机构运动特性分析与四杆机构设计

模块六机构运动特性分析与四杆机构设计

【能力目标】具备平面机构运动特性和传力特性的分析能力及一般平面连杆机构的设计能力【课程内容】

1.机构的运动特性分析方法，

2.平面四杆机构的基本设计方法，

3.计算机辅助图解设计法。

【教学方法】观察机构，分析机构运动特性、传力特性及机构间运动的协调，观察运动副的结构。

【教学手段】课堂演示与现场教学相结合

【教学地点】多媒体教室、创新实训室

【教学重点】四杆机构的构成要素，基本特性分析

【教学难点】四杆机构的协调运动设计

【实践内容】图解法设计平面四杆机构

【教学课时】理论3课时实践2课时

【理论授课内容】

6.1 铰链四杆机构及其演化

一、铰链四杆机构的基本形式

1.基本概念：

铰链四杆机构：所有低副均为转动副的四杆机构。

机架：机构中的固定构件。

连杆：与机架相对的杆。

连架杆：与机架相连的杆。

曲柄：能作360°回转的连架杆。

摇杆：只能在小于360°范围内摆动

的连架杆

2.铰链四杆机构的基本形式：

曲柄摇杆机构：在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。

双曲柄机构：两连杆架均为曲柄的四杆机构。

双摇杆机构：两连杆架均为摇杆的四杆机构。

二、铰链四杆机构的演化

所有的四杆机构都是由四杆机构的基本形式演化来得。

1.扩大转动副，使转动副变成移动副

得到曲柄滑块机构

（1）e≠0时，为偏置曲柄滑块机构

（2）e＝0时，为对心曲柄滑块机构

曲柄滑快机构演化：扩大运动副，可将转动副的尺寸扩大到超过曲柄长度，演化成偏心轮机构

2.取不同的构件为机架

1）铰链四杆机构的演化

a:曲柄摇杆机构b双曲柄机构

c双摇杆机构d曲柄摇杆机构

2）曲柄滑块机构的演化

如果两个移动副代替铰链四杆机构中的两个转动副，便可得到三种不同形式的四杆机构：

✧ 曲柄移动导杆机构（正弦机构）：缝纫机针运动机构 ✧ 双转块机构：十字滑块联轴器 ✧ 双滑块机构：椭圆规

4.1.5 平面四杆机构的基本特性

3. 铰链四杆机构有曲柄的条件

设a ＜d ，则当AB 杆能绕轴A 相对于AD 杆作整周转动时，AB 杆必须占据与AD 杆共线的两个位置

在△B ″C ″D 中

b ≤(d-a)+

c 即 a+b ≤d+c c ≤(d-a)+b 即 a+c ≤d+b 在△B ′C ′D 中 a+

d ≤b+c

将上面三式两两相加，可得

a ≤ d ， a ≤

b ， a ≤ c

即AB 杆为最短杆

结论：铰链四杆机构有曲柄的条件是：

（1）最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其具有的几种基本形式： （2）最短杆或其邻杆应为机架。

根据铰链四杆机构有曲柄的条件，我们可以判别出其具有的几种基本形式： 当铰链四杆机构满足构件长度和条件时： （1）最短杆为连架杆时 为曲柄摇杆机构。 （2）最短杆为机架时 为双曲柄机构。 （3）最短杆为连杆时 为双曲柄机构。 4. 急回特性 1. 基本概念：

✧ 急回特性：机构工作返回行程速度大于工作行程的特性。

极位１ 极位２

✧ 极位角θ：从动件处在两个极限位置时，，曲柄所在直线之间所夹的锐角θ。 ✧ 行程速比系数K ：从动件回程平均速度与从动件的工作平均速度之比称为行程速比系数，即

1

2

V V K ＝

从动件工作平均速度从动件回程平均速度

2.存在急回特性的条件：

机构有无急回特性，取决于该机构极位夹角θ是否大于零，θ越大，急回特性越显著。

5.压力角与传动角：

1.基本概念

✧压力角：从动件所受的力F与受力点速度V c所夹的锐角

✧传动角：压力角的余角（也是连杆与从动件所夹的锐角），，越大，机构的传动性能越好，设计时一般应使min≥40°，对于高速大功率机械应使min ≥50°。

2.最小传动角

✧铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。

✧对于曲柄滑块机构，当曲柄为主动件时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。

✧对于摆动导杆机构由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。

6. 死点位置

1.

位置时，出现机构的传动角g=0a=90的情况，动，机构的这种位置称为死点位置。 2. 死点的利弊

✧ 利：工程上利用死点进行工作

✧ ✧ 度过死点的方法：

◆ ◆ 采用机构错位排列的方法：车轮联动机构

【实践授课内容】

图解法设计平面四杆机构

按两连架杆的预定位置设计四杆机构 1、 设计方法

根据机构的倒置理论，通过取不同构件为机架（如将图a中以AD为机架转化为图b中以CD为机架），将按连架杆预定位置设计四杆机构转化为按连杆预定位置设计四杆机构的方法称为机构转化法或反转法。

反转法过程: 将以AD为机架的两连架杆的两组对应位置转化为以CD为机架的，AB为连杆的相应位置。

2、给定连架杆的两个对应位置设计四杆机构。

设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12角时，从动件相应的顺时针转过φ12，试设计四杆机构。

3、给定连架杆的3个对应位置设计四杆机构。

设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12、α13角时，从动件相应的顺时针转过φ12、φ13，试设计四杆机构。

4、给定连架杆的4个对应位置设计四杆机构。

设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12、α13、α14角时，从动件相应的顺时针转过φ12、φ13、φ14，试设计四杆机构。