平面连杆机构及其方案与分析

第二章平面连杆机构及其设计与分析

§2-1 概述

平面连杆机构<全低副机构）:若干刚性构件由平面低副联结而成的机构。

优点：

（1）低副，面接触，压强小，磨损少。

（2）结构简单，易加工制造。

（3）运动多样性，应用广泛。

曲柄滑块机构：转动－移动

曲柄摇杆机构：转动－摆动

双曲柄机构：转动－转动

双摇杆机构：摆动－摆动

（4）杆状构件可延伸到较远的地方工作<机械手）

（5）能起增力作用<压力机）

缺点：

<1）主动件匀速，从动件速度变化大，加速度大，惯性力大，运动副动反力增加，机械振动，宜于低速。

<2）在某些条件下，设计困难。

§2-2平面连杆机构的基本结构与分类

一、平面连杆机构的基本运动学结构

铰链四杆机构的基本结构

1．铰链四杆机构

所有运动副全为回转副的四杆机构。

BC－连杆

AB、CD－连架杆

连架杆：整周回转－曲柄

往复摆动－摇杆

2．三种基本型式

（1）曲柄摇杆机构

定义：两连架杆一为曲柄，另一为摇杆的铰链四杆机构。

特点：、 0～360°, 、＜360°

应用：鳄式破碎机缝纫机踏板机构揉面机

（2）双曲柄机构

定义：两连架杆均作整周转动的铰链四杆机构。

由来：将曲柄摇杆机构中曲柄固定为机架而得。

应用特例：双平行四边形机构

反平行四边形机构

绘图机构

（3）双摇杆机构

定义：两连架杆均作往复摆动的铰链四杆机构。

由来：将曲柄摇杆机构中摇杆固定为机架而得。

应用：翻台机构，夹具，手动冲床

飞机起落架，鹤式起重机

二．铰链四杆机构具有整转副和曲柄存在的条件

上述机构中，有些机构有曲柄，有些没有曲柄。机构有无曲柄，不是唯一地由取哪个构件为机架决定，机构有曲柄的首要条件是：机构中各构件长度间应满足一定的尺寸关系，该条件是首要条件。然后，再看以哪个构件作为机架。

下面讨论机构中各构件长度间应满足的尺寸关系。

铰链四杆机构曲柄存在的条件

曲柄摇杆机构

考察BD间距离：fmax=B’D=d+a, fmin=B’’D=d-a

△BCD中：b+c≥f (b+c≥fmax>，b+c≥a+d (1>

b+f≥c (b+fmin≥c> b+d-a≥c， b+d≥a+c (2>

c+f≥b (c+fmin≥b> c+d-a≥b， c+d≥a+b (3>

(1>+ (2> a≤b, (1>+ (3> a≤c， (2>+ (3> a≤d

有曲柄条件：

结论：

条件

i > 最短构件为连架杆，曲柄摇杆机构。

ii> 最短构件为机架，双曲柄机构。

iii> 最短构件为连杆，双摇杆机构。

条件

例：图示铰链四杆机构，已知：L BC =50 mm ，L CD =35 mm

L AD =30 mm ，AD 为机架。

<1）若此机构为曲柄摇杆机构，且AB 为曲柄，求L AB 的

最大值。

<2）若此机构为双曲柄机构，

AB <3）若此机构为双摇杆机构，求L AB 的数值。

三．平面四杆机构的基本类型与演化

变换机架

曲柄摇杆机构－固定另一最短构件的相邻构件为机架→曲柄摇杆机构

固定最短构件为机架→双曲柄机构

固定最短构件的对边构件为机架→双摇杆机构

曲柄滑块机构→转动导杆机构→移动导杆机构→曲柄摇块机构<偏心泵）

扩大回转副

曲柄滑块机构→偏心轮机构

转动化为移动副曲柄摇杆机构→曲柄滑块机构

滑块导杆互换

变换运动副位置

四．平面多杆机构

在四杆机构的基本结构型式基础上，通过添加杆组得到。牛头刨床机构，插床机构，插齿机，内燃机

§2-2平面连杆机构的基本特性及运动分析

一、平面连杆机构的基本特性

1） 行程速比系数

C 1

D －左极限，C 2D －右极限，

θ－极位夹角：从动件处于两极限

位置，对应曲柄轴线间所夹锐角。

Φ1=180°+θ

摇杆：C 1→C 2，工作行程

所用时间为t 1，C 点平均速度为

V 1。

Φ2=180°－θ

摇杆：C 2→C 1，空回行程

所用时间为t 2，C 点平均速度为

V 2。 Φ1＞Φ2 (ω=常数>，故t 1＞t 2，

V 2＞V 1，机构具有急回特性。为表征机构的急回特征，引入行程速比系数K 。

2）压力角与传动角

P －连杆BC 对摇杆的作用力

Pt －P 沿C 点速度方向的分力

Pn －P 沿垂直于速度方向的分力

α－压力角

曲柄摇杆机构

α定义：力的作用线与从动件上力作用点绝对速度方向间夹角。

γ－传动角，α+γ=90°<互为余角）

Pn=Psinα，α↓，Pn↓，运动副中压力↓

Pt=Psinγ，γ↑，Pt↑，传动有利

为使机构有良好的传力性能，希望最小传动角γmin不要太小。

要求：γmin≥[γ]

一般机械[γ]=40°，高速大功率机Array械 [γ]=50°

最小传动角γmin的确定：

由图知，γ=δ，δmin=γmin1，要使

δ最小，须BD最短，故

γmin1的机构位置出现在B点位于AD

连线上。

γmin还可能出现在B点位于B’的机构位置，此时，γ=180°－δ，

γmin2=180°－δmax，故

γmin=min<γmin1，γmin2）

例：标压力角及传动角

<1）偏置曲柄滑块机构

<2）摆动导杆机构<牛头刨床机构）

<3）摆动油缸机构

总结：α、γ的标注

<1）由α的定义，先标压力角。

<2）γ=90°－α，后标传动角。

<3）力P夹在α+γ=90°的两射线中。

3）机构的死点

力对从动件回转中心不产生力矩而顶死，使机构处于静止状态的机构位置。

即γ=0，α=90°的机构位置。

克服死点的方法：

（1）利用多套机构将错开；<火车前轮驱动）

（2）利用惯性，越过死点；<装飞轮）

（3）限制摇杆摆角。<双摇杆机构）

死点的用：

（1）飞机起落架 <2）快速夹具