連桿機構及設計

機械設計基礎主講：秦襄培機械工程學院機械設計研究室2007-2008第1學期1第三章平面連桿機構及設計

PlanarLinkageMechanismsandDimensional

Synthesis3－1平面連桿機構的特點及其設計的基本問題3－2平面四桿機構的基本型式及其演化3－3平面四桿機構的主要工作特性3－4平面四桿機構的運動設計連續(xù)性2007-2008第1學期2定義：連桿機構由若干個構件通過低副連接而組成，又稱為低副機構。共同特點：原動件1的運動經過不與機架直接相連的中間構件2傳遞到從動件3上。中間構件稱為連桿。構件多呈桿狀——簡稱為桿bar根據桿數命名，例如：四桿機構動畫動畫動畫§3－1平面連桿機構的特點及其設計的基本問題

2007-2008第1學期3連桿機構根據各構件間的相對運動是平面還是空間運動分為：◆空間連桿機構◆平面連桿機構2007-2008第1學期4連桿機構的優(yōu)點承受載荷大，便于潤滑制造方便，易獲得較高的精度兩構件之間的接觸靠幾何封閉實現實現多種運動規(guī)律和軌跡要求2007-2008第1學期5連桿機構的缺點◆

運動必須經過中間構件進行傳遞，因而傳遞路線較長，易產生較大的誤差積累，同時，也使機械效率降低；◆在連桿機構運動過程中，連桿及滑塊的質心都在作變速運動，所產生的慣性力難于用一般平衡方法加以消除，因而會增加機構的動載荷，所以連桿機構不宜用于高速；◆不能精確實現復雜的運動規(guī)設計計算較復雜2007-2008第1學期6

設計方法：

1.圖解法，2.解析法，3.圖譜法，4.實驗法平面連桿機構設計的基本問題選型：運動尺寸設計：確定連桿機構的結構組成：構件數目，運動副類型、數目。確定機構運動簡圖的參數：①轉動副中心之間的距離；②移動副位置尺寸1、實現構件給定位置(亦稱實現剛體導引）2、實現已知運動規(guī)律3、實現已知運動軌跡2007-2008第1學期7六桿機構四桿機構ABCD四桿機構DEF四桿機構應用非常廣泛，且是多桿機構的基礎著重討論2007-2008第1學期8§3－2平面四桿機構的基本型式及其演化基本型式：平面連桿機構的基本型式是鉸鏈四桿機構其余四桿機構均是由鉸鏈四桿機構演化而成的二桿三桿,不可能.一.鉸鏈四桿機構RevoluteFour-barMechanism四桿機構2007-2008第1學期91234ABCD連桿連架桿連架桿機架曲柄搖桿(擺桿)(整轉)(擺轉)機架frame、連桿coupler、連架桿sidelink機架－參考系（固定件）連架桿－與機架相聯連桿－不與機架相聯基本構件曲柄crank：可回轉360°的連架桿搖桿rocker：擺角小于360°的連架桿滑塊slider：作往復移動的連架桿連架桿－全由轉動副相聯的平面四桿機構一.鉸鏈四桿機構2007-2008第1學期10一.鉸鏈四桿機構基本型式

（按連架桿類型）鉸鏈四桿機構曲柄搖桿機構雙曲柄機構雙搖桿機構2007-2008第1學期11◆結構特點：連架桿1為曲柄，3為搖桿。◆運動變換：轉動

搖動1.曲柄搖桿機構Crank-rockerMechanismA1B2C3D4雷達天線機構特例：縫紉機踏扳機構

2007-2008第1學期12其它應用顎式破碎機和面機壓力機2007-2008第1學期13◆結構特點：二連架桿均為曲柄◆運動變換：轉動

轉動通常二轉速不相等2.雙曲柄機構Double-crankmechanism應用實例：振動篩機構2007-2008第1學期14特例:平行四邊形機構平行四邊形機構運動不確定問題反平行四邊形機構車門開閉機構特點：二曲柄等速特點：二曲柄轉向相反應用1應用2動畫Solution:在從動曲柄上加飛輪。

錯位排列

2007-2008第1學期15◆結構特點：二連架桿均為搖桿◆運動變換：擺動

擺動3.雙搖桿機構doublerockermechanism應用實例：鑄造用大型造型機的翻箱機構

2007-2008第1學期16其它應用起重機2007-2008第1學期17特例等腰梯形機構汽車前輪轉向機構應用實例：基本型——鉸鏈四桿機構：曲柄搖桿機構雙曲柄機構平行四邊形機構反平行四邊形機構雙搖桿機構等腰梯形機構2007-2008第1學期18二.平面四桿機構的演化Variation3D3Dr1B2C34AD1B2C4A鉸鏈四桿機構曲線導軌曲柄滑塊機構變3構件形狀r

e01B24AC31B24AC3e對心式曲柄滑塊機構

slider-crankmechanism偏置式曲柄滑塊機構

offsetS-C1.

改變構件形狀和運動尺寸應用2007-2008第1學期192007-2008第1學期20

1B24AC3對心式曲柄滑塊機構

變2,3構件形狀r

1B4A32C

正弦機構

sinegenerator/scotchyokess=lABsin

2C33C2r

1B4A應用2007-2008第1學期212.改變運動副的尺寸Enlargingarevolutepair對心式曲柄滑塊機構1B24AC3h=2lAB偏心輪機構

eccentricmechanism4C231BAB副擴大2007-2008第1學期223.選不同構件作機架——機構倒置inversionA41A4曲柄滑塊機構1B2C32作機架3B2C曲柄搖塊機構

液壓作動筒車箱舉升機構2007-2008第1學期231BA21BA2AA41B2C3曲柄滑塊機構1B24C3直動滑桿機構prismaticguidemech.C41BA21BA21BA23手動唧筒機構3作機架應用2007-2008第1學期24C234A41B2C3曲柄滑塊機構１作機架A41B2C3導桿機構C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234回轉導桿機構whitworthmech.lBC>lAB，導桿AC整周轉動C234C234C234C234AB123C4lBC<lAB，導桿AC擺動擺動導桿機構

crankshapermech.AB1應用2007-2008第1學期254AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB321B321B4A32正弦機構4A1B321B321B321B321B321B321B321B321B321B321B321B321作機架1雙轉塊機構doubleslidermech.十字滑塊聯軸器半聯軸器4十字滑塊3半聯軸器22007-2008第1學期2614AD23３作機架雙搖桿機構34A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B２4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B２4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B32正弦機構3作機架雙滑塊機構曲柄搖桿機構4AD1234AD1231作機架雙曲柄機構4AD23２作機架曲柄搖桿機構2007-2008第1學期27４.運動副元素的逆換23C4AB123C4AB13,4包容關系互換擺動導桿機構曲柄搖塊機構四桿機構的演化：

1

.改變構件形狀和運動尺寸；

2.改變運動副的尺寸；

3

.選不同構件作機架；

4.運動副元素逆換。

不同類型的四桿機構，其傳遞和變換運動的特點不同，傳遞和變換力的特性不同。正確選擇平面四桿機構的類型，可以達到不同的運動和力的傳遞和變換的要求。2007-2008第1學期28§3－3平面連桿機構的工作特性characteristic

－取決于機構各桿的相對長度一.運動特性1.轉動副為整轉副的條件GrashofCriterion以曲柄搖桿機構為例討論◆分析：構件AB要為曲柄，則轉動副A應為整轉副；為此AB桿應能占據整周中的任何位置；因此AB桿應能占據與AD共線的位置AB'及AB''。動畫2007-2008第1學期29由△DB''C''由△DB'C'兩兩相加◆結論：

轉動副A成為整轉副的條件：1)最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和——桿長條件2)組成該整轉副的兩桿中必有一桿是最短桿。2007-2008第1學期30◆推論

當機構尺寸滿足桿長條件時，最短桿兩端的轉動副均為整轉副fullyrotatingrevolute；其余轉動副為擺轉副partiallyrotataingrevolute?！羝矫嫠臈U機構有曲柄的條件

機構尺寸滿足桿長條件，且最短桿為機架或連架桿。2007-2008第1學期31實例分析:AB＝70,BC＝90,CD＝110,AD＝40(滿足桿長條件)(1)最短桿在機架上(2)最短桿在機架鄰邊(3)最短桿在機架對邊→雙曲柄機構→曲柄搖桿機構→雙搖桿機構∵AD＋CD＝40＋110＝150＜AB＋BC＝160當：①AD為機架②AB或DC為機架③BC為機架→雙曲柄機構→曲柄搖桿機構→雙搖桿機構ABCD平面四桿機構有曲柄的條件討論:9070401102007-2008第1學期32注意：如果四桿機構不滿足桿長條件，則不論取哪個構件為機架，均為雙搖桿機構。思考：曲柄滑塊機構和導桿機構有曲柄的條件是什么？風扇搖頭機構滿足滿足桿長條件的雙搖桿機構的應用實例：2007-2008第1學期33問題討論:

曲柄滑塊機構有曲柄的條件ababemn構件a能通過m點的條件是：構件a能通過n點的條件是：曲柄滑塊機構有曲柄的條件2007-2008第1學期34導桿機構有曲柄的條件有曲柄，該機構是擺動導桿機構。有曲柄，該機構是轉動導桿機構。有曲柄，該機構是轉導桿機構。結論導桿機構總是有曲柄的2007-2008第1學期35偏置導桿機構有曲柄的條件有曲柄，該機構是擺動導桿機構。有曲柄，該機構是擺動導桿機構。2007-2008第1學期36沒有曲柄。有曲柄，該機構是轉動導桿機構。結論偏置導桿機構有曲柄的條件是2007-2008第1學期37B1C1

1

B2C24ABCD231

1

2v2v1

極位夾角

crankanglebetweenextremepositions

1=C

1=1t1=1800+

2=1t2=1800-t1>t2,v2>v1

急回特性

行程速比系數Kadvance-toreturn-timeratio急回特性的應用例。慢快K=1,無急回特性牛頭刨工作要求2.急回特性quick-returncharacteristics

動畫2007-2008第1學期38aBbACa)aBbACeb)aBbACec)d)aCABb＝0a+bC2b-aC1

a+bC2b-aC1

C2C2

問題討論：下列機構有無急回特性，若有，標出極位夾角。2007-2008第1學期393.鉸鏈四桿機構的運動連續(xù)性(1)

連桿機構的運動連續(xù)性：指連桿機構在運動過程中，能否連續(xù)實現給定的各個位置的運動。可行域可行域指由所確定的范圍。(2)可行域：指由所確定的范圍。(3)不可行域：不可行域不可行域(4)錯位不連續(xù)指不連通的兩個可行域內的運動不連續(xù)。2007-2008第1學期40(5)錯序不連續(xù)

當原動件按某一方向連續(xù)轉動時，若其連桿不能按順序通過給定的各個位置，稱這種運動不連續(xù)為錯序不連續(xù)。2007-2008第1學期411.壓力角和傳動角壓力角pressureangle：力F的作用線與力作用點絕對速度V所夾的銳角α稱為壓力角。傳動角transmissionangle：壓力角的余角γ稱為傳動角二.傳力特性在其它條件不變的情況下壓力角α越小，作功W越大壓力角是機構傳力性能的一個重要指標，它是力的利用率大小的衡量指標。2007-2008第1學期42

””2.曲柄搖桿機構的壓力角和傳動角pressuretransmissionangleC’B’C”B”ABCDabcd

不計慣性力、重力、摩擦力，作用在從動件CD上受力點C的力為P。P正交分解為Pt和Pn，Pt=Pcos=PsinPn=Psin=Pcos

壓力角：

從動件受力點受力方向與速度方向所夾之銳角。傳動角＝900-傳力要求

min400~500。出現位置：曲柄與機架共線collinear。重疊overlapping共線時：拉直extended共線時：或2007-2008第1學期43

max

minaBbACeb)aBbACa)Ab

b

min

min問題討論：標出下列機構在圖示位置的壓力角．傳動及最小傳動角min.

d)aCABb00;900.e)e)00;900.2007-2008第1學期44

死點：機構運動時出現傳動角

=00的位置。B1C1B2C24ABCD231=00=00BACB1C１=00C2B2=003.死點位置(止點位置)deadpoint死點位置是不管在主動件上作用多大驅動力,都不能在從動件上產生有效分力的機構位置

危害:從動件卡死或運動不確定2007-2008第1學期45

避免死點位置的危害加虛約束的平行四邊形機構(相同機構錯位排列)GG’EFE’F’蒸汽機車車輪聯動機構2007-2008第1學期46

避免死點位置的危害(續(xù))對從動曲柄施加外力或利用飛輪或構件自身的慣性作用,使機構通過死點2007-2008第1學期47

死點位置的應用飛機起落架夾具2007-2008第1學期48小結

曲柄存在條件

桿長條件

最短桿條件急回特性

極位夾角

行程速比系數1.運動特性

壓力角和傳動角死點2.傳力特性要求：

正確理解和掌握平面機構工作特性的有關概念；用有關工作特性檢驗機構的運動和傳力性能；運用有關概念設計性能優(yōu)良的機構。2007-2008第1學期49§3－4平面四桿機構設計的運動設計

DimensionalSynthesisofPlanarFour-barLinkages一.實現連桿給定位置二.實現已知運動規(guī)律的平面四桿機構運動設計三.實現已知運動軌跡的平面四桿機構運動設計2007-2008第1學期50§3－1平面四桿機構設計的運動設計

設計一個連桿機構引導連桿上的某線段通過一些指定的位置，這樣的綜合問題稱為剛體導引。一.實現連桿給定位置（剛體導引BodyGuidance)2007-2008第1學期51§3－1平面四桿機構設計的運動設計一.實現連桿給定位置（剛體導引BodyGuidance)1.圖解法（1）固定鉸鏈位置沒有給定（2）固定鉸鏈位置給定2.解析法2007-2008第1學期521.圖解法（1）固定鉸鏈位置沒有給定設計一個鉸鏈四桿機構ABCD引導連桿上的線段EF通過三個指定位置E1F1,E2F2及E3F3.2007-2008第1學期53

連桿上第一個位置活動鉸鏈B1andC1

可任意地

arbitrarily地選定。2007-2008第1學期54IIIIII1)剛體作連桿，選定其上二活動鉸鏈，即定連桿長lBC，定比例尺

l作圖；2)活動鉸鏈相對于固定鉸鏈的運動軌跡為圓；設計要點3)用三點定心法確定二固定鉸鏈D,C。B1B2B3C2C3C14)計算待求桿長lAB=AB·

lm;lCD=CD·

lm;lAD=AD·

lm;DA2007-2008第1學期55問題討論實現BC三個位置有唯一解；

二位置設計，無窮解，可添加其它條件，如機構尺寸．傳動角大小．有無曲柄等。

四個位置設計，BC不能任意選定。但總可以在連桿上找到一些點，其四個位置在同一圓上，涉及布爾梅斯特理論。五個位置設計，可能有解，可能無解。2007-2008第1學期56（2）連桿BC上的一線段EF的三個位置已知，且固定鉸鏈A和D已確定。要求設計鉸鏈四桿機構ABCD

2007-2008第1學期57顯然，B和C不能任取，否則，B的三個位置點的圓心不會剛好是A，C的三個位置點的圓心不會剛好是D。

2007-2008第1學期58

像B、C這樣位置待定的活動鉸鏈稱為待定活動鉸鏈undeterminedmovingrevolutecentre(UMRC).

含UMRC（B與C）的位置確定的（只要其上任一線段位置確定）構件FE被選為參考系referencelink2007-2008第1學期59構件AB位置不確定，由位置確定的點A及待定活動鉸鏈UMRC（B）連接而成。構件AB上位置確定的點A被選為圓周點。A點相對于參考系EF的軌跡為一圓，圓的中心是待定活動鉸鏈UMRC（B）。同樣，D點相對于參考系EF的軌跡也為一圓