《机械原理》教案——第4章 平面连杆机构.docx

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1、机械原理教案第四章平面连杆机构内容提要本章着重讨论机械中常见的平面四杆机构。首先介绍了平面四杆机构的基本型式及其演化方法，其次分析了平面四杆机构的运动特性和传力特性，最后介绍了平面四杆机构设计的图解法、解析法等。4.1概述连杆机构（Iinkagemechanism）是由若干刚性构件用低副联接所组成的机构，故又称为低副机构（IOWerPairmeChani$m）。在连杆机构中，若各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构（PlanarIinkagemeChaniSm）；若各运动构件不都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构（SPaliallinkagemech

2、anism）平面连杆机构的构件运动形式多样，可实现转动、摆动、移动和平面复杂运动，也可实现己知的运动规律及轨迹，因此平面连杆机构被广泛应用于各种机械和仪表中。如图4-1所示的铸造造型机砂箱翻转机构、图4-2所示的车门开闭机构、图4-3所示的搅拌机构等。平面连杆机构之所以应用如此广泛，因其具有以下显著的优点：（1）其运动副元素为面接触,压力较小，承载能力较大，且面接触便于润滑，磨损小；（2）由于两构件接触面是圆柱或平面，加工制造方便，且易获得较高的精度；（3）两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，不像其它机构有时需利用弹簧或其它措施的力封闭来保持接触，对保证工作的可靠性有利当然平面连杆机构

3、也存在一定的缺点：（1）一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；（2）当给定的运动要求较多或较复杂时，需增加构件或运动副，使机构结构复杂，积累误差增大，传动效率降低，膨响其传动的精度和效率；（3）平面连杆机构中作平面复杂运动和往复运动的构件所产生的惯性力往往难以平衡，在高速时易引起较大的振动和动载荷，故常用于速度较低的场合。近年来，随着连杆设计方法的发展，电子计算机的普及应用及相关设计软件的开发，连杆机构的研究取得了长足的发展，不再局限于单自由度四杆机构的研究，也注重对多杆多自由度连杆机构的研究，并提出了一些有关这类机构的分析及综合的方法。在设计要求上已不再局限于运动学

4、要求，而是同时兼顾机构的动力学特性，特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性动力学己得到很快的发展。在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并己相应地编制出大量的，适用范围广、计算耗时少、使用方便的通用软件。随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不易解决的复杂平面连杆机构的设计问题，正逐步得到解决。4.2平面四杆机构的基本形式在平面连杆机构中，结构最简单、应用最广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构都是在此基础上依次增加杆组扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。4.2.1较链四杆机构的组成所有运动副均为转动副的四杆机构称为较链四

5、杆机构，如图4-4所示，它是平面四杆机构的Sl 4-4较链四杆机构最基本型式，其它型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上通过演化而成。在此机构中，固定不动的构件2为机架，通过运动副A、D与机架直接相连的构件1、3称为连架杆(Sidelink),不直接与机架相连的构件4称为连杆。若组成转动副的两构件能作整周相对转动，则称此转动副为整转副(revolutepairofrevolvingmotion).如转动副A、:不能作整周相对运动的称为摆转副Irevolutepairofswingmotion),如转动副CD。与机架组成整转副，能作整周l三l转的连架杆称为曲柄(crank),如构件1:与机架组

6、成摆转副，仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆称为摇杆（rocker）,如构件3。4.2.2跤链四杆机构的基本型式较链四杆机构可按两连架杆运动形式它分为3种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。1.曲柄摇杆机构在校链四杆机构中，若两连架杆中的一杆为曲柄，另一杆为摇杆，则称该四杆机构为曲柄摇杆机构（Crank-rockermechanism）,如图4-5a所示。曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动；若以摇杆为原动件，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动。此种机构广泛地应用于各种机械中，如图4-6所示的雷达天线俯仰搜索机构（曲柄1转动时,可带动摇杆3摆动

7、以调整雷达天线仰角），图4-7所示的缝纫机踏板机构（摇杆3摆动时，可带动曲柄1整周三1转）。如图4-5b所示的较链四杆机构中，两个连架杆相对机架作整周的l三l转运动，均为曲柄，此机构称为双曲柄机构（double-crankmechanism）在双曲柄机构中，主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般作变速转动。如图4-8所示的惯性筛机构，当主动曲柄1等速B转时，从动曲柄3变速问转，使筛子6具有较大变化的加速度，从而利用加速度所产生的惯性力，达到筛分物料的目的。图4-8惯性筛机构图4-9平行四边形机构在双曲柄机构中，若相对两构件长度相等且平行(如图4-9所示)，则称为平行四边形机构(parallel-

8、crankmechanism).这种机构的特点是两曲柄均以相同的角速度转动，连杆作平行移动。但在平行四边形机构中，有一个位置不确定的问题，如图4-10所示，当主动曲柄运动到82位置时，从动曲柄可有两个位置C2和C2。为解决此问题，通常采用两种方法：一是在从动曲柄上加装一个惯性较大的轮子，利用惯性维持从动曲柄转向不变；二是通过虚约束使机构保持平行四边形，避免机构运动位置的不确定问题，如4-11所示的机车车轮联动的平行四边形机构。图4-11机车车轮联动的平行四边形机构如图4-12所示的双曲柄机构，两曲柄长度相同，连杆与机架不平行，主、从动曲柄转向相反，故称为反平行四边形机构(antiparalle

9、l-crankmechanism).图4-2所示的车门开闭机构即为其应用实例，它利用反平行四边形机构运动时，两曲柄转向相反的特性，达到两扇车门同时敞开或关闭的目的。3.双摇杆机构如图4-5c所示的较链四杆机构，两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构(double-rockermechanism).它可把一个摇杆的摆动转变为另一个摇杆的摆动。如图4-13所示的鹤式起重机中的四杆机构ABCn即为双摇杆机构，当主动摇杆AB摆动时，从动摇杆CD随之摆动，位于连杆BC延长线上的重物悬挂点E将沿近似水平直线移动。在双摇杆机构中，若两摇杆的长度相等，则称为等腰梯形机构。如图4-14所示的汽车前轮转向机构中的四杆

10、机构ABCD即为等腰梯形机构“4.3平面四杆机构的演化较链四杆机构的三种基本型式远远满足不了实际工作机械的需要，在工程实际中还广泛应用着多种不同外形、构造和特性的其它四杆机构。这些四杆机构可以看作是由较链四杆机构的基本形式通过不同方式演化而来的。机构的演化不但能满足运动方面的要求，而旦也改善机构受力状况以及满足结构设计上的需要等。各种演化机构的外形虽然各不相同，但他们的性质以及分析和设计方法却常常是相同的或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。下面对各种演化方法及其应用举例加以介绍。4.3.1将转动副转化为移动副这种方法是通过改变构件的形状和相对尺寸，把转动副转化为移动副，从而形成滑块机构。

11、如图4-15a所示曲柄摇杆机构中，当曲柄1转动时，摇杆3上C点的运动轨迹是以0为圆心，半径为CO的圆弧月-夕。现将摇杆3做成滑块形状，使它在一个弧形导槽中运动，弧形导槽的中心线与圆弧力-/重合，显然其运动性质不发生改变，但此时较链四杆机构演变成为具有曲线导轨的曲柄滑块机构，如图4-15b所示。若将圆弧/-/的中心0移至无穷远处，则C点的运动轨迹就变为直线，弧形导槽相应地变为直线导槽，如图4-16a所示，这样一个曲柄摇杆机构就演化成为一个曲柄滑块机构(Slide-Crankmechanism)o曲柄回转中心到导槽中心线之间的距离e称为偏距。当eHO时，称为偏置曲柄滑块机构(offsetslide

12、-crankmechanism).如图4-16a所示；当e=0时，称为对心曲柄滑块机构(centricslide-crankmechanism).如图4-16b所示。冲床、内燃机、空压机等机器中广泛应用曲柄滑块机构“图4-16曲柄滑块机构4.3.2取不同构件为机架这种方法是通过取不同的构件为机架，得到不同的四杆机构。1.变化较链四杆机构的机架以低副相连接的两构件之间的相对运动关系，不因选取其中哪一个构件为机架而改变，这一性质称低副运动的可逆性。如图4-17a所示的曲柄摇杆机构，运动副A、8为整转副，运动副C、0为摆转副。根据低副运动的可逆性，若选构件1为机架，则得双曲柄机构，如图4-17b所示

13、；若选构件2为机架，则得另一个曲柄摇杆机构，如图4-17C所示；若选构件3为机架，则得双摇杆机构，如图4-l7d所示。fb)(c：图4-17曲柄摇杆机构的演化2.变化单移动副机构的机架如图4-18a所示的对心曲柄滑块机构，若选机构中不同构件为机架时，便可以得到具有一个移动副的不同的四杆机构。如图4-18b所示，当取构件1为机架时，构件2、4就成为连架杆，它们分别以8、A为Pl转中心作整周转动，而构件3则以构件4为导轨沿其相对移动。由于构件4是滑块3的导轨，故又称构件4为导杆(guidebar),若导杆作整周转动，则称该机构为转动导杆机构(rotatingguide-barmechanism)；

14、若导杆做非整周转动，则称该机构为摆动导杆(swingguide-barmechanism).图4-19a所示的小型刨床中的ABC部分即为转动导杆机构；图4-19b所示牛头刨床的导杆机构ABC即为摆动导杆机构。图4-19曲柄滑块演化机构示例3.变化双移动副机构的机架对于具有两个移动副的四杆机构，取不同构件为机架时，也可得到不同形式的四杆机构。如图4-2Oa所示的具有两个移动副的四杆机构中，取滑块2作为机架时，从动件4的位移与 原动件1的转角(构件I与构件2导轨方向的夹角)的正弦成正比关系，故称之为正弦机构 (scotch-yoke mechanism)这种机构在印刷机械、纺织机械、机床及仪表中均

15、得到广泛应用，如图4-18C所示，当取构件2为机架时，构件1和滑块3与机架相连，构件I作整周回转运 动，而滑块3仅能绕机架上的校链点摆动，故称其为曲柄摇块机构(Crank and swing slider mechanism).图4-19c所示的自卸汽车卸料机构即为曲柄摇块机构。如图4-18d所示，当取滑块3为机架，构件2和4与机架相连，构件4沿机架移动，这时机 构就演变成为移动导杆机构(translating guide-bar mechanism).图4-19d所示的手压抽水机即为 移动导杆机构。(c)自卸汽车卸料机构(a)曲柄滑块机构(a)小型刨床(b)牛头刨床(d)手压抽水机图4-18

16、曲柄滑块机构的演化(b)转动导杆机构(c)曲柄摇块机构(d)移动导杆机构例如机床变速箱操纵机构、缝纫机中针杆机构。如图4-2Ob所示若取构件3作为机架，则演化成双滑块机构(double-slidermechanism)。运动时，构件1上除A、B点及中点外，所有点的运动轨迹都是椭圆，故常应用它作椭圆仪。如图4-2OC所示若取构件I为机架，则演化成双转块机构(double-swing-slidermechanism),它常用作两距离很小的平行轴的联轴器，如十字滑块联轴器。B ； 2(a)正弦机构图4-20含有两个移动副的四杆机构4.3.3扩大转动副尺寸如图4-21a所示的曲柄滑块机构，当曲柄的尺寸很小时，由于结构