[工学]机械设计基础第五版高等教育出版第2章 44页

第2章平面连杆机构§2－1平面四杆机构的基本型式和特性§2－2铰链四杆机构整转副存在条件§2－3铰链四杆机构的演化§2－4平面四杆机构的设计\n应用实例内燃机、起重机变幅机构、牛头刨床、翻箱机、椭圆仪、机械手爪等。优点：①低副为面接触，承载能力大、便于润滑、耐磨性好、容易获得较高的制造精度；②改变杆长，即可实现不同的从动件运动规律；③连杆曲线丰富，可满足不同要求。§2－1平面四杆机构的基本型式和特性连杆机构—机构中所有的运动副均为低副。连杆—机构中做一般平面运动（非简单的转动或直线移动）的构件。\n缺点：①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低；②惯性力难以平衡，不适合高速；③难以精确实现复杂运动规律。分类：平面连杆机构空间连杆机构平面连杆机构常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。本章重点介绍四杆机构。平面四杆机构的基本型式和特性2-1\n一、平面四杆机构的基本型式四杆机构的基本型式是铰链四杆机构。连杆曲柄摇杆曲柄—作定轴回转；连杆—作一般平面运动；摇杆—作定轴摆动；连架杆—与机架相联（构件1、3）；整转副—被联接两构件能作整周回转(A、B）；摆转副—被联接两构件只能作有限角度摆动（C、D）。1234ABCD2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n铰链四杆机构的三种基本型式：1.曲柄摇杆机构组成：曲柄＋连杆＋摇杆＋机架作用：整周回转往复摆动ABC1243DABDC1243雷达天线俯仰机构（曲柄主动）应用实例：雷达天线俯仰机构、缝纫机踏板机构等。2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n2.双曲柄机构组成：两个曲柄＋连杆＋机架作用：缝纫机踏板机构应用实例：叶片泵、惯性筛等。2143摇杆主动3124等速回转等速回转变速回转2-1平面四杆机构的基本型式和特性\nADCB1234旋转式叶片泵ABDC1234E6惯性筛机构ADCB12342-1平面四杆机构的基本型式和特性\nABCD实例：火车驱动轮特例：平行四边形机构AB=CD特征：相对两杆长度相等，两个曲柄同向回转，连杆作平动。BC=ADABDC摄影平台B’C’天平B’C’2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n反平行四边形机构—两个曲柄反向回转。反平行四边形机构应用实例：车门启闭机构平行四边形机构在四杆共线位置出现运动不确定。2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n克服方法：两组平行四边形机构串联或错位并联。ABCDEF机构并联2-1平面四杆机构的基本型式和特性F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG机构串联\nABDCE3.双摇杆机构组成：两个摇杆＋连杆＋机架应用举例：铸造翻箱机特例：等腰梯形机构－汽车转向机构风扇摇头机构ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDCB’C’电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆ABDCE2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n二、平面连杆机构的基本特性从动件往复运动的速度不相等。例：曲柄摇杆机构。1.急回运动特性B2C2ADC1B1θω平面四杆机构的基本型式和特性2-1极位和极位夹角从动件（摇杆）的两个运动极限位置称极位；原动件（曲柄）两个对应位置之间所夹锐角称极位夹角，以θ表示。\nV1—从动件正行程平均速度；V2—从动件反行程平均速度。V2>V1，则K>1，称机构有急回特性。推导可得：θ>00时，K>1；K越大，急回特性越显著。（公式推导）急回特性的应用工程上，常利用机构的急回特性提高效率。如：牛头刨床。平面四杆机构的基本型式和特性2-1行程速比系数定义：K—行程速比系数。\nC1B1B2C2ADψθω1800+θ设原动件曲柄以ω顺时针转动。曲柄：AB1AB2摇杆：C1DC2D耗时t1C点平均运动速度为：曲柄：AB2AB11800-θ摇杆：C1DC2D耗时t2平面四杆机构的基本型式和特性2-1\nK—行程速比系数。θ00，则K1；θ越大，K越大，急回特性越显著。平面四杆机构的基本型式和特性2-1\n2.压力角和传动角定义从动件上，驱动力F与力作用点绝对速度V之间所夹锐角称压力角，常用表示。ABCDFαv压力角的余角称传动角，用γ表示。α＋γ900γ意义FF’=FsinγF”=FcosγABCDαγF’F’’F平面四杆机构的基本型式和特性2-1\n设计时要求:γmin≥50°γmin出现的位置：→F’↑→传动效率↑。主动件与机架共线两位置之一。γ↑（α↓）机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。车门αγvF平面四杆机构的基本型式和特性2-1\n当∠BCD最小或最大（即原动件与机架共线）时，都有可能出现γmin。γ＝180°－∠BCD当∠BCD>90°时，当∠BCD≤90°时，γ＝∠BCD；ABCDγCDBAγ平面四杆机构的基本型式和特性2-1\nC1B1abcdDA∠B2C2D＝arccos{[b2+c2-(d+a)2]/2bc}AB1C1D位置，∠B1C1D最小。AB2C2D位置，∠B2C2D最大。γ1＝∠B1C1Dγ2＝180°－∠B2C2Dγ1C2B2γ2∠B1C1D＝arccos{[b2+c2-(d-a)2]/2bc}或：γmin＝180°－∠B2C2Dγmin＝∠B1C1D2-1平面四杆机构的基本型式和特性\n3.死点位置曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，当连杆与曲柄两次共线时，理论上：γ＝00（即α＝900）Fγ=0Fγ=0此时机构不能运动，称“死点位置”。概念“死点位置”不利于机构运动，需设法克服。如：利用飞轮惯性克服“死点位置”。平面四杆机构的基本型式和特性2-1克服方法\n工件ABCD1234P钻孔夹具飞机起落架利用机构的死点位置可实现夹紧功能。如：飞机起落架、钻夹具等。死点位置的利用ABCDFγ=0ABCD123工件4PABDCTγ=0平面四杆机构的基本型式和特性2-1\nl1l2l4l3C’B’AD一、整转副存在条件已知A为整转副。曲柄AB转一周，有两次与机架共线。由△B’C’D可得：l1+l4≤l2+l3——①§2－2铰链四杆机构整转副存在条件以曲柄摇杆机构为例。ADBC曲柄摇杆机构\n由△B”C”D可得：l2≤(l4–l1)+l3→l1+l2≤l3+l4——②l3≤(l4–l1)+l2→l1+l3≤l2+l4——③将以上三式两两相加得：l1≤l2，l1≤l3，l1≤l4l4-l1C”l1l2l4l3ADB’’铰链四杆机构整转副存在条件2-2\n结论：当满足杆长条件时，最短杆参与构成的转动副都是整转副。综上，得到整转副存在条件：最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和——杆长条件若取BC为机架，结论相同，即：铰链B也是整转副。ABCDl1l2l3l4铰链四杆机构整转副存在条件2-2\n当杆长条件满足时，说明存在整转副；此时选择不同的构件为机架，可得不同的机构。以最短杆邻边为机架—曲柄摇杆机构以最短杆为机架—双曲柄机构以最短杆对边为机架—双摇杆机构杆长条件不满足时，只能得到双摇杆机构。二、铰链四杆机构类型判断铰链四杆机构整转副存在条件2-2【举例】\n一、改变构件的形状和运动尺寸偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构正弦机构s=lsinφ↓∞→∞sφl§2－3铰链四杆机构的演化（有急回特性）\n二、改变运动副的尺寸三、选不同的构件为机架偏心轮机构导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构铰链四杆机构的演化2-3曲柄滑块机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构（有急回特性、α＝00）\n牛头刨床摆动导杆机构应用实例:ABDC1243C2C1铰链四杆机构的演化2-3\n应用实例B234C1A自卸卡车举升机构φ314A2BC曲柄滑块机构摇块机构314A2BCACB1234摇块机构铰链四杆机构的演化2-3\nBC3214A314A2BC直动滑杆机构应用实例：手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：机构倒置314A2BC曲柄滑块机构ABC3214铰链四杆机构的演化2-3\n椭圆仪机构例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构1234正弦机构3214铰链四杆机构的演化2-3\n两类主要设计问题①按照给定从动件运动规律（位移、速度、加速度）设计四杆机构；§2－4平面四杆机构的设计设计主要目的根据给定运动条件，确定机构类型和运动尺寸；有时还需满足辅助条件（如γmin）。②按照给定点的运动轨迹设计四杆机构。设计方法解析法、图解法、实验法。\nEφθθ一、按给定行程速比系数设计四杆机构1.曲柄摇杆机构900-θPC1C2D已知：摇杆长lCD，摆角φ、速比系数K。【基本步骤】：①计算θ；②作出摇杆极限位置；B1③作过C1、C2点、且圆周角为θ的圆；④选定A，作连线AC1、AC2；⑤求曲柄长lAB=(AC1－AC2)/2；⑥得到机构一位置AB1C1D，及各杆尺寸。A平面四杆机构的设计2-4\nψ=θC2.摆动导杆机构摆动导杆机构θ=ψ；设计此机构时，仅需要确定曲柄a。①计算θ=180°(K-1)/(K+1)；②选定C点，作出导杆两个极限位置；③作角平分线，取A点，使AC=d；θψ=θAd已知：机架长度d、速比系数K。【基本步骤】：B1④以A为圆心作一与导杆两极限位置相切的圆，得切点B1，AB1=a。平面四杆机构的设计2-4AC\nE2θ2ae3.偏置曲柄滑块机构H已知速比系数K、滑块行程H、偏距e。①计算θ；②作C1C2=H；③作一过C1、C2点、且圆心角为2θ的圆O；④根据偏距e在圆周上确定A点；⑥AB2C2即为所求机构。⑤连AC1、AC2，lAB=(AC2-AC1)/2；C1C290°-θO90°-θ【基本步骤】：B2A平面四杆机构的设计2-4\n二、按给定连杆位置设计四杆机构1.给定连杆两个位置该条件下有唯一解。B2C2AD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。2.给定连杆上铰链BC的三个位置该条件下有无穷多解。A’D’B2C2ADB1C1B1C1B3C3平面四杆机构的设计2-4\nxyABCD1234三、给定两连架杆对应位置设计四杆机构设连架杆3和1满足以下位置关系：ψi＝f(φi)，i=1,2,3,…,nδφψl1l2l3l4建立直角坐标系。设构件长度为：l1、l2、l3、l4在x、y轴上分别投影，可得：设计此四杆机构（求各构件长度）。四个构件构成封闭的矢量多边形，可得：平面四杆机构的设计2-4\n消去未知量δ：令：机构运动取决于各杆相对长度，可令l1=1。平面四杆机构的设计2-4\n化简得：上式含三个未知量。当给定两个连架杆三组对应位置时，有唯一解；当给定两个连架杆两组对应位置时，有无穷解；当给定两个连架杆对应位置超过三组时，无精确解。平面四杆机构的设计2-4\n铰链四杆机构整转副存在条件2-2（1）AD取何值时分别得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构？（2）设AD=210mm。计算该机构的极位夹角θ、行程速比系数K和最小传动角γmin。已知一铰链四杆机构，AD为机架，AB和CD为连架杆、BC为连杆，其中三杆长度已知。试求：ABCD90200150\n铰链四杆机构整转副存在条件2-2（1）解：该机构为曲柄摇杆机构时，AB必为最短杆。分两种情况讨论。①AD不是最长杆时，应有：AB+BC≤CD+AD→AD≥AB+BC-CDAD≥90+200-150=140→140≤AD≤200②AD为最长杆时，应有：AB+AD≤BC+CD→AD≤BC+CD-ABAD≤200+150-90=260→200≤AD≤260∴140mm≤AD≤260mm时，为曲柄摇杆机构。ABCD90200150\n铰链四杆机构整转副存在条件2-2ABCD90200150该机构为双曲柄机构时，AD必为最短杆，而BC则为最长杆。此时应有：AD+BC≤AB+CD→AD≤AB+CD-BCAD≤90+150-200=40∴0