机械原理及设计 I 课件3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械工程学院机械设计系,第 三 章,平面连杆机构运动学分析与设计,Monday,March 16,2026,第三章 平面连杆机构运动学分析与设计,31,平面,连杆机构的,特点,和应用,32,平面,连杆机构的基本类型及应用,33,平面,连杆机构的,曲柄存在条件,34,平面连杆机构的一些基本特性,35,平面连杆机构的设计,36,平面五连杆机构,定义：,由低副连接刚性构件组成的机构,又称低副机构。,第一节,平面,连杆机构的特点和应用,一.,连杆机构的特点,优点：,采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损,形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,缺点：,构件和运动副多，累积误差大，运动精度和效率较低,。,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,二、平面连杆机构的应用：,内燃机、牛头刨床,、,机械手,爪,、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠椅等。,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,、,五杆机构,、,多杆机构,等。,产生动载荷（惯性力），不适合高速。,设计较复杂，难以实现精确的轨迹。,第二节,平面,连杆机构的类型和应用,一、铰链四杆机构的,基本类型及应用：,全部由转动副组成的平面四杆机构称为,铰链四杆机构,。,连架杆,与机架相联的构件,1、3,；,机架,固定不动的构件,4,；,连杆,连接两连架杆且,作平面运动的构件,2,；,曲柄,作整周定轴回转的构件,1,；,摇杆,作定轴摆动的构件,3,；,（一）,曲柄摇杆机构,特征：曲柄摇杆,作用：将曲柄的,整周回转,转,变为,摇杆的,往复摆动,。,雷达天线俯仰机构,（曲柄主动）,缝纫机踏板机构,（摇杆主动）,圆轨迹复制机构,（曲柄主动）,（二）,双曲柄机构,特征：两个曲柄,作用：将,等速回转,转变为,等速,或,变速,回转,。,惯性筛机构,机车车轮联动机构,特例：平行四边形机构,特征：,两连架杆等长且平行,，,连杆作平动。,AB=CD,BC=AD,摄影平台升降机构,反平行四边形机构,平行四边形机构存在,运动不确定,位置,。,可采用,两组机构错开排列,的方法予以克服,。,（三）,双摇杆机构,鹤式起重机,特例：等腰梯形机构,汽车转向,机构,自动翻斗机构,(一),扩大转动副,偏心轮机构,曲柄,滑块机构,二、铰链四杆机构的演化及其应用,应用：,颚式破碎机,偏心曲柄滑块机构,曲柄摇杆机构,（二）转动副转化为移动副,应用：,冲压机床,若将铰链四杆机构中,B,处和,D,处的运动副或,C,处和,D,处运动副分别改变为移动副，则可以分别得到正切机构（图,1.3.23,a）、,正弦机构（图,1.3.23,b）。,若将,B,、,C,处或,A,、,D,处运动副分别改为移动副，则可分别得到双转块机构（图,1.3.23,c）,和双滑块机构（图,1.3.23,d）。,将低副两运动副元素的包容关系进行逆换，不影响两构件之间的相对运动。,摆动,导杆机构,曲柄,摇块机构,(三),选不同的构件为机架,整转副,能作,360,相对回转的运动副；,摆转副,只,能作有限角度摆动的运动副。,曲柄摇杆机构,双摇,杆机构,双,曲柄,机构,曲柄滑块机构,转动,导杆机构,曲柄,摇块机构,移动,导杆机构,第三节,平面,连杆机构的,曲柄存在条件,平面,四杆机构,具有,整转副,则,可能,存在曲柄,。,设,l,1,l,4,，,可得：,l,4,l,1,l,4,l,2,l,4,l,3,即：,AD,为最短杆,连架杆之一或机架为,最短杆,。,曲柄存在的条件,:,（,Grashof,定理,）,最长杆与最短杆的长度之和,其他两杆长度之和,称为,杆长条件,。,此时，铰链,A、B,均,为,整转副,。,当满足杆长条件时，其最短杆上的转动副都是整转副,。,铰链四杆机构的类型及其判别条件,：,第四节,平面,连杆机构的,一些基本特性,一,.,平面连杆机构的急回特性及其在工程实际中,的应用,从动件作往复运动的平面连杆机构中，若从动件工作行程的平均速度小于回程的平均速度，则称该机构具有,急回特性,。,在,曲柄摇杆机构,中，当从动件（摇杆）位于两极限位置时，曲柄与连杆共线。此时,对应的主动曲柄之间所夹的锐角,叫作,极位夹角。,设曲柄以,逆时针匀速旋转。从,AB,1,转到,AB,2,，,转过,180+,时为,工作行程,，所花时间为,t,1,；,此时摇杆从,C,1,D,摆到,C,2,D，,平均速度为,V,1,则有：,曲柄从,AB,2,继续转过,180-,到,AB,1,时为,回程,，所花时间为,t,2,此时摇杆从,C,2,D,摆到,C,1,D,，,平均速度为,V,2,那么有,显然,t,1,t,2,V,2,V,1,即该机构具有,急回特性,而且,越大，,K,值越大，机构的急回性质越明显。,只要极位夹角,0,，,就有,K1,。,因此，可通过分析机构中是否存在,及其大小，来判断机构是否具有急回运动，以及急回的程度。,设计时往往先给定,K,值，再计算,，,即,为能定量描述急回运动，将回程平均速度,V,2,与工作行程平均速度,V,1,之比,定义为,行程速度变化系数,K,曲柄滑块机构,的急回特性分析,应用：牛头刨床机构即利用了回转导杆机构的急回特性，节省回程时间，提高生产率。,导杆机构,的急回特性分析,二,.,四杆机构的压力角和传动角,压力角,：,作用在,从动件,上的驱动力,F,与力作用点绝对速度之间所夹锐角,。,切向分力,F,t,=,Fcos,法向分力,F,n,=,Fcos,F,t,对传动有利,。,=,Fsin,常用,的大小来表示机构传力性能的好坏,称,为,传动角,。,是,的,余角。,当,BCD 90,时，,BCD,因此设计时一般要求,:,min,40。,当,BCD 90,时，,180-BCD,当,BCD,最小或最大时，即在,主动曲柄与机架共线的位置,，,都有可能出现,min,由于在机构运动过程中，,角是变化的，,min,出现的位置,：,曲柄滑块机构的最小传动角位置如左图所示，而导杆机构的传动角恒等于，如右图,b,所示。,三,.,死点,对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，,在连杆与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。,机构的这种位置称为：,“,死点,”（机构的死点位置）,在“死点”位置，,机构的传动角,0,*,可以利用“死点”位置进行工作，,例如：飞机,起落架,、,钻夹具,等。,*,“死点”位置的过渡方法：,依靠,飞轮的惯性,（如内燃机、缝纫机等）。,两组机构错开排列，如,V,型发动机,机构,。,第五节,平面,四杆机构,设计,平面连杆机构设计的基本问题,1.,实现给定运动规律或位置要求,1),实现刚体的若干位置要求，称为刚体导引机构综合。,2),满足预定的运动规律要求，如,实现主、从动件间的角位移,对应关系，,称为函数生成机构综合。,2.,实现给定的运动轨迹,要求描出给定曲线，,称为轨迹生成机构综合,。,下面重点介绍图解法设计,或精确地通过给定轨迹上的若干点。,1,、,按照给定连杆两个或三个位置设计四杆机构,一、,实现给定运动规律或位置设计,三点唯一确定一个圆，,B、C,确定后，,A、D,是确定的；,B、C,的位置可以根据实际情况确定，若仅为二位置已知，满足设计要求的四杆机构有无穷多个。,已知固定铰链点,A、D，,设计四杆机构，使得两个连架杆可以实现三组对应关系,2,、,按照给定连架杆位置设计四杆机构,d,刚化反转法,以,CD,杆为机架时看到的四杆机构,ABCD,的,位置相当于把以,AD,为机架时观察到的,ABCD,的位置刚化，以,D,轴为中心转过图示角度得到的。,低副可逆性；,机构在某一瞬时，各构件相对位置固定不变，相当于一个刚体，其形状不会随着参考坐标系不同而改变。,第,1,步：选,B,点，以,I,位置为参考位置，,DF,1,为机架,第,2,步：用刚化反转法求出,B,2,、B,3,的转位点,第,3,步：做中垂线，找,C,1,点,第,4,步：联接,A,B,1,C,1,D,将函数生成机构中两连架杆相对于机架的运动，转化为两连架杆的相对运动，把其中一个连架杆由原来相对于机架的运动转换为相对于另一个连架杆的运动,基 本,思 路,即将一个连架杆看作连杆，另一个连架杆看作机架；,而把原来的机架和连杆视为两连架杆。,(,运动倒置法,),转换原则,各构件之间的,相对运动关系不变,已知行程速比系数,K,，,以及从动件两个极限位置，设计四杆机构,3,、,按给定的行程速比系数,K,设计四杆机构,(1),按给定行程速比系数,K,设计曲柄摇杆机构,急回机构的设计,思考：,A,点可以在,FG,弧上选取吗？,第,2,步：找,A,点,第,3,步：找,B,点,(2),按给定行程速比系数,K,设计曲柄滑块机构,(3),按给定行程速比系数,K,设计摆动导杆机构,已知：机架长，行程速比系数,K，,求曲柄长。,适当选取机构图比例尺，按已知机架长作机架,AC，,由,K,按式求出极位夹角，按图,1.3.44,分析可知，摆杆的摆角，作，由此可得摆杆的两极限位置线及。由,A,点作线，即可求得曲柄长。,二、,实现已知,轨迹,综合轨迹生成平面连杆机构，一般要求连杆上的某点通过已知轨迹上一系列有序的点（称为,精确点,），而连杆的转角为待求的未知量。这类机构综合问题因变量增多，故有较大的灵活性。需要注意的是：为满足轨迹要求，应求出机构中各杆的绝对长度。,实验法,复演轨迹法,当原动件,AB,绕固定铰链,A,转动时，连杆平面上的点各自描绘出不同形状的轨迹，称之为,连杆曲线,。连杆曲线的形状和大小由各构件的绝对尺寸和轨迹点在连杆平面上的位置这两个条件来决定。,一、实验法,用实验法综合给定轨迹的连杆机构时，所要实现的轨迹（如图中,M,点的轨迹）是已知的，要求设计出的连杆机构（如铰链四杆机构）能使连杆上的某点（如,M,点）沿着给定的轨迹运动，即能,复演轨迹,。,一般可先初选曲柄长度和曲柄固定铰链与已知轨迹的相对位置，然后在连杆平面上选取若干点（如图中,M、C、C、C”,等）。当令,M,点沿已知轨迹运动时，,连杆平面上的其余各点便画出不同轨迹,。找出轨迹最接近圆弧的点（,如图中,C,点）作为连杆上的另一个活动铰链，则可得到能满足要求的铰链四杆机构。,若在连杆平面上找不出轨迹最接近圆弧的点，应改变初选参数重新演试，直到得出满意的解为止。,二、图谱法,前人已将构件长度,不同,的平面四杆机构中，连杆平面上各点的轨迹曲线绘出，并按一定规律汇编成册（如图）。图谱法就是先将所要实现的轨迹曲线与图谱中的曲线进行比较，找到形状相符的轨迹曲线及其相应机构后，各构件的相对长度便可查到。然后根据图谱编制时的相应规则，即可得到各构件的实际尺寸。,若用图谱法设计的平面连杆机构还不能满足精度要求时，可将用图谱法得到的机构各构件的尺寸作为初值，再用优化的方法进一步计算，以便求出满足精度要求的结果。,三、解析法,略,第六节 平面五连杆机构,一、平面五连杆机构特性分析,（一）平面铰链五连杆机构双曲柄存在条件的判据,铰链五杆机构也可分为双曲柄机构（具有两个曲柄）；曲柄摇杆机构（具有一个曲柄）；双摇杆机构（无曲柄）等多种型式。,平面铰链五连杆机构存在双曲柄时，必有：,(1),连杆,b,，,c,不能是虚拟四杆机构（其杆长为,b,，,c,，,d,，,f,）,中的最短杆。,(2)若,f,，,d,分别是极大值杆长时，由式（,1.3.41,）、（,1.3.46,）可知，必须满足,即两连杆长度之和（,b+c,）,不小于其余三杆之和（,a+e+d,）。,若判定机构不是双曲柄机构或为曲柄摇杆机构或为双摇杆机构，则分析过程更为复杂，有意者可参考相关文献了解。,（二）平面铰链五连杆机构双曲柄不存在条件的判据,二、铰链五连杆机构连杆曲线分析,可以借助于解析法，通过建立数学模型，导出连杆响应坐标点的运动学方程，运用软件计算得到。,三、铰链五连杆机构连杆压力角,可以借助于平面四杆机构中关于机构压力角和死点的定义来考虑。,四、铰链五连杆机构演化方式,可以借助于平面四杆机构中关于机构演化的方式来演化。,