时间为 t 1 ，对应 1
1
B1
A
2
B2
M D
c2 c1 回程
所用时间为 t 2 ，对应 2
M －摇杆摆角范围
－极位夹角
极位夹角：在从动件处于两个极限位置时，对应
连杆位置的夹角θ 被称为极位夹角。
K －急回系数
从 动 件 快 行 程 速 度 从 动 件 慢 行 程 时 间 k从 动 件 慢 行 程 速 度 从 动 件 快 行 程 时 间 1
m 45
3. 求极位夹角
k 1 180 k 1
1 . 2 1 180 1 .2 1
16 . 36
可见，只需在固定平面上找到一点A，使 C1AC2 ，A点即
为曲柄转动中心，进而可以求出曲柄摇杆机构。
C2
C1
90
M
A
D
M
1. 连接C1C2，做中垂线， 在其上找到一点M，使
1 B M
所用时间为 t 2 ，对应 2
1、传动性能好，压力角 0
2、有显著的急回特性
A2
b 2a
A1
m
2arcsina() b
1180m
M
C
2180m
急回系数： k1 180m 2 180m
匀速转动 往复摆动
m
k1180 k1
摆动导杆机构的特点：
1 B
1
a
A2
b 2
A1
M
3
A1 A2 往行程
C2 ——C1，构件1
转动 2 构件3
转 180°ω3>ω1
1
C p12
p14 B
1
2
p23
p13
24
3
∞
p13
∞ C2
A p34
C1
∞
当摆动导杆机构中 a > b 时，曲柄整周转动也能带动导杆整周转 动，机构称为回转导杆机构。
5.2.4 几种其他类型的四杆机构
Ⅱ级杆组共有5种类型，将他们分别与主动件和机架相连接组 成四杆机构：
C
B
AD——机架
AB、CD——连架杆 (与机架相连的杆)
A
D
BC——连杆 (与机架相对的杆)
曲柄：连架 杆能绕固定轴线作整周转动者为曲柄。 摇杆：连架 杆不能绕固定轴线作整周转动者为摇杆。
5.2.1 铰接四杆机构
曲柄摇杆机构
整周转动副
B
连杆
非整周转动副
C
摇杆
曲柄
整周转动副A
D
机架 非整周转动副
整周转动副
a AC1 AC2 2
b AC1 AC2 2
根据 a 长确定动铰链 B 的位置
从动件长度c、固定铰链位置A任选因此，本题的解有无穷多个！
5.2.1.3 压力角、传动角与死点
F2
C
F
B
v F1
F1—有功分量
A
D
F2—无功分量
压力角：从动件上所受驱动力方向与力的作用点速度方向的夹角
压力角越小，F 的有用功分量越大，传力性能越好。
正弦机构
A
B
y
+
由转动的主动件+RPP杆组而成。
5.3 多杆机构
对应特定工艺动作要求，四杆机构不能实现时，需应用多杆机构。 (1) 要求机构有较大行程的往复移动，且有显著的急回特性时
a
a
+ + 摆动导杆机构 RRP杆组 摆动导杆机构 RPP杆组
• 牛头刨床利用了摆动导杆机构的急回特性。 • S >> 2a
所用时间为 t 1 ，对应 1
A2 A1 复行程
所用时间为 t 2 ，对应 2
3、导杆往复摆动是各自对称的 教材P61图5-19
C 匀速转动
4、导杆慢行程一般对应工作行程，
速度较小且速度变化均匀。
往复摆动
回转导杆机构：
p13
匀速转动
非匀速转动
C1 ——C2，构件1
转动 1 ，构件
3转180°,ω1>ω3
2) 双曲柄机构
应用
等速转动 变速转动 满足曲柄存在条件。最短杆作机架。
3) 平行四边形机构(双曲柄机构特例 a = c；b = d)
等速整周转动 等速整周转动
等速整周转动
联动装置应用
平行四边形和反平行四边形 机构在重叠共线位置具有运 动不确定性。 非等速整周转动
4) 双摇杆机构
应用
摆动
摆动
•满足杆长之和条件，最短杆的对边作机架； •若不满足杆长之和条件,无论取哪个构件作机架，都是双摇杆机构。
a 1 ,b c d 2 的 一 族 连 杆 曲 线
5.2.2 曲柄滑块机构
B
B
C C
A A
D B
C A
转动副D的同性异形演化。
曲柄滑块机构可看作 由曲柄摇杆机构演化 而得。
e = 0, 对心曲柄滑块机构 e 0 , 偏置曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
曲柄回转中心A在过C点导路延长线上，称对心曲柄滑块机构
第5章 平面连杆机构及其设计
本章目录
§5.1 平面连杆机构的特点及应用 §5.2 四杆机构的运动变换功能和性能指标 §5.3 多杆机构 §5.4 连杆机构设计概论 §5.5 连杆机构设计—解析法 §5.6 连杆机构设计—图解法
§ 5.1 平面连杆机构的特点及应用
连杆机构：全部构件都以低副联结而成的机构。
a d b c
a
b
d
c
① ②
①+②得：a < c, c < b 并且a < d, 所以a为最短杆。并且由公式①和②得出(1)
? (1) 最长杆与最短杆长度之和小于其余两杆长度之和。(杆长之和条件)
(2) 连架杆与机架之中必有一个是最短杆。
1) 曲柄摇杆机构
应用
连续转动 往复摆动 满足曲柄存在条件。最短杆作连架杆。
C
C
移动副同性异形演化
摆块机构
导杆机构
导杆机构可看作由曲柄滑块机构演化而来
导杆机构
B
aA b
C
a < b 摆动导杆机构 匀速转动 往复摆动
A
Ba b
C
a > b 回转导杆机构 匀速转动 变速转动
摆动导杆机构的特点： (a < b)
A1 A2 工作行程
所用时间为 t 1 ，对应 1
A2 A1 急回行程
MC1C290
2. 以M为圆心，MC1为半径 画圆，则圆上圆弧 C 1 C 2 所对应的圆心角
C1MC2 2
3. 则在此圆上任选一点A， 都满足圆上圆弧 C 1 C 2
4. 所对应的圆周角
C1AC2
不要忘记检验机构中是否存在曲柄！
C2
C1
90
b MM
A a B1
D
B2
M
AC1 ba
AC2 ba
kt1 1 1
C2
t2 2 2
k
k 1
k 1
1
B1
A
2
B2
C1 M
D
例 5 1 ： 设 计 一 曲 柄 摇 杆 机 构 ， 已 知 m 4 5 , k 1 . 2
教材P57
C2
C1
M
D
1. 选从动件处的固定铰链D位置如图。
2. 任取从动件长度c , 画出两极限位 置C1D、C2D，其间夹角
5.3 多杆机构
缺点：行程大小的调节是通 过改变曲柄长度a的大小。 因此，改变行程的同时必然
改变了机构的急回特性。
a
m
2arcsina() b
k1 180m 2 180m
(1) 要求机构有较大行程的往复移动，且有显著的急回特性时
B ①
①
①
θ
C
A
①
对心曲柄滑块机构
a
+
a
回转导杆机构
A B
调节行程的大小只须改变AB的长度，而不改变机构的急回特性。 插床利用了回转导杆机构的变速转动性质。
D C2
死点的利弊—克服坏处
1. 利用惯性来渡过死点 2. 利用错位排列的方法克服死点
死点的利弊—利用益处 利用死点，防止起落架收回
死点的利弊—利用益处 利用死点，夹紧机构
5.2.1.4 连杆曲线
连杆曲线：平面连杆机构中的连杆作平面复杂运动，其上任一 点在运动过程的中轨迹称为连杆曲线。
铰接四杆机构的连杆曲线一般是六次代数曲线。
B
a
b
B1
A
B2 C1
M
C
C2 S=2a
(1) 显然，曲柄存在条件为：a ≤ b 即动铰链B能通过M点。
(2) 曲柄与连杆(机架)两次共线位置对应滑块两个极限位置。
(3) 曲柄为主动件，滑块行程 S = 2a，显然无急回特性。
曲柄为主动件时，压力角 为保证传力性能好，推荐
=aBC1A~显1然，，[m]a= x =19 a. rc5sin~(2 ba3 ).5
机构运转过程中，压力角是时刻变化的。
max []
[]40~50
传动角：连杆 BC 与从动件 CD 之间的夹角
B
C
F
v
α γ
A
D
传动 角 90 []40~50
[mi]n50~40 [ma]x130~140 [mi]n[ma]x
C C
min
B
B
max
A
D
A
D
max和min 出现在曲柄与机架延伸共线和重叠共线的位置