機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第03講-平面四桿機(jī)構(gòu)

1、機(jī)械學(xué)院：楊曉龍機(jī)械學(xué)院：楊曉龍第三講：平面連桿機(jī)構(gòu)第三講：平面連桿機(jī)構(gòu)概述概述四桿機(jī)構(gòu)的類型四桿機(jī)構(gòu)的類型四桿機(jī)構(gòu)的演化四桿機(jī)構(gòu)的演化四桿機(jī)構(gòu)的工作特性四桿機(jī)構(gòu)的工作特性思考題思考題1.1. 共同特點(diǎn)共同特點(diǎn)：原動(dòng)件：原動(dòng)件1 1的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)都要經(jīng)過一個(gè)不直接與機(jī)架都要經(jīng)過一個(gè)不直接與機(jī)架相聯(lián)的中間構(gòu)件相聯(lián)的中間構(gòu)件2 2才能傳動(dòng)才能傳動(dòng)到傳動(dòng)件到傳動(dòng)件3 3，中間構(gòu)件，中間構(gòu)件2 2稱為稱為連桿。連桿。2.2. 機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，故此類機(jī)構(gòu)也稱副，故此類機(jī)構(gòu)也稱低副機(jī)低副機(jī)構(gòu)構(gòu)。當(dāng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變，。當(dāng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變，可通過改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)可通過改

2、變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度來使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)度來使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。動(dòng)規(guī)律。3.3. 連桿機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件總呈現(xiàn)桿連桿機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件總呈現(xiàn)桿的形狀，故常稱構(gòu)件為的形狀，故常稱構(gòu)件為桿桿。連桿機(jī)構(gòu)常用其所含的桿數(shù)連桿機(jī)構(gòu)常用其所含的桿數(shù)而命名，故有而命名，故有四桿機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)、六六桿機(jī)構(gòu)桿機(jī)構(gòu)等。等。1. 連架桿連架桿用低副與機(jī)架相用低副與機(jī)架相聯(lián)接的構(gòu)件。聯(lián)接的構(gòu)件。2. 連桿連桿不與機(jī)架聯(lián)接的構(gòu)不與機(jī)架聯(lián)接的構(gòu)件。件。3. 曲柄曲柄能相對(duì)于機(jī)架作整能相對(duì)于機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿。周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿。4. 搖桿搖桿不能相對(duì)于機(jī)架作不能相對(duì)于機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿。整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿。5. 整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)

3、副聯(lián)接的兩構(gòu)件能聯(lián)接的兩構(gòu)件能相對(duì)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。相對(duì)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。6. 擺轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副聯(lián)接的兩構(gòu)件不聯(lián)接的兩構(gòu)件不能相對(duì)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)能相對(duì)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。副。曲柄曲柄連桿連桿搖桿搖桿連架桿連架桿連架桿連架桿整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)( (Crank-rocker mechanism) )機(jī)架機(jī)架曲柄曲柄搖桿搖桿雙搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)( (Double-rocker mechanism) )機(jī)架機(jī)架搖桿搖桿搖桿搖桿雙曲柄機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)( (Double-crank mechanism) )曲柄曲柄曲柄曲柄1.1.更改構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸更改構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺

4、寸2.2.更改運(yùn)動(dòng)副的尺寸更改運(yùn)動(dòng)副的尺寸3.3.選不同的構(gòu)件為機(jī)架選不同的構(gòu)件為機(jī)架1.1. 證明證明 a+db+ca+db+c；b(d-a)+cb(d-a)+c，即，即a+bc+da+bc+d；c(d-a)+bc(d-a)+b，即，即a+cb+da+cb+d； ab ab，acac，adad2.2. 有周轉(zhuǎn)副的條件有周轉(zhuǎn)副的條件 最短桿長(zhǎng)度最短桿長(zhǎng)度+ + 最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度其余兩桿長(zhǎng)度之和，此條其余兩桿長(zhǎng)度之和，此條件稱為桿長(zhǎng)條件；組成該件稱為桿長(zhǎng)條件；組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿。最短桿。 3.3. 有曲柄的條件有曲柄的條件 滿足桿長(zhǎng)條件；最短桿滿足桿

5、長(zhǎng)條件；最短桿為連架桿或機(jī)架。為連架桿或機(jī)架。 AD桿為最短桿桿為最短桿( (0 AD 20) ) 例例1 已知鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)已知鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD，其中其中AB 20mm，BC 50mm，CD 40mm, ,AD為機(jī)架。改變?yōu)闄C(jī)架。改變AD桿長(zhǎng)，分析機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)，分析機(jī)構(gòu)的類型變化。的類型變化。aBbADdCc機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：AD 50 20 40AD 10mm最長(zhǎng)桿最長(zhǎng)桿整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副最短桿最短桿DCaBbAdc雙曲柄機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu) AD桿長(zhǎng)介于最短桿與最長(zhǎng)桿之間桿長(zhǎng)介于最短桿與最長(zhǎng)桿之間( (20 AD 50) )機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：20

6、 50 AD 40AD 30mmaBbADdCc最短桿最短桿最長(zhǎng)桿最長(zhǎng)桿整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)aBbADdC AD桿為桿為最長(zhǎng)桿最長(zhǎng)桿( (50 AD 110) )機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件：AD 20 40 50最長(zhǎng)桿最長(zhǎng)桿最短桿最短桿AD 70mmaBbADdCc整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 當(dāng)當(dāng)10 AD 30和和70 AD 110時(shí)，由于不滿足桿長(zhǎng)條件，時(shí)，由于不滿足桿長(zhǎng)條件，機(jī)機(jī)構(gòu)無整轉(zhuǎn)副，為雙搖桿機(jī)構(gòu)。構(gòu)無整轉(zhuǎn)副，為雙搖桿機(jī)構(gòu)。思考思考帶導(dǎo)桿的四桿機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副的條件帶導(dǎo)桿的四桿機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副的條件aBbADdC 此時(shí)不論以

7、任何桿為機(jī)架，機(jī)構(gòu)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)； 當(dāng)最短桿為連架桿時(shí)，如果各桿長(zhǎng)度不滿足桿長(zhǎng)條件，則機(jī)構(gòu)無周轉(zhuǎn)副，則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；當(dāng)最短桿的相對(duì)桿為機(jī)架時(shí)， 當(dāng)最短桿為機(jī)架時(shí)，機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。如果鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度滿足桿長(zhǎng)條件，ABCDB2C2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu) B1C1AD 極限位置極限位置1連桿與曲柄拉伸共線連桿與曲柄拉伸共線極限位置極限位置2連桿與曲柄重疊共線連桿與曲柄重疊共線 極位夾角極位夾角 機(jī)構(gòu)從動(dòng)件處于兩極限位置時(shí)，主動(dòng)件在機(jī)構(gòu)從動(dòng)件處于兩極限位置時(shí)，主動(dòng)件在對(duì)應(yīng)位置所夾的銳角。對(duì)應(yīng)位置所夾的銳角。 工作行程工作行程( (慢行程慢行程) )曲柄轉(zhuǎn)過曲柄轉(zhuǎn)過

8、180 ，搖桿擺角，搖桿擺角 ，耗時(shí)耗時(shí)t1，平均角速度平均角速度 m1 t1 180 180 返回行程返回行程( (快行程快行程) )曲柄轉(zhuǎn)過曲柄轉(zhuǎn)過180 ，搖桿擺角，搖桿擺角 ，耗時(shí)耗時(shí)t2，平均角速度平均角速度 m2 常用常用行程速度變化系數(shù)行程速度變化系數(shù)K來衡量急回運(yùn)動(dòng)的相對(duì)程度。來衡量急回運(yùn)動(dòng)的相對(duì)程度。 180180180180/121m2mttK 設(shè)計(jì)具有急回要求的機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先確定設(shè)計(jì)具有急回要求的機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先確定K值，再計(jì)算值，再計(jì)算 。18011 KK B2C2 B1C1AD 180- 180+ 壓力角和傳動(dòng)壓力角和傳動(dòng)角角 有效分力有效分力 F Fcos Fsin 徑向

9、壓力徑向壓力 F Fsin = =Fcos 角角越大，越大， F 越大，越大， F 越小，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)越有利。越小，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)越有利。連桿機(jī)構(gòu)中，常用傳動(dòng)角的大小及變化情況來衡量機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)中，常用傳動(dòng)角的大小及變化情況來衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的優(yōu)劣。傳力性能的優(yōu)劣。 F F F 壓力角壓力角 作用在作用在從動(dòng)件上的力的方向與從動(dòng)件上的力的方向與著力點(diǎn)速度方向所夾銳著力點(diǎn)速度方向所夾銳角。角。傳動(dòng)角傳動(dòng)角 壓力角的壓力角的余角。余角。ABDC傳動(dòng)角傳動(dòng)角 出現(xiàn)極值的位置及計(jì)算出現(xiàn)極值的位置及計(jì)算C1B1abcdDA 1 2bcadcb2)(arccos2221 bcadcb2)(arccos180

10、2222 min為為 1和和 2中的較小值者。中的較小值者。為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性能，設(shè)計(jì)時(shí)通常要求為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性能，設(shè)計(jì)時(shí)通常要求 min 40；對(duì)于高速和大功率傳動(dòng)機(jī)械，；對(duì)于高速和大功率傳動(dòng)機(jī)械， min 50。傳動(dòng)角總?cè)′J角傳動(dòng)角總?cè)′J角B2C死點(diǎn)位置死點(diǎn)位置F = 0 連桿與曲柄在兩個(gè)共線位置時(shí)，連桿與曲柄在兩個(gè)共線位置時(shí)，主動(dòng)件搖桿主動(dòng)件搖桿通過連桿作通過連桿作用于用于從動(dòng)件曲柄從動(dòng)件曲柄上的力上的力F通過其回轉(zhuǎn)中心，通過其回轉(zhuǎn)中心， 0，曲柄不能轉(zhuǎn)曲柄不能轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)。F = 0不管在主動(dòng)件上作用多大的驅(qū)動(dòng)力，都不能在從動(dòng)件上不管在主動(dòng)件上作用多大的驅(qū)動(dòng)力，都不能在從動(dòng)件上產(chǎn)生有效分力的機(jī)構(gòu)位置，稱為機(jī)構(gòu)的產(chǎn)生有效分力的機(jī)構(gòu)位置，稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置死點(diǎn)位置。如何使機(jī)構(gòu)順利通過死點(diǎn)位置？如何使機(jī)構(gòu)順利通過死點(diǎn)位置？利用飛輪慣性利用飛輪慣性機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列ABDC利用死點(diǎn)位置利用死點(diǎn)位置飛機(jī)起落架飛機(jī)起落架工件工件PABCD1234工件工件ABCD1234工件工件P