第3章平面連桿機構3-1平面機構的運動簡圖和自由度3-2平面四桿機構的基本類型3-3平面四桿機構的特點及設計基本要求:掌握基本概念熟練掌握機構運動簡圖的繪制熟練掌握機構自由度的計算方法掌握平面連桿機構的類型、特點、演化方法掌握平面四桿機構的工作特性機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20231課件3-1平面機構的運動簡圖和自由度一、構件二、運動副三、機構四、平面機構的運動簡圖五、平面機構的自由度機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20232課件一、構件構件：獨立影響機構功能并能獨立運動的單元體（實物、剛體、運動的整體）機架、原動構件、從動構件零件：單獨加工的制造單元體通用零件、專用零件構件可以由一個零件組成也可以由幾個零件組成原動件1234從動件機架機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20233課件xyo二、運動副運動副:

兩構件直接接觸而形成的可動聯(lián)接運動副元素：構成運動副時直接接觸的點、線、面部分接觸形式:

點、線、面機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20235課件運動副分類按接觸形式分類按相對運動分類機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20236課件按接觸形式分類：接觸形式:

點、線、面低副：面接觸高副：點、線接觸平面低副空間低副xyo高副高副空間低副平面低副平面低副機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20237課件運動副類型小結平面低副:轉動副、移動副（面接觸）平面高副:齒輪副、凸輪副（點、線接觸）空間低副:螺旋副、球面副、圓柱副（面接觸）空間高副:球和圓柱與平面、球與圓柱副(點、線接觸)運動副特性:運動副一經(jīng)形成,組成它的兩個構件間的可能的相對運動就確定。而且這種可能的相對運動,只與運動副類型有關,而與運動副的具體結構無關。工程上常用一些規(guī)定的符號代表運動副機械設計基礎——平面連桿機構2/6/20239課件平面副低副：轉動副、移動副(面接觸)高副：齒輪副、凸輪副(點、線接觸)xyoxyottnnnt機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202310課件空間副高副：點、線接觸球面副螺旋副了解機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202311課件1概述2構件的表示方法3運動副的表示方法4運動簡圖的繪制方法5例題四、平面機構的運動簡圖機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202313課件1概述機構各部分的運動，取決于：原動件的運動規(guī)律、各運動副的類型、機構的運動尺寸(確定各運動副相對位置的尺寸)機構運動簡圖:（表示機構運動特征的一種工程用圖）用簡單線條表示構件規(guī)定符號代表運動副按比例定出運動副的相對位置與原機械具有完全相同的運動特性比較：機構示意圖：沒嚴格按照比例繪制的機構運動簡圖用途：分析現(xiàn)有機械，構思設計新機械機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202314課件2構件的表示方法桿、軸類構件機架同一構件兩副構件三副構件機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202315課件4運動簡圖的繪制方法步驟：確定構件數(shù)目及原動件、輸出構件各構件間構成何種運動副？（注意微動部分）選定比例尺、投影面，確定原動件某一位置，按規(guī)定符號繪制運動簡圖標明機架、原動件和作圖比例尺繪制路線：原動件中間傳動件輸出構件觀察重點：各構件間構成的運動副類型良好習慣：各種運動副和構件用規(guī)定符號表達誤區(qū)：構件外形機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202317課件5例題：內燃機機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202318課件試繪制如圖所示機構的運動簡圖1、氣缸體2、活塞3、進氣閥4、排氣閥5、連桿6、曲軸7、凸輪8、頂桿9、10齒輪2/6/202319課件2/6/202321課件2/6/202322課件ABCEFDG例題：破碎機機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202323課件1平面機構自由度的計算2機構具有確定運動的條件3幾種特殊結構的處理復合鉸鏈局部自由度虛約束4小結五、平面機構的自由度機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202325課件1平面機構自由度的計算(1)平面運動構件的自由度(構件可能出現(xiàn)的獨立運動)(2)平面運動副引入的約束R(對獨立的運動所加的限制)xyＯ21與其它構件未連之前：3用運動副與其它構件連接后,運動副引入約束,原自由度減少xyoxyottnnR=2R=2R=1結論：平面低副引入2個約束平面高副引入1個約束機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202326課件F=3n－2pl－ph

=34－25－0=2

F=3n－2pl－ph

=33－25－0=-1

F=3n－2pl－ph

=3

2－23－0=0

2機構具有確定運動的條件F=0,剛性桁架，構件之間無相對運動原動件數(shù)小于F,各構件無確定的相對運動原動件數(shù)大于F,在機構的薄弱處遭到破壞結論：機構具有確定運動的條件：1機構自由度>02原動件數(shù)＝機構自由度數(shù)BCABCADEAEBCD機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202329課件m個構件(m>2)在同一處構成轉動副m-1個低副(1)復合鉸鏈412356F＝3n－2pl－ph

＝3－2－560＝

3F＝3n－2pl－ph

＝3－2－570＝

1412356②錯對—計算在內5232351m個構件,m-1個鉸鏈3幾種特殊結構的處理機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202330課件F＝3n－2pl－ph

＝3－2－331＝

2F＝3n－2pl－ph＝3－2－221＝

1錯對—排除(2)局部自由度定義：機構中某些構件所具有的獨立的局部運動,不影響機構輸出運動的自由度局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子、軸承中的滾珠解決的方法：計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結在一起，視作一個構件機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202331課件不影響機構運動傳遞的重復約束在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的運動副叫虛約束虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合處理方法：計算自由度時，將虛約束（或虛約束構件及其所帶入的運動副）去掉結論F＝3n－2PL－PH

＝3－2－123F＝3n－2PL－PH

＝3－2－231＝-1錯221＝1對—排除之一為虛約束(3)虛約束機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202332課件虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合A兩構件之間構成多個運動副時B兩構件某兩點之間的距離在運動過程中始終保持不變時C聯(lián)接構件與被聯(lián)接構件上聯(lián)接點的軌跡重合時D機構中對運動不起作用的對稱部分機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202333課件A兩構件之間構成多個運動副時兩構件組合成多個轉動副，且其軸線重合兩構件組合成多個移動副，其導路平行或重合兩構件組合成若干個高副，但接觸點之間的距離為常數(shù)123123目的：為了改善構件的受力情況F＝3n－2PL－PH

＝3－2－221＝1機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202334課件B兩構件某兩點之間的距離在運動中保持不變時在這兩個例子中，加與不加紅色構件AB效果完全一樣，為虛約束計算時應將構件AB及其引入的約束去掉來計算412351234F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340F＝3n－2PL－PH

＝3－2－460＝

0BA錯對＝

1F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340＝1機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202335課件C兩構件上聯(lián)接點的軌跡重合在該機構中，構件2上的C點C2與構件3上的C點C3軌跡重合，為虛約束計算時應將構件3及其引入的約束去掉來計算同理，也可將構件4當作虛約束，將構件4及其引入的約束去掉來計算，效果完全一樣BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH

＝3－2－340＝1動畫機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202336課件D機構中對運動不起作用的對稱部分在該機構中，齒輪3是齒輪2的對稱部分，為虛約束計算時應將齒輪3及其引入的約束去掉來計算同理，將齒輪2當作虛約束去掉，完全一樣目的：為了改善構件的受力情況F＝3n－2PL－PH

＝3－2－332＝112345機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202337課件虛約束——結論機構中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成有效約束，而使機構不能運動采用虛約束是為了:改善構件的受力情況；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要在設計機械時，若為了某種需要而必須使用虛約束時，則必須嚴格保證設計、加工、裝配的精度，以滿足虛約束所需要的幾何條件123機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202338課件4自由度計算小結自由度計算公式:F＝3n－2pl－ph機構自由度＝3×活動構件數(shù)－(2×低副數(shù)+1×高副數(shù))計算步驟:確定活動構件數(shù)目確定運動副種類和數(shù)目確定特殊結構:局部自由度、虛約束、復合鉸鏈計算、驗證自由度幾種特殊結構的處理:1、復合鉸鏈—計算在內2、局部自由度—排除3、虛約束--重復約束—排除機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202339課件機構自由度計算舉例例1圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：動力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動導桿3作往復擺動，并帶動滑枕4作往復移動，已達到刨削加工目的。試問圖示的構件組合是否能達到此目的？如果不能，該如何修改？2/6/202340課件解：首先計算設計方案草圖的自由度改進措施：1、增加一個低副和一個活動構件；2、用一個高副代替低副。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。2/6/202341課件改進方案2/6/202342課件改進方案2/6/202343課件改進方案2/6/202344課件例2如圖所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。2/6/202345課件局部自由度復合鉸鏈虛約束2/6/202346課件例3計算圖所示機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。2/6/202347課件局部自由度虛約束2/6/202348課件例4如圖所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。

2/6/202349課件局部自由度復合鉸鏈虛約束2/6/202350課件F＝3n－2PL－PH

＝3－2－8111＝

12/6/202351課件2/6/202352課件2/6/202353課件§2-4平面機構的組成原理和結構分析一、平面機構的組成原理機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。機架原動件從動件組2/6/202354課件從動件組當把該機構的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：這個從動件組的自由度為零，即：

這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。2/6/202355課件這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。

通常把這樣的從動件組稱為：基本桿組基本桿組的概念非常重要，它是機構分析的重要的理論基礎。2/6/202356課件機構的組成原理

任何機構都可以看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的2/6/202357課件如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的計算公式為：

由于活動構件數(shù)n和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，所以

n應是２的倍數(shù)，PL應是３的倍數(shù)。

這也就是說，在一個基本桿組中，其構件數(shù)和低副數(shù)有以下關系：n=2,PL=3n=4,PL=6n=6,PL=9二、基本桿組的類型2/6/202358課件

最簡單的平面基本桿組是由兩個構件三個低副組成的桿組，稱之為Ⅱ級桿組。Ⅱ級桿組是機構中最常見的一類基本桿組Ⅱ級桿組有以下幾種形式：2/6/202359課件除Ⅱ級桿組外，還有Ⅲ、Ⅳ級等較高級的基本桿組。這是Ⅲ級桿組——由４個構件６個低副組成，具有一個３副構件，而每個內副所連接的分支是雙副構件。2/6/202360課件這是Ⅳ級桿組——由４個構件６個低副組成，有４個內副。2/6/202361課件作業(yè):3.52/6/202362課件2-2平面四桿機構的基本類型一、鉸鏈四桿機構1基本型式2鉸鏈四桿機構劃分3平面四桿機構的工作特性4機構演化方式二、偏心輪機構三、曲柄滑塊機構四、導桿機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202363課件一、鉸鏈四桿機構1基本型式平面連桿機構的基本型式是鉸鏈四桿機構其余四桿機構均是由鉸鏈四桿機構演化而成的二桿三桿,不可能.鉸鏈四桿機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202364課件基本型式（續(xù)）結構特點：四個運動副均為轉動副組成：機架、連桿、連架桿機架：固定不動的構件——AD連架桿：直接與機架相連的構件——AB、CD連桿：不與機架相連的構件—BC曲柄：能作整周轉動的連架桿搖桿：不能作整周轉動的連架桿1B2C31B2C34AD連桿連架桿連架桿機架1234ABCD曲柄搖桿(擺桿)(周轉副)(擺轉副)機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202365課件2鉸鏈四桿機構劃分按連架桿不同運動形式分：(1)曲柄搖桿機構(2)雙曲柄機構(3)雙搖桿機構連桿連架桿連架桿1234ABCD4AD23２作機架曲柄搖桿機構14AD23３作機架雙搖桿機構4AD1231作機架雙曲柄機構曲柄搖桿機構4AD123機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202366課件(1)曲柄搖桿機構結構特點：連架桿1為曲柄，3為搖桿運動變換：轉動搖動舉例：攪拌器機構、雷達天線機構1234特性：急回特征死點機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202367課件(2)雙曲柄機構結構特點：二連架桿均為曲柄運動變換：轉動轉動，通常二轉速不相等舉例：振動篩機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202368課件特殊雙曲柄機構平行四邊形機構結構特點：二曲柄等速運動不確定問題車門開閉機構反平行四邊形機構結構特點：二曲柄轉向相反機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202369課件(3)雙搖桿機構

結構特點：二連架桿均為搖桿運動變換：擺動擺動舉例:

鶴式起重機機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202370課件特殊機構等腰梯形機構實例:汽車前輪轉向機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202371課件3平面四桿機構的工作特性(1)曲柄存在條件(2)急回特征(3)死點連桿連架桿連架桿1234ABCD機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202372課件(1)曲柄存在條件曲柄存在條件：1.最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和2.最短桿是連架桿或機架最短桿參與構成的轉動副都是整周副其余均為擺轉副推論1：當Lmax+Lmin

L(其余兩桿長度之和)時最短桿是連架桿之一——曲柄搖桿機構最短桿是機架——雙曲柄機構最短桿是連桿——雙搖桿機構推論2：當Lmax+Lmin>L(其余兩桿長度之和)時——雙搖桿機構ABCDabcd了解機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202373課件當回程所用時間小于工作行程所用時間時，稱該機構具有急回特征極位夾角：

急回特性分析：1=C1=1t1=1800+2=1t2=1800-t1>t2,v2>v1行程速比系數(shù)K(2)急回特征K=1,無急回特性q↑K↑急回特征越顯著1jB2C212v2v1慢快急回特性的應用例：牛頭刨工作要求B1C14ABCD231機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202374課件死點:傳動角為零g=0(連桿與從動件共線),機構頂死(3)死點M=F*LB1C1B2C24ABCD231=00=00=00C2B2=00BACB1C１機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202375課件利用構件慣性力實例:家用縫紉機采用多套機構錯位排列實例:蒸汽機車車輪聯(lián)動機構蒸汽機車兩側利用錯位排列的兩套曲柄滑塊機構使車輪聯(lián)動機構通過死點克服死點的措施

GG’EFE’F’機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202376課件實例:夾具飛機起落架機構死點的利用折疊家具機構=00機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202377課件4機構演化方式1轉動副轉化為移動副2變換構件形態(tài)3變更機架4擴大轉動副尺寸連桿連架桿連架桿1234ABCD機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202378課件二、偏心輪機構曲柄搖桿機構(擴大回轉副)偏心輪機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202379課件偏心輪機構（續(xù)）對心式曲柄滑塊機構偏心輪機構1B24AC3h=2lAB4C231BAB副擴大機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202380課件三、曲柄滑塊機構鉸鏈四桿機構1B2C34AD曲線導軌曲柄滑塊機構lCD

e01B24AC3偏置式曲柄滑塊機構對心式曲柄滑塊機構1B24AC3e3D1B2C4A對CD桿等效轉化轉動副變成移動副機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202381課件四、導桿機構選不同構件作機架——機構倒置曲柄滑塊機構導桿機構變更機架曲柄滑塊機構導桿機構,動畫曲柄搖塊機構移動導桿機構曲柄搖桿機構移動導桿機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202382課件應用實例一A41A4曲柄滑塊機構1B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C31B2C32作機架A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A41A413B2C曲柄搖塊機構液壓作動筒車箱舉升機構機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202383課件2B12B12B1應用實例二1BA21BA2A41B2C3曲柄滑塊機構CA43移動導桿機構C41BA21BA21BA23手動唧筒機構3作機架1B2機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202384課件應用實例三C234A41B2C3曲柄滑塊機構１作機架A41B2C3導桿機構C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234回轉導桿機構lBC>lAB，導桿AC整周轉動C234C234C234C234AB123C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C423C4lBC<lAB，導桿AC擺動擺動導桿機構32C4AB1機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202385課件其它雙移動副機構正弦機構雙轉塊機構(十字滑塊機構)動畫正弦機構雙滑塊機構正切機構了解機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202386課件2-3平面四桿機構的特點及其設計簡介一、平面四桿機構的特點二、平面連桿機構的應用三、平面四桿機構的設計了解機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202387課件一、平面四桿機構的特點全低副（面接觸），承受沖擊力，易潤滑，不易磨損運動副結構簡單，易加工運動規(guī)律多樣化、點的運動軌跡多樣化運動副累積誤差大，效率低慣性力難以平衡，不宜用于高速不能精確實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律，設計計算較復雜123ABC4機架連桿連架桿A1B2C3D44A12B3C56DE機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202388課件1實現(xiàn)有軌跡、位置或運動規(guī)律要求的運動2實現(xiàn)從動件運動形式及運動特性的改變3實現(xiàn)較運距離的傳動或操縱4調節(jié)、擴大從動件行程5獲得較大的機械增益：輸出力(矩)與輸入力(矩)之比二、平面連桿機構的應用機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202389課件1實現(xiàn)有軌跡、位置或運動規(guī)律要求的運動圓軌跡復制機構AMF保齡球置瓶機掃瓶機構CDABM機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202390課件2實現(xiàn)從動件運動形式及運動特性的改變步進式工件傳送機構運動形式改變實例機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202391課件3實現(xiàn)較運距離的傳動或操縱應用實例：自行車手閘機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202392課件4調節(jié)、擴大從動件行程可變行程滑塊機構特點：調節(jié)可改變滑塊D的行程汽車用空氣泵機構特點：曲輛CD短，滑塊行程大ABCDABCDEF機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202393課件5獲得較大的機械增益:輸出力(矩)與輸入力(矩)之比肘節(jié)機構特點：機械增益大剪切機構特點：機械增益大EABCD機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202394課件其它機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202395課件1實現(xiàn)剛體給定位置的設計機構能引導剛體（如連桿）通過一系列給定位置2實現(xiàn)已知運動規(guī)律的設計1）給定連架桿對應位置2）給定行程速比變化系數(shù)3實現(xiàn)預定軌跡的設計連桿上某點通過某一預定給定軌跡的功能圖解法、解析法、實驗法三、平面四桿機構的設計機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202396課件1剛體導引機構的設計(1)應用概述(2)剛體導引機構設計分析(3)剛體導引機構的設計機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202397課件(1)應用概述實現(xiàn)剛體給定位置的設計——如實現(xiàn)預定的連桿位置要求機構能引導剛體（一般為連桿）通過一系列給定位置例：飛機起落架機構:要求實現(xiàn)機輪放下和收起兩個位置鑄造翻砂機構:要求實現(xiàn)兩個翻轉位置機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202398課件條件：給定連桿對應位置鉸鏈四桿機構的設計,在于確定四個鉸點的位置,且關鍵在確定連桿兩鉸點的位置連桿上的鉸點一定落在以固定鉸為中心的圓上即:剛體導引機構轉變成已知圓弧上的點求圓心(2)剛體導引機構設計分析ABCD機械設計基礎——平面連桿機構2/6/202399課件選定連桿上兩活動鉸鏈，即確定連桿長lBC，定比例尺l作圖活動鉸鏈相對于固定鉸鏈的運動軌跡為圓用三點定心法確定兩固定鉸鏈D,C計算待求桿長lAB=AB·lmlCD=CD·lmlAD=AD·lm(3)剛體導引機構的設