平面連桿機構(gòu)

1、第四章 平面連桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)是由許多剛性構(gòu)件用低副（回轉(zhuǎn)副和移動副）連接組成的平面機構(gòu)，故又稱為平面低副機構(gòu)，最常見的平面連桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)。本章主要介紹平面四桿機構(gòu)的類型、特性及運動設(shè)計。一、教學(xué)要求1.了解平面連桿機構(gòu)的主要特點和應(yīng)用場合；2.掌握平面四桿機構(gòu)的三種基本型式，掌握其演化方法；3.熟練掌握平面四桿機構(gòu)的四種基本特性；4.了解平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題，能夠根據(jù)具體的設(shè)計條件及實際需要，選擇合適的機構(gòu)型式和合理的設(shè)計方法，解決實際問題。二、教學(xué)重點與難點1.平面四桿機構(gòu)的基本特性；2.平面連桿機構(gòu)的設(shè)計是本章的難點。4.1 概述平面連桿機構(gòu)是由若干個構(gòu)件通過低副連接而成

2、的機構(gòu)，又稱為平面低副機構(gòu)。而在平面連桿機構(gòu)中最常見的形式則是平面四桿機構(gòu)，它同時也是多桿機構(gòu)的基礎(chǔ)。如果所有的低副均為轉(zhuǎn)動副，這種四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，它是平面四桿機構(gòu)最基本的形式，其他形式的四桿機構(gòu)都可看作是在它的基礎(chǔ)上演化而成的。平面連桿機構(gòu)的特點：優(yōu)點：1）平面連桿機構(gòu)的運動副都是低副，組成運動副的兩構(gòu)件之間為面接觸，因而承受的壓強小、便于潤滑、磨損較輕，可以承受較大的載荷；2）構(gòu)件形狀簡單，加工方便，構(gòu)件之間的接觸是由構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠；3）在原動件等速連續(xù)運動的條件下，當各構(gòu)件的相對長度不同時，可使從動件實現(xiàn)多種形式的運動，滿足多種運動規(guī)律的要求；4）

3、利用平面連桿機構(gòu)中的連桿可以滿足多種運動軌跡的要求；缺點：1） 根據(jù)從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來設(shè)計連桿機構(gòu)比較復(fù)雜，而且精度不高；2） 連桿機構(gòu)運動時產(chǎn)生的慣性力難以平衡，所以不適用于高速的場合。4.2 四桿機構(gòu)的基本型式及其演化四桿機構(gòu)的基本型式平面四桿機構(gòu)的基本型式是鉸鏈四桿機構(gòu)，如下圖。其他型式的四桿機構(gòu)都可看成是在它的基礎(chǔ)上通過演化而成的。 圖4.1 鉸鏈四桿機構(gòu)在此機構(gòu)中，固定件AD稱為機架；與AD相對的BC桿稱為連桿；與機架相連的AB和CD桿稱為連架桿。其中能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，只能在小于360°的范圍內(nèi)擺動的連架桿稱為搖桿。根據(jù)鉸鏈四桿機構(gòu)有無曲柄，可將其分

4、成三種基本型式。1.曲柄搖桿機構(gòu)：兩連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿的機構(gòu)。 圖4.2 攪拌機機構(gòu) 圖4.3 縫紉機2.雙曲柄機構(gòu)：兩連架桿均為曲柄的四桿機構(gòu)。在雙曲柄機構(gòu)中，用的最多的是平行雙曲柄機構(gòu)，或稱平行四邊形機構(gòu)，其特點是：兩曲柄的旋轉(zhuǎn)方向相同，且角速度時時相等，連桿作平移運動，機械中有許多例子就是利用此特點而采用平行四邊形機構(gòu)，如圖4.4的機車車輪聯(lián)動機構(gòu)。應(yīng)當注意，這種機構(gòu)當四個鉸鏈中心處于同一直線時，將出現(xiàn)運動不確定狀態(tài)，如圖4.5a。為了消除這種運動不確定狀態(tài)，可以采用兩組相同機構(gòu)彼此錯開90°而固聯(lián)組合，如圖4.5b。而在機車車輪聯(lián)動機構(gòu)中則是利用第三個平行曲柄倆

5、消除其運動的不確定狀態(tài)。 圖4.4 機車車輪聯(lián)動機構(gòu) 圖4.5 平行四邊形機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)中還有一種特例：反平行四邊形機構(gòu)，連桿與機架不平行，如圖4.6所示。 圖4.6 反平行四邊形機構(gòu)如圖4.7公共汽車車門啟閉機構(gòu)。當主動曲柄AB轉(zhuǎn)動時，通過連桿BC使從動曲柄CD朝相反方向轉(zhuǎn)動，從而保證兩扇車門同時開啟和關(guān)閉。圖4.7 公共車門啟閉機構(gòu)3.雙搖桿機構(gòu)：兩連架桿均為搖桿的四桿機構(gòu)，如圖4.8的起重機機構(gòu)。 圖4.8 鶴式起重機平面四桿機構(gòu)的演化一般生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種四桿機構(gòu)，這些機構(gòu)雖然具有不同的外形和構(gòu)造，但都具有相同的運動特性，或一定的內(nèi)在聯(lián)系，并且都可看作是從鉸鏈四桿機構(gòu)演化而來的。三種基

6、本方法：1.回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)化成移動副這是一種使構(gòu)件長度發(fā)生特殊變化的演化方式。在圖4.9示的曲柄搖桿機構(gòu)中，鉸鏈中心C的軌跡是以D為圓心，以CD為半徑的圓弧。若CD增至無窮大，C點軌跡變?yōu)橹本€，于是搖桿3演化為直線運動的滑塊，回轉(zhuǎn)副D演化為移動副，鉸鏈四桿機構(gòu)便演化為曲柄滑塊機構(gòu)。若C點運動軌跡通過曲柄轉(zhuǎn)動中心A，則稱為對心曲柄滑塊機構(gòu)；否則成為偏置曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應(yīng)用在活塞、空壓機、沖床等機械中。 圖4.9 曲柄滑塊機構(gòu)2.擴大轉(zhuǎn)動副這是一種使運動副尺寸發(fā)生特殊變化的演化方式。 圖4.10 偏心輪機構(gòu)在圖4.10所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，構(gòu)件1為曲柄，3為搖桿。如將曲柄銷B的半徑擴大，使

7、其超過曲柄的長度，曲柄就演變成為一個幾何中心與回轉(zhuǎn)中心不重合的圓盤，此圓盤稱為偏心輪，這種機構(gòu)稱為偏心輪機構(gòu)。它只是會轉(zhuǎn)副的尺寸變大，而各構(gòu)件間的相對運動特性不變。偏心輪機構(gòu)多用于曲柄銷承受重大沖擊載荷或曲柄長度較短及曲柄需要裝在直軸中部的機器中，以便增大軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，簡化結(jié)構(gòu)。因此，偏心輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的沖床、顎式破碎機、內(nèi)燃機等機械中。3.取不同的構(gòu)件為機架見表4-1。4.3 平面四桿機構(gòu)的基本特性 鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本型式的區(qū)別在于連架桿是否為曲柄，那么在什么情況下連架桿會成為曲柄呢？曲柄存在的條件是：1.最長桿與最短桿的長度之和小

8、于或等于其余兩桿的長度之和；2.最短桿或其相鄰桿應(yīng)為機架。根據(jù)有曲柄的條件可得推論：1.當最長桿與最短桿的長度之和大于其余兩桿的長度之和時，只能得到雙搖桿機構(gòu)。2.當最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和時：最短桿為機架時得到雙曲柄機構(gòu)；最短桿的相鄰桿為機架時得到曲柄搖桿機構(gòu)；最短桿的對面桿為機架時得到雙搖桿機構(gòu)。壓力角和傳動角 圖4.11 壓力角和傳動角1. 壓力角a：從動件上某點的受力方向與從動件上該點速度方向的所夾的銳角。2. 傳動角g：連桿與搖桿之間所夾的銳角，即壓力角的余角。在圖4.11示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果不計慣性力、重力、摩擦力，則連桿2是二力共線的構(gòu)件，由主動件1

9、經(jīng)過連桿2作用在從動件3上的驅(qū)動力 F的方向?qū)⒀刂B桿2的中心線BC。力 F 可分解為兩個分力：沿著受力點C的速度c方向的分力Ft和垂直于c方向的分力Fn。設(shè)力F與著力點的速度c方向之間所夾的銳角為a，則 表4-1取不同的構(gòu)件為機架時四桿機構(gòu)的演化其中，只能使鉸鏈C、D產(chǎn)生徑向壓力，而Ft才是推動從動件CD運動的有效分力。顯然，壓力角a越小，或者g角越大，使從動件運動的有效分力就越大，對機構(gòu)傳動越有利。a和g是反映機構(gòu)傳動性能的重要指標，由于g角便于測量，工程上通常以g角來衡量。機構(gòu)運動時傳動角是變化的，為了保證機構(gòu)傳動性能良好，設(shè)計時一般應(yīng)使40°。出現(xiàn)的位置：在機構(gòu)的運動過程中，

10、傳動角的大小是變化的。當曲柄AB轉(zhuǎn)到與機架AD重疊共線和展開共線兩位置AB1、AB2時，傳動角將出現(xiàn)極值和（傳動角總為銳角），設(shè)計時只要校核其中的較小值即可。急回特性 圖4.12 急回特性圖4.12所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，當曲柄AB為原動件并作等速回轉(zhuǎn)時，搖桿CD作往復(fù)變速運動，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中有兩次與連桿共線。這是搖桿C分別處在左右兩個極限位置C1D、C2D。此兩極限位置時曲柄所在直線之間所夾的銳角q稱為極位夾角，搖桿的兩個極限位置之間的夾角j稱為搖桿的擺角。曲柄等速回轉(zhuǎn)時，搖桿來回擺動的速度不同，返回時速度較大，如圖所示。機構(gòu)的這種特性，稱為機構(gòu)的急回特性，通常用行程速度變化系數(shù)K

11、來表示這種特性，即 4.13 有急回特性的機構(gòu)死點下面我們來看一下死點位置的形成：在圖4.14示的曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)搖桿 CD 為主動件，則當機構(gòu)處于圖示的兩個虛線位置之一時，連桿與曲柄在一條直線上，出現(xiàn)了傳動角 = 0的情況。這時主動件CD 通過連桿作用于從動件AB 上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以將不能使構(gòu)件AB 轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)"頂死"現(xiàn)象。機構(gòu)的此種位置稱為死點位置。 圖4.14 死點的位置死點的利弊：         利：工程上利用死點進行工作。 如飛機的起落架 弊：機構(gòu)有死點，從動件將出現(xiàn)卡死或運動方

12、向不確定現(xiàn)象，對傳動機構(gòu)不利。 度過死點的方法： 增大從動件的質(zhì)量、利用慣性度過死點位置                      采用機構(gòu)錯位排列的方法 4.4 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計一個設(shè)計過程：已知條件構(gòu)件尺寸兩類基本問題：1.實現(xiàn)給定運動規(guī)律；在這類設(shè)計問題中，要求所設(shè)計機構(gòu)的主、從動連架桿之間的運動關(guān)系能滿足某種給定的函數(shù)關(guān)系。如車門開閉機構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足大小相等而轉(zhuǎn)向相反的運

13、動關(guān)系，以實現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉；又如汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足某種函數(shù)關(guān)系，以保證汽車順利轉(zhuǎn)彎；再比如，在工程實際的許多應(yīng)用中，要求在主動連架桿勻速運動的情況下，從動連架桿的運動具有急回特性，以提高生產(chǎn)效率。     2.實現(xiàn)給定運動軌跡：在這類設(shè)計問題中，要求所設(shè)計的機構(gòu)連桿上一點的軌跡，能與給定的曲線相一致，或者能依次通過給定曲線上的若干有序列的點。例如鶴式起重機，工作要求連桿上吊鉤滑輪中心E點的軌跡為一直線，以避免被吊運的物體作上下起伏。已知條件：運動條件、幾何條件、動力條件。三種設(shè)計方法： 圖解法- 簡明易懂，精確性差。  &#

14、160;  解析法- 精確度好，計算繁雜。     實驗法- 形象直觀，過程復(fù)雜。 圖解法設(shè)計平面四桿機構(gòu)1、按給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)（圖4.15）    已知：連桿BC長度及三個位置（B1C1，B2C2，B3C3）        要求：設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)    設(shè)計步驟： 連接B1B2，B2B3， 作線B1B2，B2B3 的垂直平分線 b 12 、 b 23 ， 交于 A 點；               連接C1C2、C2C3 ， 作線C1C2、C2C3 的垂直平分線