当连杆机构设计概述

连杆机构设计概述

1 连杆机构的特点

连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。平面连杆机构的缺点是：一般情况下，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；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。

近年来，随着连杆机构设计方法的发展，电子计算机的普及应用以及有关设计软件的开发，连杆机构的设计速度和设计精度有了较大的提高，而且在满足运动学要求的同时，还可考虑到动力学特性。尤其是微电子技术及自动控制技术的引入，多自由度连杆机构的采用，使连杆机构的结构和设计大为简化，使用范围更为广泛。

2 连杆机构的类型和应用

根据构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。根据机构中构件数目的多少分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等，一般将五杆及五杆以上的连杆机构称为多杆机构。当连杆机构的自由度为1时，称为单自由度连杆机构；当自由度大于1时，称为多自由度连杆机构。根据形成连杆机构的运动链是开链还是闭链，亦可将相应的连杆机构分为开链连杆机构（机械手通常是运动副为转动副或移动副的空间开链连杆机构）和闭链连杆机构。单闭环的平面连杆机构的构件数至少为4，因而最简单的平面闭链连杆机构是四杆机构，其他多杆闭链机构无非是在其基础上扩充杆组而成；单闭环的空间连杆机构机构的构件数至少为3，因而可由三个构件组成空间三杆机构。

下面着重介绍平面四杆机构的基本型式和应用。

1. 铰链四杆机构

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，它是平面四杆机构的最基本的型式，其他型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上通过演化而成的。在此机构中，构件4为机架，与机架构成运动副的构件1、3称为连架杆，不与机架组成运动副的构件2称为连杆。若组成转动副的两构件能作整周相对转动，则该转动副称为整转副，否则称为摆动副。与机架组成整转副的连架杆称为曲柄，与机架组成摆动副现在我们只能尽自己最大努力的连架杆称为摇杆。因此，根据两连架杆为曲柄或摇杆的不同，铰链四杆机构可分为三种基本型式：

1)曲柄摇杆机构：其中两连架杆一为曲柄另一为摇杆；

2)双曲柄机构：其中两连架杆均为曲柄；

3)双摇杆机构：其中两连架杆均为摇杆。

对于曲柄摇杆机构，由下一节整转副存在条件可知，曲柄所联接的两个转动副均为整转副，而摇杆所联接的两个转动副均为摆动副。由于机构中任意两构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件是固定件要想精度能到达就必须加2点延伸计而改变，所以当将该机构的机架由4改换为构件1时，则构件2、4均变为曲柄，从而成为双曲柄机构；当取构件3为机架时，则成为双摇杆机构；当取构件2为机架时，则仍为曲柄摇杆机构。这种通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。曲柄摇杆机构的三种倒置机构见表7.1第1列。

需注意的是双摇杆机构有两种类型：一种为上图曲柄摇杆机构取构件3为机架的倒置机构，电扇摇头机构，即采用这种含两个整转副的双摇杆机构，其中电机安装在摇杆4上，转动副A处装有一与连杆1固结成一体的蜗轮，蜗轮与电机轴上的蜗杆相啮合。电机转动时，通过蜗杆和蜗轮使连杆1和摇杆4作整周相对转动，从而使连架杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的目的；对于机构中四个转动副均为摆动副的铰链四杆机构，则属另一种双摇杆机构，其三种倒置机构均为双摇杆机构。

电扇摇头机构

表7.1 平面四杆机构主要类型列表

2. 含一个移动副的四杆机构

移动副可看作是由转动副演化而来的。

在图示曲柄摇杆机构中，1为曲柄，3为摇杆，C点的轨迹为以D为圆心、杆长CD为半径的圆弧kc。今在机架4上制作一同样轨迹的圆弧槽kc，并将摇杆3做成弧形滑块置于槽中滑动，如图b所示。这时，弧形滑块在圆弧槽中的运动完全等同于转动副D的作用，圆弧槽kc的圆心即相当于摇杆3的摆动中心D，其半径相当于摇杆3的长度CD。又若再将圆弧槽kc的半径增加至无穷大，其圆心D移至无穷远处，则圆弧槽变成了直槽，置于其中的滑块3作往复直线运动，从而转动副原料会以要求的温度在管路内活动D演化为移动副，曲柄摇杆机构演化为含一个移动副的四杆机构，称为曲柄滑块机构，如图c所示。图中e为曲柄回转中心A至经过C点直槽中心线的距离，称为偏距。当e≠0时称为偏置曲柄滑块机构；当e=0时称为对心曲柄滑块机构，如图d所示。内燃机、蒸汽机、往复式抽水机、空气压缩机及冲床等的主机构都是曲柄滑块机构。

对于图d所示曲柄滑块机构，A是整转副，经分析可知B也是整转副，其三种倒置机构见表7.1第2列。

若将表7.1第2列所示曲柄滑块机构中的构件3做成导杆，构件4做成滑块，机构的外形虽变，但各构件的相对运动不变，这种机构称为摆动导杆机构。

3. 含两个移动副的四杆机构

在曲柄滑块机构中，若再将其中转动副C或B演化为移动副，则得含两个移动副的四杆机构。图为转动副C演化为移动副的过程，所得机构（图b）称为曲柄移动导杆机构，其中移动导杆3的位移s与主动件曲柄1的转角f的正弦成正比，即s=asinf，故此机构又称为正弦机构。正弦机构的三种倒置机构见表7.1第3列，其中取构件2为机架和取构件4为机架所得机构相同。

正弦机构及其倒置机构的应用实例：

刺布机构

十字沟槽联轴节

椭圆规

若将曲柄滑块机构中的转动副B演化为移动副，则得正切机构，此时构件1仅能在一定角度范围内摆动，并有关系y=ltgf。正切机构的三种倒置机构见表7.1第4列。

4. 偏心轮机构

在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，如果曲柄长度很短，则在杆状子公司触及了镍氢电池、钠硫电池、锂电保护装置的研发和销售曲柄两端装设两个转动副将存在结构设计上的困难。而如果曲柄需安装在直轴的两支承之间，则将导致连杆与曲柄轴的运动干涉。为此，工程中常将曲柄设计成偏心距为曲柄长的偏心圆盘，此偏心圆盘称为偏心轮。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为偏心轮机构。

偏心轮机构

此外，在要求曲柄长度和从动件行程可调节的场合，常采用双偏心轮机构。如图所示曲柄滑块机构，曲柄由偏心距分别为e1=AO和e2=O1O2的两个偏心轮1、2组成，通过改变两偏心轮相对周向位置（即改变A、 O1、O2三点相对位置）可实现曲柄长度AB在(e2-e1+O2B)至(e2+e1+O2B)之间的连续调节，从而使滑块4具有不同的行程。

双偏心轮机构

综上所述，各种名目繁多、具有不同运动特点或结构迥异的平面四杆机构都是通过改换机架、转动副转化为移动副及改变转动副结构等手段演化而成的。

3 连杆机构设计的基本问题和方法

连杆机构设计通常包括选型、运动设计、承载能力计算、结构设计和绘制机构装配图与零件工作图等内容，其中选型是确定连杆机构的结构组成，包括构件数目以及运动副的类型和数目；运动设计是确定机构运动简图的参数，包括各运动副之间的相对位置尺寸以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等等；承载能力计算是基于强度理论，确定关键零件的主要结构参数；结构设计是在综合考虑安装、调整、加工工艺性等因素情况下对各零件结构参数的全面细化。

平面连杆机构的运动设计是本章的主要研究内容，它一般可归纳为以下三类基本问题：

1) 实现构件给定位置（亦称刚体导引），即要求连杆机构能引导某构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。

2) 实现已知运动规律（亦称函数生成），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。

3) 实现已知运动轨迹（亦称轨迹生成），即要求连杆机构中作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。

在进行平面连杆机构运动设计时，往往是以上述运动要求为主要设计目标，同时还要兼顾一些运动特性和传力特性等方面的要求，如整转副要求、压力角或传动角要求、机构占据空间位置要求等。另外，设计结果还应满足运动连续性要求，即当主动件连续运动时，从动件也能连续地占据预定的各个位置，而不能出现错位或错序等现象。

平面连杆机构运动设计的方法主要是几何法和解析法，此外还有图谱法和模型实验法。几何法是利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系，通过作图获得有关运动尺寸，所以几何法直观形象，几何关系清晰，对于一些简单设计问题的处理是有效而快捷的，但由于作图误差的存在，所以设计精度较低。解析法是将运动设计问题用数学方程加以描述，通过方程的求解获得有关运动尺寸，故其直观性差，但设计精度高。随着数值计算方法的发展和计算机的普及应用，解析法已成为各类平面连杆机构运动设计的一种有效方法。

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