第三章连杆机构分析和设计 通过前面章节的学习,我们已经知道:日常生活中见到的机器,虽然千差万别 让人眼花缭乱,但他们无非是由联接件、传动件、轴系件等零件和一些机构组成。 (如作为交通工具:自行车、汽车、火车、飞机、轮船、坦克等 机床:车床、铣床、刨床、钻床、磨床、镗床和铰床等 且常:手表、纫机、玩具等 联接件:螺纹、键、销、铆、焊、胶、过盈等 传动件:带、链、齿轮、蜗杆、螺旋等 通用零件 轴系件:轴、轴承、联轴器、离合器、制动器等 零件 其他件:弹簧、箱体、变速器等 专用零件:曲轴、活塞、连杆、导轨、叶轮等 从另一个角度看,这些机械设备无非是由各种机构组成,组成机器的常见的机 构有 连杆机构:折叠伞、公共汽车车门开闭机构、机器人、飞机起落架等 凸轮机构:内燃机配汽机构等自动、半自动生产线上应用广泛 齿轮机构:汽车减速箱、车床变速箱、电脑光驱等 机构 棘轮机构:开关、钟表等 间歇运动机构 植轮机构:电影放映机的间歇卷片机构等 其他机构螺旋机构:千斤顶、扳手、螺旋测微器、车床进刀机构等 带传动机构:压面机、车床、拖拉机等 链传动机构:自行车、有些摩托车等 我们在中学学过《庖丁解牛》这篇文章,庖丁可以做到目无全牛,他看到的只 是肌肉,骨骼等。用生物观点说就是运动系统、消化系统、呼吸系统、循环系统 泌尿、内分泌、生殖和神经系统等,虽然每个牛形态各异,但这八大系统都大同小 异 我们知道机械设备无非是由联接件、传动间、轴系件以及由齿轮机构、螺旋机 构、连杆机构、凸轮机构等组成。对这些基本机构知道以后,我们对各种机械设备 的认识也就可以做到游刃有余了。 在这些基本机构中,齿轮机构,螺旋机构我们已经学过了。下面我们学习连杆 机构和凸轮机构以及间歇运动机构。 第三章-27
第三章— 27 第三章 连杆机构分析和设计 通过前面章节的学习，我们已经知道：日常生活中见到的机器，虽然千差万别, 让人眼花缭乱，但他们无非是由联接件、传动件、轴系件等零件和一些机构组成。 （如作为交通工具：自行车、汽车、火车、飞机、轮船、坦克等 机 床：车床、铣床、刨床、钻床、磨床、镗床和铰床等 日 常：手表、缝纫机、玩具等 联接件：螺纹、键、销、铆、焊、胶、过盈等 传动件：带、链、齿轮、蜗杆、螺旋等 通用零件 轴系件：轴、轴承、联轴器、离合器、制动器等 零件 其他件：弹簧、箱体、变速器等 专用零件：曲轴、活塞、连杆、导轨、叶轮等 从另一个角度看，这些机械设备无非是由各种机构组成，组成机器的常见的机 构有： 连杆机构：折叠伞、公共汽车车门开闭机构、机器人、飞机起落架等 凸轮机构：内燃机配汽机构等自动、半自动生产线上应用广泛 齿轮机构：汽车减速箱、车床变速箱、电脑光驱等 机构 棘轮机构：开关、钟表等 间歇运动机构 槽轮机构：电影放映机的间歇卷片机构等 其他机构 螺旋机构：千斤顶、扳手、螺旋测微器、车床进刀机构等 带传动机构：压面机、车床、拖拉机等 链传动机构：自行车、有些摩托车等 我们在中学学过ㄍ庖丁解牛》这篇文章，庖丁可以做到目无全牛，他看到的只 是肌肉，骨骼等。用生物观点说就是运动系统、消化系统、呼吸系统、循环系统、 泌尿、内分泌、生殖和神经系统等，虽然每个牛形态各异，但这八大系统都大同小 异。 我们知道机械设备无非是由联接件、传动间、轴系件以及由齿轮机构、螺旋机 构、连杆机构、凸轮机构等组成。对这些基本机构知道以后，我们对各种机械设备 的认识也就可以做到游刃有余了。 在这些基本机构中，齿轮机构，螺旋机构我们已经学过了。下面我们学习连杆 机构和凸轮机构以及间歇运动机构
首先学习平面连杆机构(平面低副机构) 3-1平面连杆机构的应用、类型及特点 (一)连杆机构应用非常广泛:各种机械和仪表,折叠伞的收放机构,公共汽 车车门开闭机构,人体假肢,手摇唧筒,牛头刨床工作部分,风扇摇头机构,机器 人等都是连杆机构 (二)连杆机构的分类:(所占空间位置 纹链四杆机构(含转动副的四杆机构) 四杆机构 平面连杆机构 曲柄滑块机构(含有移动副的四杆机构 多杆机构:如五杆机构。 连杆机构 空间连杆机构:机械手,机器人 在连杆机构中,其构件多呈杆状(连杆体),故常称为“杆”。连杆机构又常 根据其所含的杆的个数而命名(如四杆机构,五杆机构)。 平面四杄机构结构最简单,应用又最广泛,且为多杆机构的基础。因此,我们 在此重点学习 平面四杆机构的应用和类型:(展示一个四杆机构)手画图 (一)基本概念: 机架:相对固定不动的杆,或称为静件。 连架杆:与机架相连的杆,或称臂
第三章— 28 首先学习平面连杆机构（平面低副机构） 3-1 平面连杆机构的应用、类型及特点 （一）连杆机构应用非常广泛：各种机械和仪表，折叠伞的收放机构，公共汽 车车门开闭机构，人体假肢，手摇唧筒，牛头刨床工作部分，风扇摇头机构，机器 人等都是连杆机构。 （二）连杆机构的分类：（所占空间位置） 绞链四杆机构（含转动副的四杆机构） 四杆机构 平面连杆机构 曲柄滑块机构（含有移动副的四杆机构） 多杆机构：如五杆机构。 连杆机构 空间连杆机构：机械手，机器人。 在连杆机构中，其构件多呈杆状（连杆体），故 常 称为“ 杆”。连杆机构又常 根据其所含的杆的个数而命名（如四杆机构，五杆机构）。 平面四杆机构结构最简单，应 用又最广泛，且为多杆机构的基础。因此，我们 在此重点学习： 一. 平面四杆机构的应用和类型：（展示一个四杆机构）手画图。 (一)基本概念： 机 架：相对固定不动的杆，或称为静件。 连架杆：与机架相连的杆，或称臂
曲柄:能作薹周回转的连架枉。 摇杆:只能在一定的范围内摆动的连架枉 连杆:不和机架直接相连的杆件。 连杆机构:具有连杆的机构统称为连杆机构 (二)铰链四杆机构:(含转动副的四杆机构——四杆机构最基本的型式) 根据连架杆运动形式的不同分类 各杆长度不同,机架的选取不同,可形成不同的四杆机构。 曲柄摇杆机构:应用广 双曲柄机构: 双摇杆机构 1.曲柄摇杆机构:在四杆机构中,曲柄和摇杆同时存在的机构 ①应用举例:A破碎机的颚式破碎机构。(图3-5) B.雷达天线的俯仰机构。(图3-6) C砂轮机的驱动机构,继纫机驱动机构(踏板机构)。(图3-2) D.搅拌机的搅拌机构。(图3-7) E.影片机构(有些电影放映机):抓片爪插入影片孔拨动影片往 下移动一幅 ②运动转化: 曲柄主动:曲柄整周回转→摇杆往复摆动 摇杆主动:摇杆往复摆动→曲柄做圆周运动 2.双曲柄机构在四杆机构中除机架和连杆外,其余两构件均为曲柄。 ①应用举例:A.摄影平台升降机构(P图3-10平行四边形机构)
第三章— 29 曲柄：能作整周回转的连架杆。 摇杆：只能在一定的范围内摆动的连架杆。 连杆：不和机架直接相连的杆件。 连杆机构：具有连杆的机构统称为连杆机构。 (二)铰链四杆机构：（含转动副的四杆机构——四杆机构最基本的型式） 根据连架杆运动形式的不同分类 各杆长度不同，机架的选取不同，可形成不同的四杆机构。 曲柄摇杆机构：应用广 双曲柄机构： 双摇杆机构： 1.曲柄摇杆机构：在四杆机构中，曲柄和摇杆同时存在的机构。 ①应用举例：A.破碎机的颚式破碎机构。（图 3-5） B.雷达天线的俯仰机构。（图 3-6） C.砂轮机的驱动机构，缝纫机驱动机构（踏板机构）。（图 3-2） D.搅拌机的搅拌机构。（图 3-7） E．影片机构(有些电影放映机):抓片爪插入影片孔,拨动影片往 下移动一幅。 ②运动转化: 曲柄主动:曲柄整周回转→摇杆往复摆动 摇杆主动:摇杆往复摆动→曲柄做圆周运动 2.双曲柄机构:在四杆机构中,除机架和连杆外,其余两构件均为曲柄。 ①应用举例:A.摄影平台升降机构(P27 图 3-10 平行四边形机构)
B.惯性筛。(P2,图3-8平行四边形机构,双曲柄机构 C.机车车轮联动机钩。(图3-10) D.车门开闭机构。(反平行四边机构) E.天平。(天平盘保持水平) ②运动转变:匀速转动→急回特性的运动 D = 3.双摇杆机构 ①应用举例:A.翻台式造型机 B.鹤式起重机的变幅机构.(P图3-12). C.汽车前轮转向操纵机构。(等腰梯形机构) 近似纯滚动,减磨。(Pa.图3-13) D.风扇摇头机构 ②运动转变:一种摆动→另一种摆动(角速度不等) (三)含有移动副的四杆机构 曲柄滑块机构 第三章一30
第三章— 30 B.惯性筛。(P26. 图 3-8 平行四边形机构，双曲柄机构). C.机车车轮联动机钩。（图 3-10） D.车门开闭机构。(反平行四边机构) E.天平。(天平盘保持水平) ②运动转变:匀速转动→急回特性的运动. 3.双摇杆机构: ①应用举例: A.翻台式造型机. B.鹤式起重机的变幅机构.(P7.图 3-12). C.汽车前轮转向操纵机构。(等腰梯形机构) 近似纯滚动，减磨。（P27.图 3-13） D.风扇摇头机构. ②运动转变:一种摆动→另一种摆动(角速度不等). (三) 含有移动副的四杆机构: 曲柄滑块机构
导杆机构 正弦机构 正切机构 1.曲柄滑块机构 1>演化过程:回转副→移动副 对心曲柄滑块机构:图3-14b)S=2x 偏置曲柄滑块机构:图3-14a) 2>组成:机架(导杆)、曲柄、滑块、连杆。 3)运动转化:曲柄主动整周连续转动→往复直线运动如:压力机 滑块主动:整周连续转动←往复直线运动如:内燃机 4>应用:①内燃机,蒸汽机空气压缩机。 ②曲柄压力机Q冲床)。 B曲轴齿轮 2.导杆机构:连架杆对滑块运动起导向作用 摆动导杆机构 转动(回转)导杆机构 A B 3.正弦机构(双滑块机构):(P图3-15或P30图3-22a)
第三章— 31 导杆机构 正弦机构 正切机构 1. 曲柄滑块机构 1>演化过程:回转副→移动副 对心曲柄滑块机构：图 3-14 b) S=2r 偏置曲柄滑块机构 :图 3-14 a) 2>组成:机架(导杆)、曲柄、滑块、连杆。 3>运动转化:曲柄主动:整周连续转动→往复直线运动 如：压力机 滑块主动:整周连续转动←往复直线运动 如：内燃机 4>应用: ○1 内燃机,蒸汽机,空气压缩机。 ○2 曲柄压力机(冲床)。 2.导杆机构:连架杆对滑块运动起导向作用. 摆动 导杆机构 转动(回转)导杆机构 3.正弦机构(双滑块机构): （P28图 3-15 或 P3 0 图 3-22a ）
h=Lsin→ 用于仪表和计算装置中(如印刷机械、机床、纺织机械等) 如缝纫机中针杆机构,机床变速箱操纵机构 4.正切机构 二.平面连杆机构的优缺点: 1.优点 1>承载能力大,易润滑,摩擦小:低副→面接触(柱面或平面)→寿命长 2〉易制造:凸轮难制 3〉自身能实现力的封闭:不象凸轮要弹簧等配件 4>能实现多种运动规律和运动轨迹 2缺点: 1>惯性力难平衡(低速),动载荷 2〉设计复杂。 3〉积累误差(空隙),效率低。 要扬长避短。 [3-2铰链四杆机构有曲柄的条件 转动副A为周转副的条件: 机架 曲柄 连架杆摇杆
第三章— 32 h=Lsin 用于仪表和计算装置中(如印刷机械、机床、纺织机械等) 如缝纫机中针杆机构,机床变速箱操纵机构. 4.正切机构: h = l tan 二. 平面连杆机构的优缺点: 1.优点: 1> 承载能力大,易润滑,摩擦小:低副→面接触(柱面或平面) →寿命长 2> 易制造: 凸轮难制 3> 自身能实现力的封闭:不象凸轮要弹簧等配件 4> 能实现多种运动规律和运动轨迹. 2 缺点: 1> 惯性力难平衡(低速),动载荷。 2> 设计复杂。 3> 积累误差(空隙),效率低。 要扬长避短。 3—2 铰链四杆机构有曲柄的条件 一.转动副 A 为周转副的条件： 机架 曲柄 连架杆 摇杆
曲柄摇杆机构:有曲柄,1个 铰链四杆机构双曲柄机构:有曲柄,2个 双摇杆机构:无曲柄 三种形式区别的关键:有无曲柄的存在和曲柄的数量 如图,假设 AB=8 BC=b AD=d A为周转副(AB杆相对与AD杆能作整周回转)的条件: A为周转副=>AB线与AD共线 AB能转至AB位置:在△CBD中,B'D≤BC+CD BCb≤d-a+c a+b≤d+c c≤d-a+b a+c≤d+b 即AB为最短杆 a≤d 综上所述:A为周转副的条件: 1杆长条件:最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆的长度之和。 a+d≤b+c a+b≤d+c a+c≤db 2.最短杆条件:组成该周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆。 引深:(1)四杆机构中,当满足杆长条件时,其最短杆参与构成的转动 副都是周转副。 Here A、B是;C、D不是 (2)平行四边形机构,不论取何杆为机架,均为双曲柄机构。 铰链四杆机构有曲柄的条件: 1.杆长条件。 2.最短杆为连架杆或机架。 推论(判断铰链四杆机构的类型的方法) 1.不满足杆长条件,无论取何杆为机架,均为:双摇杆机构。 2.满足杆件条件,若取量短杆为连架杆时:曲柄摇杆机构
第三章— 33 曲柄摇杆机构：有曲柄，1 个 铰链四杆机构 双曲柄机构： 有曲柄，2 个 双摇杆机构： 无曲柄 三种形式区别的关键：有无曲柄的存在和曲柄的数量 如图，假设： AB=a BC=b CD=c AD=d A 为周转副（AB 杆相对与 AD 杆能作整周回转）的条件： A 为周转副==>AB 线与 AD 共线 AB 能转至 AB 位置：在△ CBD 中, BD ≤ BC + CD ==> BC BD+CD AB 能转至 AB 位置：在△ CBD 中, CD BD+ BC a+d≤b+c a+d≤b+c ==> b≤d-a+c ==> a+b≤d+c c≤d-a+b a+c≤d + b a≤b ==> a≤c 即 AB 为最短杆 a≤d 综上所述：A 为周转副的条件： 1.杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆的长度之和。 a+d≤b+c ∵ a+b≤d+c a+c≤d+b 2. 最短杆条件：组成该周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆。 引深：（1）四杆机构中，当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动 副都是周转副。Here A、B 是; C、D 不是 （2）平行四边形机构，不论取何杆为机架，均为双曲柄机构。 二．铰链四杆机构有曲柄的条件： 1．杆长条件。 2．最短杆为连架杆或机架。 三．推论（判断铰链四杆机构的类型的方法） 1．不满足杆长条件，无论取何杆为机架，均为：双摇杆机构。 2．满足杆件条件，若取最短杆为连架杆 ．．．时：曲柄摇杆机构
满足杆件条件,若取量短杆为连杆时:双摇杆机构。 满足杆件条件,若取最短杆为机架时:双曲柄机构 举例:若以图示铰链四杆机构的1、2、3、4依次作为机架时,可分别得 到什么机构? 20 1作机架:双曲柄机构 2作机架:曲柄摇杆机构 3作机架:双摇杆机构 4作机架:曲柄摇杆机构 实用: 破碎机的鄂式破碎机构 曲柄摇杆机构 搅拌机的搅拌机构 摄影平台的升降机构 双曲柄机构 机车车轮联动机构 翻台式造型机 双摇杆机构 电风扇的摇头机构 娲蜗轮 XB 风壁电机/蜗杆
第三章— 34 满足杆件条件，若取最短杆为连杆．．时：双摇杆机构。 满足杆件条件，若取最短杆为机架．．时：双曲柄机构。 举例：若以图示铰链四杆机构的 1、2、3、4 依次作为机架时，可分别得 到什么机构? 1 作机架：双曲柄机构 2 作机架：曲柄摇杆机构 3 作机架：双摇杆机构 4 作机架：曲柄摇杆机构 实用： 破碎机的鄂式破碎机构 曲柄摇杆机构 搅拌机的搅拌机构 摄影平台的升降机构 双曲柄机构 机车车轮联动机构 翻台式造型机 双摇杆机构 电风扇的摇头机构
四铰链四杆机构的压力角和传动角 为劲离态好 力角 度方向 理想状态(fG,a惯性力均不考虑) 力传递:AB→BC→C→传给CDP P分解为P1速度方向有效分力)P=Posa= Psin Y PaDC方向 压力角a:力的方向与速度方向之间所夹的锐角 a越小越好 传动角Y:压力角的余角称为传动角Y(锐角)。y=90a。 有效分力P= psnr P ∴γ↑→P,P↓→传动越有利。 Ymin:通常:ymin≥40°,具体设计铰链四杆机构时,一定要检验 大力时:ymin≥50° 当∠BCD≤90°时,y=∠BCD ∠BCD=8→y=8(8≤90) ∠BCD>9时,y=1800∠BCD Y=180-8(8>90° P.(图3-26) 在△ABD和△BDC中, BD=a+ d-2adcot
第三章— 35 四.铰链四杆机构的压力角和传动角. 理想状态(f,G,a 惯性力均不考虑) 力传递:AB→BC→C→传给 CD P P 分解为 Pt速度方向(有效分力) Pt=Pcosα=Psinγ Pn DC 方向 压力角α：力的方向与速度方向之间所夹的锐角。 α越小越好 传动角γ: 压力角的余角称为传动角 γ（锐角）。γ=90o -α。 ∵有效分力 Pt=psinγ. Pn=pcosγ. ∴γ↑→Pt,Pn↓→传动越有利。 γmin：通常：γmin≥40 o ,具体设计铰链四杆机构时，一定要检验。 大力时：γmin≥50o 当∠BCD≤90o时，γ=∠BCD ∠BCD=δ→γ=δ（δ≤90o ） ∠BCD>90o时，γ=180o -∠BCD γ=180o -δ（δ>90o） P3 3.( 图 3-26 ) 在△ABD 和△BDC 中， BD2 =a 2 + d 2 -2adcosФ
BD=b+c2-2bccos 8 =>cos 8=( b+c-a-d+2adcos )/(2bc) 可见,δ与各杆长(Bb,c,d),原动件转角(Φ)有关 cos 8 min=[b+c(d-a)]/(2bc) =)1 cos 8 max=[b+c2-(G+)2]/(b 得[ymin=6min y"min=180-8 max 最小传动角大小:y'min,y"min中较小着 最小传动角位置:曲柄和机架共线时。(∵=0或Φ=180) 6一—连杆和摇杆的夹角 原动件的转角 Y一—传动角 a一—压力角 演化知: 曲柄滑块机构:曲柄主动时,ymin出现在曲柄两次垂直于滑块导路的瞬时位 置 对心:两次相等 偏置:不等。 §3-3平面四杆机构的演化型式 实际中多种连杆机构成←,四杆机构(满足实际要求) 扩大转动副: 当曲柄AB很短且传力较大时,可将其做成圆盘。几何中心与回转中心距AB
第三章— 36 BD2 =b2 + c 2 -2bccosδ ==> cosδ=( b 2 + c 2 -a 2 - d 2 +2adcosФ) /(2bc) 可见，δ与各杆长（a,b,c,d），原动件转角（Ф）有关 cosδmin= [ b 2 + c 2 -(d-a)2 ] ∕（2bc） ==> cosδmax= [ b 2 + c2 -(d+a)2 ] /（2bc） 得 min=δmin min=1800 -δmax 最小传动角大小： min , min 中较小者 最小传动角位置： 曲柄和机架共线时。(∵Φ=0o 或 Φ=180o ) δ——连杆和摇杆的夹角 Φ——原动件的转角 γ——传动角 α——压力角 演化知： 曲柄滑块机构：曲柄主动时，γmin 出现在曲柄两次垂直于滑块导路的瞬时位 置。 对心：两次相等。 偏置：不等。 §3—3 平面四杆机构的演化型式 实际中多种连杆机构成 演化⎯→ 四杆机构( 满足实际要求 ) 一. 扩大转动副： 当曲柄 AB 很短且传力较大时，可将其做成圆盘。几何中心与回转中心距 AB