复旦机械设计基础课件02平面连杆机构

第二章平面连杆机构2.1概述2.2铰链四杆机构的基本类型和特性2.3铰链四杆机构曲柄存在条件2.4铰链四杆机构的演化2.5平面四杆机构的设计2.6平面多杆机构简介2.1概述平面连杆机构是由若干刚性构件用低副联接而成的平面机构，故又称为平面低副机构。特点：•构件运动形式多样；•低副面接触的结构使其具有磨损减小，制造方便，几何封闭的优点；•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；•运动中惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。2.2铰链四杆机构的基本类型和特性所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。2.2.1曲柄摇杆机构2.2.2双曲柄机构2.2.3双摇杆机构2.2.1曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄1为原动件，并作匀速转动；而摇杆3为从动件，作变速往复摆动。曲柄摇杆机构的主要特性：•急回特性•死点位置•压力角和传动角1.急回运动当曲柄由位置AB1顺时针转到位置AB2时，曲柄转角φ1＝180°＋θ，这时摇杆由左极限位置C1D摆到右极限位置C2D，摇杆摆角为ψ；而当曲柄顺时针再转过角度φ2＝180°－θ时，摇杆由位置C2D摆回到位置C1D，其摆角仍然是ψ。虽然摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角不等（φ1＞φ2）；当曲柄匀速转动时，对应的时间也不等（t1＞t2）,从而反映了摇杆往复摆动的快慢不同。令摇杆C1D摆至C2D为工作行程，这时铰链C的平均速度是υ1＝C1C2/t1；摇杆自C2D摆回至C1D是其空回行程，这时C点的平均速度是υ2＝C1C2／t2，则显然有υ1＜υ2，它表明摇杆具有急回运动的特性。牛头刨床、往复式运输机等机械就利用这种急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。急回运动特性可用行程速比系数K来表示，即式中θ为摆杆处于两极限位置时曲柄所夹的锐角，称为极位夹角。上式表明：极位夹角θ越大，K值越大，急回运动的性质也越显著。将上式整理后，可得极位夹角的计算公式设计新机械时，总是根据该机械的急回要求先给出K值，然后由式上算出极位夹角θ，再确定各构件的尺寸。例如对于如图所示的曲柄摇杆机构，如以摇杆3为原动件，而曲柄1为从动件出当摇杆摆到极限位置C1D和C2D时，连杆2与曲柄1共线。若不计各杆的质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心A。此力对A点不产生力矩，因此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定现象。为了消除死点位置的不良影响，可以对从动曲柄施加外力，或利用飞轮及构件自身的惯性作有,使机构顺利通过死点位置。2.死点位置在生产中，不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律，而且希望运转轻便，效率较高。下图所示的曲柄摇杆机构，如不计各杆质量和运动副中的摩擦，则连杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆3上的力P是沿BC方向的。作用在从动件上的驱动力P与该力作用点绝对速度υc之间所夹的锐角α称为压力角。由图可见，力P在υc方向的有效分力为Pt＝Pcosα,即压力角越小，有效分力就越大。也就是说，压力角可作为判断机构传动性能的标志。在连杆设计中，为了度量方便，习惯用压力角α的余角γ（即连杆和从动摇杆之间所夹的锐角）来判断传力性能，γ称为传动角。因γ＝90°－α，所以α越小，γ越大，机构传力性能越好；反之，α越大，γ越小，机构传力越费劲，传动效率越低。机构运转时，传动角是变化的，为了保证机构正常工作，必须规定最小传动角γmin的下限。对于一般工，通常取γmin≥40°；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，最小传动角应当取大一些，可取γmin≥50°；对于小功率的控制机构和仪表，γmin可略小于40°。3.压力角和传动角置2.2.2双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。上图α）所示为旋转式水泵。它由相位依次相差90°的四个双曲柄机构组成。图b）是其中一个双曲柄机构的运动简图。当原动曲柄1等角速顺时针转动时，连杆2带动从动曲柄3作周期性变速转动，因此相邻两从动曲柄（隔板）间的夹角也周期性地变化。转到右边时，相邻二隔板间的夹角及容积增大，形成真空，于是从进水口吸水；转到左边时，相邻二隔板的夹角及容积变小，压力升高，从出水口排水，从而起到泵水的作用。双曲柄机构中，用得最多的是平行双曲柄机构，或称平行四边形机构，如上图所示。两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。两摇杆长度相等的双摇杆机构，称为等腰梯形机构。2.3铰链四杆机构曲柄存在条件链四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构各杆的相对长度和机架的选择。首先，让我们对存在一个曲柄的铰链四杆机构（曲柄摇杆机构）进行分析。如图2－13所示的机构中，杆1为曲柄，杆2为连杆，杆3为摇杆，杆4为机架，各杆长度以L1、L2、L3、L4表示。为了保证曲柄1整周回转，曲柄1必须能顺利通过与机架4共线的两个位置AB’和AB”。当曲柄处于AB、位置时，形成三角形B’C’D。根据三角形任意两边之和必大于（极限情况下等于）第三边的定理可得即：当各杆长度不变（满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和）而取不同杆为机架时，可以得到不同类型的铰链四杆机构：曲柄存在的必要条件：（1）在曲柄摇杆机构中，曲柄是最短杆；（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。不同类型的铰链四杆机构当各杆长度不变（满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和）而取不同杆为机架时，可以得到不同类型的铰链四杆机构：（1）取最短杆相邻的构件（杆4或杆2）为机架，最短杆1为曲柄，而另一连架杆3为摇杆，故如图，α所示的两个机构均为曲柄摇杆机构。（2）取最短杆为机架，其连架杆2和4均为曲柄，故如图，b所示为双曲柄机构。（3）取最短杆的对边（杆3）为机架，则两连架杆2和4都不能整周转动，故如图，c所示为双摇杆机构。（4）如果铰链四杆机构中的最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则该机构中不可能存在曲柄，无论取哪个构件作为机架，都只能得到双摇杆机构。由上述分析可知，最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和是铰链四杆机构存在曲柄的必要条件。满足这个条件的机构究竟有一个曲柄、两个曲柄或没有曲柄，还需根据取何杆为机架来判断。L1＝L3，L2＝L4的平行四边形机构，不论取任何一杆作机架，都是双曲柄机构。这是一个特例。2.4铰链四杆机构的演化铰链四杆机构通过用移动副取代转动副、变更杆件长度、变更机架和扩大回转等途径，还可以得到铰链四杆机构的其他演化型式。2.4.1曲柄滑块机构2.4.2导杆机构2.4.3摇块机构和定块机构2.4.4双滑块机构2.4.5偏心轮机构2.4.1曲柄滑块机构如上图α所示的曲柄摇杆机构，铰链中心C的轨迹为以D为圆心和L3为半径的圆弧m－m.。若L3增至无穷大，则如图b所示，C点轨迹变成直线，即演变成曲柄滑块机构。对于曲柄滑块轨迹m－m的延长线与回转中心A之间存在偏距e（图d），则称为偏置曲柄滑块机构。当曲柄等速转动时，偏置曲柄滑块机构可实现急回运动。曲柄滑块机构广泛应用活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。2.4.2导杆机构转动导杆机构通常取杆2为原动件。当L1＜L2时（图b），杆2和杆4均可整周回转，故称为转动导杆机构；导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固定件而演化来的。摆动导杆机构当L1＞L2时（如图），杆4只能往复摆动，故称为摆动导杆机构。由图可见，导杆机构的传动角始终等于90°，具有很好的传力性能，故常用于牛头刨床、插床和回转式油泵之中。2.4.3摇块机构和定块机构摇块机构在图a所示曲柄滑块机构中，若取杆2为固定件，即可得图c所示摆动滑块机构，或称摇块机构。这种机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中。定块机构在图a所示曲柄滑块机构中，若取杆3为固定件，即可得图d所示固定滑块机构，或称定块机构。这种机构常用于抽水唧筒和抽油泵中。2.4.4双滑块机构双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构。可以认为是铰链四杆机两杆长度趋于无穷大而演化成的。按照两个移动副所处位置的不同，可将双滑块机构分成四种型式。2.4.5偏心轮机构当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮广泛应用于传力较在的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械之中。图中a所示为偏心轮机构。杆1为圆盘，其几何中心为B。因运动时该圆盘绕偏心A转动，故偏心轮。A、B之间的距离e称为心距。按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图，如下图中b所示。由图可知，偏心轮是回转副B扩大到包括回转副A而形成的，偏心距e即是曲柄的长度。。2.5平面四杆机构的设计设计的基本问题•实现构件给定位置即要求连杆机构能引导构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。•实现已知运动规律即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要求，或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。•实现已知运动轨迹即要求连杆机构中做平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。•2.5.1按照给定的行程速比系数K设计四杆机构•2.5.2按给定连杆位置设计四杆机构•2.5.3按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构•2.5.4按照给定点的运动轨迹设计四杆机构2.5.1按照给定的行程速比系数K设计四杆机构在设计具有急回运动特性的四杆机构时，通常按实际需要先给定行程速比系数K值，然后根据机构在极限位置的几何关系，综合有关辅助条件来确定机构运动简图的尺寸参数。1．曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构设计的已知条件是：摇杆长度L3，摆角ψ和行程速比系数K。设计的实质是确定铰链中心A点的位置，定出其他三杆的尺寸L1、L2和L4。其设计步骤如下：（1）由给定的行程速比系数K，按式（2－2）求出极位夹角θ；（2）如图2－27所示，任选固定铰链中心D的位置，由摇杆长度L3和摆角ψ，作出摇杆两个极限位置C1D和C2D。（3）连接C1和C2，并作C1M垂直于C1C2。（4）作∠C1C2N=90=90°－θ，C2N与C1M相交于P点，由图可见，∠C1PC2=θ。（5）作△PC1C2的外接圆，此圆上任取一点A作为曲柄的固定铰链中心。连AC1和AC2，因同一圆弧的圆周角相等，故∠C1AC2＝∠C1PC2＝θ。（6）因极限位置处曲柄与连杆共线。故AC1＝L2＋L1，从而得曲柄长度L1＝（AC2－AC1）。再以A为圆心和L1为半径作圆，交C1A的延线于B1，交C2A于B2，即得B1C1＝B2C2＝L2及AD＝L4。由于A点是△C1PC2外接圆上任选的点，所以若仅按行程速比系数K设计，可得无穷多的解。A点位置不同，机构传动角的大小也不同。如欲获得良好的传动质量，可按照最小传动角最优或其他辅助条件来确定A点的位置。2.导杆机构导杆机构设计的已知条件：机架长度L4、行程速比系数K。由图2－28可知，导杆我的极位夹角θ等于导杆的摆角Ψ，所需确定的尺寸是曲柄长度L1。共设计步骤如下：（1）由已知行程速比系数K，按下式求得极位夹角θ（也即是摆角Ψ）2.5.2按给定连杆位置设计四杆机构今给定与翻台固联的连杆3的长度L3＝BC及其两个位置B1C1和B2C2，要求确定连架杆与机架组成的固定铰链中心A和D的位置，并求出其余三杆的长度L1、L2和L4。由于连杆3上B、C两点的轨迹分别为以A、D为圆心的圆弧，所以A、D必分别位于B1B2和C1C2的垂直平分线上。故可得设计步骤如下：（1）根据给定条件，绘出连杆3的两个位置B1C1和B2C2。（2）分别连接B1和B2、C1和C2，并作B1B2、C1C2的垂直平分线b12、c12。（3）由于A和D两点可在b12和c12,两直线上任意选取，故有无穷多解。在实际设计时还可以考虑其他辅助条件，例如最小传动角、各杆尺寸所允许的范围或其他结构上的要求等。本机构要求A、D两点在同一水平线上，且AD＝BC。根据这一附加条件，即