1、工学贵州大学机械原理教案1贵州大学教案课程名称：机械原理授课教师*所在单位机械基础教研室课程类别课堂理论教学授课时间授课内容第八章平面连杆机构及其设计授课对象机械学院XXXX班、选课156人教学内容提要 第一节连杆机构及其传动特点 1.连杆机构连杆机构是一种应用十分广泛的机构。先来看如下几个最常见的连杆机构型式的例子。 铰链四杆机构 曲柄滑块机构 导杆机构应用实例：契贝谢夫四足机构 由上述例子可知，它们的共同特点为：1）其原动件的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件才能传动从动件，中间构件称为连杆。这些机构统称为连杆机构。2）这些机构中的运动副一般均为低副。故连杆机构也称低副机构。2.连
2、杆机构的传动特点 首先思考在实际生活中见到过哪些连杆机构：钳子、缝纫机、挖掘机、公共汽车门 (1)连杆机构具有以下一些传动特点： 1) 运动副一般均为低副。 低副两运动副元素为面接触，压强较小，故的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，（如平面、圆柱面）便于加工制造。2) 构件多呈现为杆的形状（故常简称构件为杆）。因而可以很方便地用来达到增力、扩大行程和实现远距离传动等目的。此外，构件的几何形状也较简单，便于加工制造。 教学内容提要3)可实现多种形式的运动变换和运动规律。在连杆机构中，当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。 （连
3、架杆之间） 匀速、不匀速 主动件（匀速转动） 从动件 连续、不连续 （ 转动、移动） 某种函数关系导引从动件（连杆导引功能） 引导点实现某种轨迹曲线 引导刚体实现平面或空间系列位置4)具有丰富的连杆曲线形状。在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线(称为连杆曲线)，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，可满足不同轨迹的设计要求。 (2)连杆机构也存在如下一些缺点：1) 由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低。2) 在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力难
4、于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速运动。3) 虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计却是十分繁难的，且一般只能近似地得以满足。 正因如此，所以如何根据最优化方法来设计连杆机构，使其能最佳地满足设计要求，一直是连杆机构研究的一个重要课题。教学内容提要3.连杆机构的命名 根据连杆机构中各构件间的相对运动为平面运动还是空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构两大类，平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，故着重介绍平面连杆机构。 在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可
5、看成在此基础上依次增加杆组而组成。 在一般机械中应用最多的是平面连杆机构。连杆机构常根据其所含之杆数而命名，如四杆机构、六杆机构等等。 平面四杆机构不仅应用特别广泛，而且常是多杆机构的基础。平面四杆机构的本章重点讨论平面四杆机构的有关基本知识和设计问题。 第二节 平面四杆机构的类型和应用 1.平面四杆机构的基本型式 （1）铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构可认为是它的演化型式。在此机构中，AD 为机架，BC为连杆，AB、CD 两构件与机架相连称为连架杆，而在连架杆中，能作整周回转者称之为曲柄，只能在一定范围内摆动者称为摇杆。在铰链四杆机构中，各运动副都是转动副。如组成
6、转动副的两构件能相对整周转动，则称其为周转副，不能作相对整周转动者，则称为摆转副（2）铰链四杆机构的类型 在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动，可将四杆机构分为3种基本型式。 曲柄摇杆机构 定义: 在铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。曲柄：与机架相联并且作整周转动的构件；摇杆： 与机架相联并且作往复摆动的构件； 教学内容提要双曲柄机构定义: 在铰链四杆机构中，两连架杆均能作整周转动的机构。两连架杆均为曲柄，称为双曲柄机构。传动特点: 当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般不等速转动.动 实例 惯性筛机构 双曲柄机构中有两种特殊机构： 平行四边形机构
7、和反平行四边形机构平行四边形机构传动特点: 主动曲柄和从动曲柄均以相同角速度转动。位置不确定问题: 平行四边形机构有一个位置不确定问题，如图示。（1）加惯性轮： 利用惯性维持从动曲柄转向不变。（2）加虚约束： 通过虚约束保持平行四边形，如机车车轮联动的平行四边形机构反四边形机构定义: 两曲柄长度相同，而连杆与机架不平行的铰链四杆机构，称为反平行四边形机构。如图示。 教学内容提要汽车车门开闭机构 即为其应用实例。双摇杆机构 定义 : 在铰链四杆机构中的两连架杆均不能作整周转动的机构。若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。 实例 鹤式起重机中的四杆机构即为双摇杆机构。当主动摇杆摆动时，从动摇杆也随
8、之摆动，位于连杆延长线上的重物悬挂点将沿近似水平直线移动。 双摇杆机构中有一种特殊机构： 等腰梯形机构 在双摇杆机构，如果两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。汽车前轮转向机构中的四杆机构 教学内容提要2.平面四杆机构的演化型式 四杆机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善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，但它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。其四杆机构的演化方法如下：（1）改变构件的形状和运动尺寸 例 铰链四杆机构改变构件的形状和运动尺寸的演化 （a）在图（a）示曲柄摇杆机构中，当曲柄1转动时，
9、摇杆3上C点的轨迹是圆弧mm，且当摇杆长度愈长时，曲线mm 愈平直。当摇杆为无限长时，mm将成为一条直线，这时可把摇杆做成滑块，转动副D 将演化成移动副，这种机构称为曲柄滑块机构，如图（b）示。 （b） 曲柄滑块机构根据偏距e的有无又分为两种: 偏置曲柄滑块机构-e不等于零，如图（b），对心曲柄滑块机构-e等于零，如图（c） 由此可知(a) ，移动副可认为是转动中心在无穷远处的转动副演化而来。教学内容提要（2）改变运动副的尺寸演化前 图(a)所示为曲柄摇杆机构； 演化过程如 图(b)所示。将曲柄1端部的转动副B 的半径加大至超过曲柄1的长度，曲柄1变成一个几何中心为B、回转中心为A 的偏心圆盘
10、，其偏心距e 即为原曲柄长。 该机构与原曲柄摇杆机构的运动特性完全相同，其机构运动简图也完全一样。 (a) (b)应用场合： 在设计机构时，当曲柄长度很短、曲柄销需承受较大冲击载荷而工作行程很小时常采用这种偏心盘结构型式。 常用于冲床、剪床、压印机床、柱塞油泵等设备中。（3）选用不同的构件为机架 运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称机构的倒置。当取不同的构件为机架时，会得到不同的四杆机构。 首先我们来了解一个概念 。 低副运动的可逆性以低副相连接的两构件之间的相对运动关系，不会因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。 铰链四杆机构 曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构
11、双曲柄机构 双摇杆机构 教学内容提要 含一个移动副的四杆机构 曲柄滑块机构 摆动导杆机构 曲柄摇块机构 转动导杆机构 移动导杆机构 含有两个移动副的四杆机构 正切机构 双转块机构 正弦机构 双滑块机构 由上述可见，四杆机构的型式虽然多种多样，但根据演化的概念为我们归类研究这些四杆机构提供方便，反之，我们也可根据演化的概念，设计出型式各异的四杆机构。教学内容提要 （4）运动副元素的逆换 对于移动副两元素的包容关系进行逆换，也可演化成为不同的机构。 (a) 曲柄摇块机构 (b) 摆动导杆机构（a）所示为曲柄摇块机构，其中滑块3绕 C 点作定轴往复摆动，构件2为杆状；演化后图（b）所示为摆动导杆机构
12、。 在设计机构时，由于实际需要，改杆状构件2为块状，改块状构件3为杆状构件，称构件3为摆动导杆。注：这两种机构本质上完全相同。 3.平面四杆机构的应用 （1）基本型式的四杆机构的应用（2）演化型式的四杆机构的应用 教学内容提要 第三节 平面四杆机构的基本知识 平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力的传递和变换的功能。前者称为平面连杆机构的运动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。了解这些特性，对于正确选择平面连杆机构的类型、进而进行机构设计具有重要指导意义。 1.平面四杆机构有曲柄的条件 平面四杆机构要有曲柄，就必须使其两连架杆中至少有一个与机架构成的转动副为周转副。故先要知道转动副成为周转副
13、的条件。 （1）周转副的条件： 机构中具有周转副的构件是关键构件，因为只有这种构件才有可能用电机等连续转动的装置来驱动。若具有周转副的构件是与机架铰接的连架杆，则该构件即为曲柄。下面以图示的四杆机构为例，说明转动副为周转副的条件：在图中，设d a，在杆1绕转动副A转动过程中，铰链点B与D之间的距离g 是不断变化的，当B点到达图示点B1和B2两位置时，g 值分别达到最大值 gmax=d +a 和最小值 gmin=d -a。 如要求杆1能绕转动副A相对杆4作整周转动，则杆1应通过AB1和AB2这两个关键位置，即可以构成三角形B1C1D和三角形B2C2D构件a可以继续转动的几何条件：BCD存在1)
14、最短杆长度 + 最长杆长度 其余两杆长度之和，此条件称为杆长条件。 2) 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 教学内容提要 上述条件表明：当四杆机构各杆的长度满足杆长条件时，与最短杆相连转动副都是周转副，而其余的转动副则是摆转副。（2）平面四杆机构有曲柄的条件：1） 各杆的长度应满足杆长条件；2） 其最短杆为连架杆或机架。由此条件可得如下列结论：如果铰链四杆机构的各杆长度满足杆长条件，则有：当最短杆为连架杆时，机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，机构为双曲柄机构；当最短杆相对杆为机架时，机构为双摇杆机构。 如果铰链四杆机构的各杆长度不满足杆长条件，则无周转副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。 上述一系列结论称为格拉霍夫定理。由于曲柄滑块机构和导杆机构均是由铰链四杆机构演化而来，故按照同样的思路和方法，可得出这两种机构具有周转副的条件。对于含有移动副的四杆机构，根据机构的演化原理，可认为移动副是转动中心在无穷远处(在工程实践上可理解为足够远处)的转动副。这就可将含有移动副的四杆机构转化为铰链四杆机构来分析其曲柄存在的条件。a+db+c a+d -cb d 、c变为曲柄滑块机构的曲柄存在条件为： a e b
