连杆机构设计

图3—26
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由力的分解可以看出，沿着速度方向的有效 分力Ft＝Fcosα，垂直 Ft的分力 Fn＝Fsinα， 力 Fn只能使铰链 C、D产生压轴力，希望它 能越小越好，也就是Ft 愈大愈好，这样可使 其传动灵活效率高。总而言之，是希望压力 角α越小越好。
图3—26
2、传动角



图3-26中压力角的余角γ定义为传动角。由上 面分析可知，传动角γ愈大(α愈小)对传动愈有 利。 所以为了保证所设计的机构具有良好的传动性 能，通常应使最小传动角γmin≥400， 在传递力矩较大的情况下，应使γmin≥500。 在具体设计铰链四杆机构时，一定要校验最小 传动角γmin是否满足要求。
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3-1)用于受力较大的挖掘机，破碎机。
挖掘机
破碎机
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3-2)用于实现各种不同的运动规律要求。
惯性筛
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3-3)可以实现给定轨迹要求的 搅拌机机构和步进输送机构
步进输送机构
搅拌机机构
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但由于平面连杆机构存在一定的缺点， 使得它的应用范围受到一些限制。



例如，为了满足实际生产的要求，需增 加构件和运动副，这样不仅机构复杂， 而且积累误差较大，影响其传动精度； 又如，平面连杆机构惯性力不容易平衡 而不适合于高速传动（高速时易引起较 大的振动和动载荷）。 再有平面连杆机构的设计方法也较复杂， 不易精确地满足各种运动规律和运动轨 迹的要求。
铰链四杆机构可分为以下三种类型
1、曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整 周转动，另一个只能作往复摆动的机构。
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2、双曲柄机构
铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转 动的机构。

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在双曲柄机构中，若相对两杆平行相 等，称为平行双曲柄机构（图3－9）。 这种机构的特点是其两曲柄能以相同 的角速度同时转动，而连杆作平行移 动。图3－10a所示机车车轮联动机构 和图3－10b所示的摄影平台升降机构 均为其应用实例。
转动导杆机构
摆动导杆机构

它可用于回转式油泵、牛头刨床及插床 等机器中。图3－17所示小型刨床和图3— 18中的牛头刨床，分别是转动导杆机构 和摆动导杆机构的应用实例。

图3－17
图3—18

若选用构件2为机架，滑块3仅能绕机架上 铰链C作摆动，此时演化成曲柄摇块机构 （图3－16b）；它广泛应用于机床、液压 驱动及气动装置中，图3－19所示为Y54插 齿机中驱动插齿刀的机构和图3－20所示 的自卸卡车的翻斗机构，均是曲柄摇块机 构应用实例。
在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则 其与连杆相联的转动副转化成移动副。 ——曲柄滑块机构
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曲柄滑块机构——偏心轮机构

当曲柄的实际尺寸很 短并传递较大的动力 时，可将曲柄做成几 何中心与回转中心距 离等于曲柄长度的圆 盘，常称此机构为偏 心轮机构。
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双滑块机构

若继续改变图3—14b中对心曲柄滑块机构中杆 2长度，转动副C转化成移动副，又可演化成双 滑块机构（图3－15）。该种机构常应用在仪 表和解算装置中。
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§3－1 §3－2 §3－3 §3－4 §3－5 §3－6 §3－7
概述 平面四杆机构的基本类型及其演化 平面四杆机构有曲柄的条件及几个基本概念 平面连杆机构的运动分析 平面连杆机构的力分析和机械效率 平面四杆机构设计 机器人操作机——开式链机构及其运动分析
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图3-15
图3—22
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若选取构件1为机架（图3－22b）， 则演化成双转块机构，它常应用 作两距离很小的平行轴的联轴器， 图3-22e所示的十字滑块联轴节为 其应用实例；
图3－22b
图3-22e

当选取构件3为机架（图3－22c）时， 演化成双滑块机构，常应用它作椭圆 仪（图3—22f）。
图3－22
图3－9
图3－10


在图3－11a所示双曲柄机构中，虽然其对应边长度 也相等，但BC杆与AD杆并不平行，两曲柄AB和CD 转动方向也相反，故称其为反平行四边形机构。 图 3－11b所示的车门开闭机构即为其应用实例， 它是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。
图 3－11
3、双摇杆机构
双摇杆机构:铰链四杆机构中的两连架杆均不能作 整周转动的机构。

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如图3－12所示鹤式起重机的双摇杆机构ABCD， 它可使悬挂重物作近似水平直线移动，避免不 必要的升降而消耗能量。在双摇杆机构中，若 两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如图3— 13中的汽车前轮转向机构。
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2、选用不同构件为机架
原理：各构件间的相对运动保持不变 （1）变化铰链四杆机构的机架

如图3-4所示的三种铰链四杆机构，各杆件间的相对运动和 长度都不变，但选取不同构件为机架，演化成了具有不同结 构型式、不同运动性质和不同用途的以下三种机构。
图3-4
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（2）变化单移动副机构的机架

若将图3－14b所示的对心曲 柄滑块机构，重新选用不同 构件为机架，又可演化成以 下具有不同运动特性和不同 用途的机构。

一、连杆机构的组成 由若干个刚性杆件通过低副(Lower-pair) 连接而组成的机构称为连杆机构，又称 为低副机构。 它可以分为平面连杆机构和空间连杆机 构。 本章主要讨论平面连杆机构，只对空间 机构中的机器人机构作简单介绍。
1、平面连杆机构(Planar linkage)：
平面连杆机构: 所有构件均在相互平行的 平面内运动的连杆机构。
图3－14b
图3－16
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若选构件1为机架（图3－16a），虽然各构件 的形状和相对运动关系都未改变，但沿块3将 在可转动（或摆动）的构件4（称其为导杆） 上作相对移动，此时图3－14b所示的曲柄滑 块机构就演化成转动（或摆动）导杆机构（图 3－16a）；差异？ 摆动导杆 机构能否 回复为曲 柄滑块机 构？？
图3－16b
图3－19
图3－20


若选用曲柄滑块机构中滑块3作机架（图316c），即演化成移动导杆机构（或称定块 机构）。 它应用于手摇卿筒（图3—21）和双作用式 水泵等机械中。
图3—21
图3-16c
（3）变化双移动副机构的机架

在图3-15和图3-22a所示的具有两个移动副的四杆机 构中，是选择滑块4作为机架的，称之为正弦机构， 这种机构在印刷机械、纺织机械、机床中均得到广 泛地应用，例如机床变速箱操纵机构、缝纫机中针 杆机构（图3—22d）；
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由图3-26可见，当连杆2和 摇杆3的夹角δ为锐角时，γ ＝δ；若δ为钝角时，γ＝ 1800-δ。 由图3－26还可以看出,δ角 是随曲柄转角φ的变化而改 变的。机构在任意位置时， 由 图 3—26 中 两 个 三 角 形 ΔABD和ΔBCD可得以下关系 式
BD a d 2ad cos
图3－24

由Δ B2C2D，可得: 由Δ B1C1D，可得: 或 即

a＋d≦b＋c（3－l） b≦（d－a）＋c c≦（d－a）＋b a＋b≦d＋c （3－2） a＋c≦d＋b （3－3） 将（3-1）、（3－2）和（3－3）式分别两两相加，则 又可得: a ≦ c （3－4） a ≦ b （3－5） a ≦ d （3－6） 即AB杆为最短杆。
2 2 2
BD b c 2bc cos
2 2 2
由以上二式，可得

b 2 c 2 a 2 d 2 2ad cos cos 2bc
(3-7)


分析公式（3－7）可知,δ 角是随各杆长 和原动件转角φ 变化而变化的。 由于γ ＝δ (锐角)；或γ ＝1800-δ （δ 为钝角），所以在曲柄转动一周过程中 （ φ ＝ 0 ～ 3600 ） ， 只 有 δ 为 δ min 或 δ max时，才会出现最小传动角γ 。
'min min
0 'min 180 max
（3-9）
比较以上两式，找出其中较小的角度。 具体计算程序参照[10]3－2。
三、急回运动和行程速比系数


1．极位夹角
在图3－27所示的曲柄摇 杆机构中，当曲柄AB逆时 针转过一周时，摇杆最大 摆角ψ 对应其两个极限位 置C1D和C2D，此时正是曲 柄和连杆处于两次共线位 置，通常把曲柄这两个位 置所夹的锐角θ 称为极位 夹角。
二、平面连杆机构的演化
前面介绍的三种铰链四杆机构， 还远远满足不了实际工作机械的 需要，在实际应用中，常常采用 多种不同外形、构造和特性的四 杆机构，这些类型的四杆机构可以看作是由铰链 四杆机构通过各种方法演化而来的。 这些演化机构扩大了平面连杆机构的应用，丰 富了其内涵。

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1、改变相对杆长、转动副演化为移动副


一、平面四杆机构的基本类型及应用
全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构， 它是平面四杆机构的最基本型式（如图3-4a所示）
图3-4a
a—曲柄： 与机架相联并且作整周转动的构件； b—连杆：不与机架相联作平面运动的构件； c—摇杆：与机架相联并且作往复摆动的构件； d—机架： a、c—连架杆。
总结：平面连杆机构的演化
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一、铰链四杆机构有曲柄的条件
在图3－24所示的饺链四杆机构 中，设构件1、2、3、4的杆长分 别为a、b、c、d，并且a＜d。由 前面曲柄定义可知，若杆1为曲 柄，它必能绕铰链A相对机架作 整周转动，这就必须使铰链B能 转过B2点（距离D点最远）和B1点 （距离D点最近）两个特殊位置， 此时，杆1和杆4共线。