《機(jī)械基礎(chǔ)》(教程全集)4、5章

1、機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)械基礎(chǔ)第第4 4章章機(jī)構(gòu)的組成及自由度計(jì)算學(xué)習(xí)目的與要求機(jī)構(gòu)的組成及自由度計(jì)算學(xué)習(xí)目的與要求主要內(nèi)容：本章主要介紹運(yùn)動(dòng)副的概念與機(jī)構(gòu)的組成、自由度的計(jì)算及計(jì)算中應(yīng)注意的問(wèn)題；平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。學(xué)習(xí)目的與要求：正確理解運(yùn)動(dòng)副及約束的基本概念，掌握平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法，會(huì)識(shí)別復(fù)合鉸鏈、局部自由度和常見的虛約束，能判斷機(jī)構(gòu)是否具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)是平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件，難點(diǎn)是自由度計(jì)算中應(yīng)注意的三個(gè)問(wèn)題。圖4-1牛頭刨床4.1運(yùn)動(dòng)副及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)械設(shè)備中常用的各種機(jī)器和機(jī)構(gòu)，都是由許多具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件以一定的連接方式組成的，

2、圖4-1所示為牛頭刨床組成示意圖。圖4-2所示為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，是由構(gòu)件(大齒輪6，滑塊1、3，導(dǎo)桿2，滑枕4等)以不同的連接方式組成。一個(gè)零件可以成為一個(gè)構(gòu)件(如圖4-2所示的導(dǎo)桿)，但多數(shù)構(gòu)件是由若干零件固定連接而組成的剛性組合，如圖4-3所示的齒輪構(gòu)件，就是由軸、鍵和齒輪聯(lián)接組成。構(gòu)件與構(gòu)件之間既保證相互接觸和制約，又保持確定的運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)連接稱為“運(yùn)動(dòng)副”。圖4-2擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)圖4-3齒輪構(gòu)件兩構(gòu)件在同一平面內(nèi)所組成的運(yùn)動(dòng)副稱為平面運(yùn)動(dòng)副。構(gòu)件間為面接觸形式的運(yùn)動(dòng)副稱為低副，常見的平面低副有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副(圖4-4a、b)；構(gòu)件間為點(diǎn)、線接觸形式的運(yùn)動(dòng)副稱為高副，常見的平面高副有凸輪副和齒

3、輪副(圖4-5a、b)。圖4-4平面低副圖4-5平面高副對(duì)常用機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，常常不考慮構(gòu)件復(fù)雜的外形和運(yùn)動(dòng)副的具體構(gòu)造，而只關(guān)注機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副類型及相對(duì)位置，這是因?yàn)閷?shí)際機(jī)器構(gòu)件的外形和構(gòu)造各式各樣，但它們對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有影響。因此，在反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，只用簡(jiǎn)單的線條和規(guī)定的符號(hào)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例確定各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置。這種表明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的圖形，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖4-2所示。若只是為了表示機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動(dòng)原理，而不按嚴(yán)格比例繪制的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。4.2平面機(jī)構(gòu)的組成一個(gè)機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件按設(shè)計(jì)者的思路組合而成，組合為機(jī)構(gòu)后應(yīng)能完成

4、或達(dá)到設(shè)計(jì)者指定的運(yùn)動(dòng)要求，為實(shí)現(xiàn)這一要求，就要求在組合為機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)符合一定的要求。4.2.1平面機(jī)構(gòu)的自由度1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，如圖4-6所示的xoy坐標(biāo)系中，構(gòu)件M可以沿x軸線和y軸線移動(dòng)，還能在xoy平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(繞垂直于xoy平面的軸線z，圖中未畫出)。該運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在平面內(nèi)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目簡(jiǎn)稱為自由度。因此，作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件具有三個(gè)自由度。當(dāng)構(gòu)件與構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接后，它們之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)將不能實(shí)現(xiàn)，這種對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的限制，稱之為約束。自由度隨著約束的引入而減少。不同類型的運(yùn)動(dòng)副引入的約束不同，如圖4-7a和圖4-8所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副，被約束的是運(yùn)動(dòng)構(gòu)

5、件沿x、y軸線的移動(dòng)，只保留了平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；如圖4-7b所示的移動(dòng)副則只保留了沿一個(gè)坐標(biāo)軸線的移動(dòng)，沿另一坐標(biāo)線的移動(dòng)和平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)均被限制；如圖4-7c和圖4-5所示的高副連接，約束了沿接觸點(diǎn)法線n-n方向的移動(dòng)，保留了繞接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿切線t-t方向的移動(dòng)兩個(gè)自由度。總結(jié)上述分析可知：在平面機(jī)構(gòu)中，每引入1個(gè)低副，即引入兩個(gè)約束，構(gòu)件失去了兩個(gè)自由度；每引入1個(gè)高副，即引入1個(gè)約束，構(gòu)件失去了1個(gè)自由度。圖4-6自由構(gòu)件圖4-7運(yùn)動(dòng)副的約束圖4-8復(fù)合鉸鏈因此，若一個(gè)平面機(jī)構(gòu)中有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，在未用運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)之前，應(yīng)有3n個(gè)自由度。當(dāng)用PL個(gè)的低副和PH個(gè)高副連接成機(jī)構(gòu)后，則會(huì)引入(

6、2PL1PH)個(gè)約束，即減少了(2PL1PH)個(gè)自由度，如用F表示機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，則的計(jì)算公式為2.計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題(1)復(fù)合鉸鏈如圖4-8a所示，A處符號(hào)常會(huì)誤認(rèn)為是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。若觀察其側(cè)視圖(圖4-8b)，就可以看出A處是構(gòu)件1分別與構(gòu)件2和構(gòu)件3組成的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，只是此時(shí)兩轉(zhuǎn)動(dòng)副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線重合。這種由兩個(gè)以上構(gòu)件在同一軸線上構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的鉸鏈，稱為復(fù)合鉸鏈。當(dāng)組成復(fù)合鉸鏈的構(gòu)件數(shù)為k時(shí)，該處所包含的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目應(yīng)為k-1個(gè)。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)注意是否存在復(fù)合鉸鏈，以免漏算運(yùn)動(dòng)副。圖4-9鋼板剪切機(jī)(2)局部自由度如圖4-10a所示，滾子2可以繞B點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是

7、，該構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)圖4-10局部自由度對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。這種不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的局部的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，稱為局部自由度。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)假想滾子2與桿3固結(jié)(圖4-10b)，消去局部自由度不計(jì)。局部自由度雖然不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，但可以使接觸處的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小摩擦阻力和磨損。因此，實(shí)際機(jī)械中常有局部自由度存在，如滾子、滾輪等。圖4-10局部自由度(3)虛約束在實(shí)際機(jī)構(gòu)中，有些運(yùn)動(dòng)副所起的約束作用是重復(fù)的，這種重復(fù)的約束稱為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將其除去不計(jì)。平面機(jī)構(gòu)中的虛約束，常出現(xiàn)于以下情況：1)軌跡重合。連接構(gòu)件上點(diǎn)的軌跡和機(jī)構(gòu)上連接點(diǎn)的軌跡重合時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛約束。如圖4

8、-11a所示的平行四邊形機(jī)構(gòu)中，連接構(gòu)件5上E點(diǎn)的軌跡就與機(jī)構(gòu)連桿BC上E點(diǎn)的軌跡重合。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，按如圖4-11b所示機(jī)構(gòu)處理，將構(gòu)件5及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F所造成的約束(一個(gè)構(gòu)件引入三個(gè)自由度，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副引入四個(gè)約束)視為虛約束，除去不計(jì)。2)導(dǎo)路平行或重合的移動(dòng)副。兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)導(dǎo)路相互平行的移動(dòng)副時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛約束。如圖4-12a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，移動(dòng)副D和D只有一個(gè)起約束作用，而另一個(gè)則為虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，按如圖4-12b所示機(jī)構(gòu)處理，將其除去不計(jì)。3)軸線重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)軸線相互重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛約束。如圖4-13a所示的齒輪機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)副A和A、B和B中

9、只有一個(gè)起約束作用，另一個(gè)為虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，按如圖4-13b所示機(jī)構(gòu)處理，將其除去不計(jì)。4)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱部分。機(jī)構(gòu)中對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分會(huì)形成虛約束。如圖4-14a所示的行星輪系中，行星輪2和2對(duì)稱分布，只有一個(gè)對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)起獨(dú)立作用，而另一個(gè)的作用與之相同，即是虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，按如圖4-14b所示機(jī)構(gòu)處理，將其除去不計(jì)。由此可見，虛約束雖然不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，但可以增加構(gòu)件的剛性，改善受力狀況，因而實(shí)際機(jī)構(gòu)中常有應(yīng)用。4.2.2平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件只有機(jī)構(gòu)的自由度大于零,機(jī)構(gòu)才能運(yùn)動(dòng)。但要使機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的自由度又必須與外界給予機(jī)構(gòu)的使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)

10、件個(gè)數(shù)相等，只有這樣，機(jī)構(gòu)才能具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目小于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，機(jī)構(gòu)不能有確定的運(yùn)動(dòng)；若機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目大于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，機(jī)構(gòu)不能動(dòng)或損壞。因此，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為：機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目必須等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目。第第5 5章章 平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)目的與要求主要內(nèi)容：本章主要介紹平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型、應(yīng)用場(chǎng)合、基本特性及基本的圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。學(xué)習(xí)目的與要求：了解平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及機(jī)構(gòu)的演化。了解常見機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)判斷機(jī)構(gòu)的類型，理解機(jī)構(gòu)的基本特性，基本掌握用圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)是理解四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及機(jī)構(gòu)的演化和各種

11、機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)判斷機(jī)構(gòu)的類型，難點(diǎn)是理解機(jī)構(gòu)的基本特性和用圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)是將若干構(gòu)件用低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副)連接起來(lái)并作平面運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，也稱低副機(jī)構(gòu)。由于低副為面接觸，故傳力時(shí)壓強(qiáng)低、磨損量小，且易于加工和保證精度，能方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)和移動(dòng)這些基本運(yùn)動(dòng)形式及其相互間的轉(zhuǎn)換等。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)器設(shè)備和儀器儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：由于低副中存在著間隙，將不可避免地引起機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差；此外，它不容易實(shí)現(xiàn)精確復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件用低副連接而成的，簡(jiǎn)稱四桿機(jī)構(gòu)。它應(yīng)用廣泛，是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，本章主要討論四桿機(jī)構(gòu)

12、的有關(guān)問(wèn)題。5.1四桿機(jī)構(gòu)的基本形式根據(jù)有無(wú)移動(dòng)副存在，四桿機(jī)構(gòu)可分為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和滑塊四桿機(jī)構(gòu)兩大類(圖5-1)。5.1.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副都是轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)，稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)(圖5-1a)。機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的構(gòu)件4稱為機(jī)架；與機(jī)架相連的構(gòu)件1、3稱為連架桿，其中能作整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，只能作往復(fù)擺動(dòng)的連架桿稱為搖桿；連接兩連架桿的可動(dòng)構(gòu)件2稱為連桿。1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)按兩連架桿的運(yùn)動(dòng)形式，分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中，如果一個(gè)是曲柄，另一個(gè)是搖桿，則稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(圖5-2)。其主要用

13、途是改變傳動(dòng)形式，可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的擺動(dòng)(如圖5-3所示的雷達(dá)天線的俯仰機(jī)構(gòu))，或?qū)[動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如圖5-4所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu))，或?qū)崿F(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖5-5所示的攪拌器)。(2)雙曲柄機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿均為曲柄時(shí)，稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)(圖5-6)。雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：當(dāng)主動(dòng)曲柄作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄作周期性的變速轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足機(jī)器的工作要求。如圖5-7所示的慣性篩，就是利用了雙曲柄機(jī)構(gòu)ABCD的這個(gè)特點(diǎn)。圖5-2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖5-3雷達(dá)天線中的俯仰機(jī)構(gòu)圖5-4縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)圖5-5攪拌器中的攪拌機(jī)構(gòu)圖5-6雙曲柄機(jī)構(gòu)圖5-7慣性篩在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)的兩桿長(zhǎng)度分別相

14、等時(shí)，則稱為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)(圖5-8)。當(dāng)兩曲柄轉(zhuǎn)向相同時(shí)，它們的角速度時(shí)時(shí)相等，連桿也始終與機(jī)架平行，四個(gè)構(gòu)件形成一平行四邊形，故又稱平行四邊形機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)在工程上應(yīng)用很廣，如圖5-9所示的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、如圖5-10所示的攝影車座斗的升降機(jī)構(gòu)，就是分別利用平行四邊形機(jī)構(gòu)主、從動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)相同和對(duì)邊始終平行的特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各類機(jī)器的不同工作要求的。圖5-8平行雙曲柄機(jī)構(gòu)圖5-9機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)雙搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿均為搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)(圖5-11)。如圖5-12所示的港口起重機(jī)、如圖5-13所示的飛機(jī)起落架、如圖5-14所示的可逆式座椅機(jī)構(gòu)等，都是雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)

15、例。圖5-10攝影車座斗的升降機(jī)構(gòu)圖5-11雙搖桿機(jī)構(gòu)圖5-14可逆式座椅圖5-15輪式車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖5-15所示為輪式車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，它是具有等長(zhǎng)搖桿的雙搖桿機(jī)構(gòu)，又稱等腰梯形機(jī)構(gòu)。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，它能使與兩搖桿固接的兩前輪軸轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度，不論在任何位置，都能使兩前輪軸線的交點(diǎn)P落在后輪軸線的延長(zhǎng)線上。當(dāng)整個(gè)車身繞P點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)，四個(gè)車輪都能在地面上作純滾動(dòng)，從而避免了輪胎在地面上滑動(dòng)所引起的磨損。2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別由以上可分析見，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本形式的主要區(qū)別就在于連架桿是否為曲柄。而機(jī)構(gòu)是否有曲柄存在，則取決于機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度以及最短構(gòu)件所處的位置。對(duì)于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，可按下述

16、方法判別其類型。(1)當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短構(gòu)件的長(zhǎng)度Lmin與最長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度Lmax之和，小于或等于其他兩構(gòu)件長(zhǎng)度l、l之和(即LminLmaxl+l)時(shí)：1)若最短構(gòu)件為連架桿，則該機(jī)構(gòu)一定是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(圖5-16a)。2)若最短構(gòu)件為機(jī)架，則該機(jī)構(gòu)一定是雙曲柄機(jī)構(gòu)(圖5-16b)。3)若最短構(gòu)件為連桿，則該機(jī)構(gòu)一定是雙搖桿機(jī)構(gòu)(圖5-16c)。(2)當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短構(gòu)件的長(zhǎng)度Lmin與最長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度Lmax之和，大于其他兩構(gòu)件長(zhǎng)度l、l之和(即LminLmaxl+l)時(shí),則不論取哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，都無(wú)曲柄存在，機(jī)構(gòu)只能是雙搖桿機(jī)構(gòu)。5.1.2滑塊四桿機(jī)構(gòu)凡含有移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)，稱為滑塊

17、四桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱滑塊機(jī)構(gòu)。按機(jī)構(gòu)中滑塊的數(shù)目，可分為單滑塊機(jī)構(gòu)(圖5-17)和雙滑塊機(jī)構(gòu)(圖5-18)。圖5-17單滑塊機(jī)構(gòu)圖5-17單滑塊機(jī)構(gòu)圖5-18雙滑塊機(jī)構(gòu)1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖5-19所示，圖中1為曲柄，2為連桿，3為滑塊。若滑塊移動(dòng)導(dǎo)路中心通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心，則稱為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(圖5-19a)；若不通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心，則稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(圖5-19b)，其中e為偏距。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的用途很廣，主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)移動(dòng)，如自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)(圖5-20)、沖孔鉗(圖5-21)等，都應(yīng)用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)度較短時(shí)，常把曲柄做成偏心輪的形式(圖5-22)，稱為偏心

18、輪機(jī)構(gòu)。這樣不但增大了軸頸的尺寸，提高了偏心軸的強(qiáng)度和剛度，而且當(dāng)軸頸位于軸的中部時(shí)，還便于安裝整體式連桿，從而使連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于剪床、沖床、內(nèi)燃機(jī)、顎式破碎機(jī)等機(jī)械設(shè)備中。圖5-18雙滑塊機(jī)構(gòu)圖5-19曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖5-20自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)圖5-21手動(dòng)沖孔鉗2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖5-23a所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如取構(gòu)件1為機(jī)架，構(gòu)件2為原動(dòng)件，則當(dāng)構(gòu)件2作圓周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿4也作整周回轉(zhuǎn)(其條件為l1l2時(shí)，仍以構(gòu)件2為原動(dòng)件作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿4只能往復(fù)擺動(dòng)，故稱為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖5-24a)，如牛頭刨床中的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖5-24b)。3.搖塊機(jī)構(gòu)如圖5-25所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，如取原

19、連桿構(gòu)件為機(jī)架，原曲柄構(gòu)件作整周運(yùn)動(dòng)時(shí)，原導(dǎo)路構(gòu)件(圖中為構(gòu)件2)就擺動(dòng)，則滑塊成了繞機(jī)架上C點(diǎn)作往復(fù)擺動(dòng)的搖塊(圖5-25a)，故稱為搖塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于擺動(dòng)液壓泵(圖5-25b)和液壓驅(qū)動(dòng)裝置中。如圖5-25c所示自卸汽車的翻斗機(jī)構(gòu)，也是搖塊機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。4.定塊機(jī)構(gòu)如圖5-26所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，如取滑塊3為機(jī)架，即得定塊機(jī)構(gòu)(圖5-26a)。如圖5-26b所示的手動(dòng)壓水機(jī)是定塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。5.2四桿機(jī)構(gòu)的基本特性1.急回特性如圖5-27所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，原動(dòng)件曲柄1在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，有兩次與連桿2共線(即為B1AC1，AB2C2)；此時(shí)搖桿3分別處于C1D和C2D兩個(gè)極

20、限位置，搖桿的兩個(gè)極限位置間的夾角稱為搖桿的最大擺角；而曲柄與連桿兩共線位置間所夾的銳角稱為極位夾角。當(dāng)曲柄1以等角速順時(shí)針?lè)较蛴晌恢肁B1轉(zhuǎn)到AB2位置時(shí)，轉(zhuǎn)角為1=180+，此時(shí)搖桿3由C1D位置擺動(dòng)C2D，搖桿擺動(dòng)角為，設(shè)所需時(shí)間為t1；當(dāng)曲柄繼續(xù)由AB2順時(shí)針轉(zhuǎn)到AB1時(shí)，轉(zhuǎn)角為2=180-，此時(shí)搖桿也由C2D擺回到C1D，搖桿擺角仍為，所需時(shí)間為t2。由12，得t1t2，說(shuō)明搖桿往返時(shí)間不同。機(jī)構(gòu)的這種性質(zhì)，稱為機(jī)構(gòu)的急回特性。工程上常用從動(dòng)件往返時(shí)間的比值來(lái)表示機(jī)構(gòu)急回特性的大小，即式中k行程速比系數(shù)。圖5-27曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回特性分析式(5-1)表明，機(jī)構(gòu)有無(wú)急回特性，取決于機(jī)構(gòu)

21、的極位夾角是否為零。當(dāng)0時(shí)，k=1，機(jī)構(gòu)沒(méi)有急回特性；當(dāng)0時(shí)，k1，則機(jī)構(gòu)有急回特性；越大，k也越大，急回作用越顯著。當(dāng)需要設(shè)計(jì)有急回特性的機(jī)構(gòu)時(shí)，通常先選定k值，然后根據(jù)k求出角，其公式為然后，根據(jù)值來(lái)確定各構(gòu)件的尺寸。除曲柄搖桿機(jī)構(gòu)外，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖5-28)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等也具有急回特性。在往復(fù)工作的機(jī)械(如插床、插齒機(jī)、刨床、搓絲機(jī)等)中，常利用機(jī)構(gòu)的急回特性來(lái)縮短空行程的時(shí)間，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。2.傳力性能的標(biāo)志壓力角設(shè)計(jì)平面連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅要滿足機(jī)器的運(yùn)動(dòng)要求，還應(yīng)具有良好的傳力性能，以提高機(jī)械的效率。體現(xiàn)這方面性能的特性參數(shù)就是壓力角。(1)壓力角的概念在如圖5-29所示的

22、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若不考慮構(gòu)件的慣性力、運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力及構(gòu)件本身的重力，則原動(dòng)件1通過(guò)連桿2作用于從動(dòng)件3上的力F是沿著連桿BC的方向；力F的方向線與力作用點(diǎn)C的速度vc方向線之間所夾的銳角稱為壓力角，用表示。力F在vc方向上的分力Ft=Fcos，是推動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力，為有效分力；而沿?fù)u桿軸心線方向的分力Fn=Fsin，只能增大鉸鏈中的摩擦和磨損，故為有害分力。顯然，壓力角越小，有效分力Ft越大，有害分力Fn越小，對(duì)提高機(jī)構(gòu)效率越有利?？梢?，壓力角是表示機(jī)構(gòu)傳力性能好壞的標(biāo)志。在工程中，為了度量方便，常將壓力角的余角(圖5-29)稱為傳動(dòng)角，等于連桿與搖桿所夾的銳角，用它來(lái)判斷機(jī)構(gòu)的傳力性

23、能比較直觀。顯然，因=90-，故越大，機(jī)構(gòu)的傳力性能就越好；反之，機(jī)構(gòu)的傳力性能就差；當(dāng)過(guò)小時(shí)，機(jī)構(gòu)就會(huì)自鎖。(2)保證機(jī)構(gòu)具有良好傳力性能的條件由圖5-29可知，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角是隨機(jī)構(gòu)的位置而變化的。為了保證機(jī)構(gòu)有良好的傳力性能，設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)一般機(jī)械，最小傳動(dòng)角min40；傳遞大功率時(shí)，min50。圖5-28擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)急回特性分析圖5-29鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角3.止點(diǎn)位置如圖5-4所示縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)(曲柄搖桿機(jī)構(gòu))在工作時(shí)，是以搖桿(腳踏板)為原動(dòng)件，曲柄為從動(dòng)件的。當(dāng)曲柄AB與連桿BC共線時(shí)(圖5-30)，連桿作用于曲柄上的力F正好通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心A(此時(shí)壓力角=90，

24、0)，該力對(duì)A點(diǎn)不產(chǎn)生力矩，因而曲柄不能轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)所處的這種位置，稱為止點(diǎn)位置。顯然，只要從動(dòng)件與連桿存在共線位置時(shí)，該機(jī)構(gòu)就存在止點(diǎn)位置。因此，以滑塊為原動(dòng)件的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、以導(dǎo)桿為原動(dòng)件的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)以及平行雙曲柄機(jī)構(gòu)等，都存在止點(diǎn)位置。對(duì)于機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，止點(diǎn)位置會(huì)使從動(dòng)件處于靜止或運(yùn)動(dòng)方向不定的狀態(tài)，因而需設(shè)法加以克服，工程上常借助安裝在曲軸上的飛輪的慣性，將機(jī)構(gòu)帶過(guò)止點(diǎn)位置(如縫紉機(jī)曲軸上的大輪，就兼有飛輪的作用)；也可采用相同機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列的方法來(lái)渡過(guò)止點(diǎn)位置，如圖5-31所示的機(jī)車兩邊的車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就是利用錯(cuò)位排列的方法，使兩邊機(jī)構(gòu)的止點(diǎn)位置互相錯(cuò)開，即利用位置差來(lái)順利通過(guò)各自機(jī)構(gòu)的

25、止點(diǎn)位置。圖5-30曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的止點(diǎn)位置除此之外，工程上也常利用機(jī)構(gòu)的止點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。如圖5-32所示的銑床快動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)工件被夾緊后，無(wú)論反力FN有多大，因夾具BCD成一直線，機(jī)構(gòu)(夾具)處于止點(diǎn)位置，夾具不會(huì)自動(dòng)松脫，從而保證了夾緊工件的牢固性；再如圖5-13所示的飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛機(jī)著陸時(shí)，雖然機(jī)輪受很大的反作用力FN，但因桿3與桿2共線，機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)位置，機(jī)輪也不會(huì)折回，從而提高了機(jī)輪起落架工作的可靠性。5.3四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)，主要是根據(jù)給定條件選擇四桿機(jī)構(gòu)的形式，并確定機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)。四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有解析法、圖解法和實(shí)驗(yàn)法三種。解析法精確度較高

26、，雖計(jì)算繁復(fù)，但隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已成必然趨勢(shì)。限于篇幅及知識(shí)點(diǎn)的深度，本節(jié)只介紹比較直觀、簡(jiǎn)明且易于操作的圖解法。1.按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)給定行程速比系數(shù)k，就是給定了四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)的條件，從而確定了極位夾角，根據(jù)其他一些限制條件及極位夾角，可用作圖法方便地作出該四桿機(jī)構(gòu)。(1)按行程速比系數(shù)k設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)已知搖桿長(zhǎng)度LCD、擺角和行程速比系數(shù)k。試設(shè)計(jì)該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)分析：如圖5-33a所示，顯然在已知LCD、的情況下，只要能確定鉸鏈A的位置，則在量得LAC1和LAC2后，則可求得曲柄長(zhǎng)度LAB和連桿長(zhǎng)度LBC，即LAD可直接量得。由于A

27、點(diǎn)是極位夾角的頂點(diǎn)，即C1AC2=，如過(guò)AC1C2三點(diǎn)作輔助圓，由幾何知識(shí)可知，在該圓上任取一點(diǎn)A為頂點(diǎn)，其圓周角也是，且過(guò)輔助圓心O的圓心角C1OC2=2。顯然，當(dāng)求得極位夾角后，用作圖法容易作出輔助圓并得到圓心O，則問(wèn)題迎刃而解?，F(xiàn)將作圖步驟歸納如下：1)計(jì)算：按式(5-2)求得k-1k-22)作搖桿的兩極限位置：任選搖桿回轉(zhuǎn)中心D的位置，按一定的比例尺1，根據(jù)已知LCD及擺角作出搖桿的兩個(gè)極限位置C1D和C2D(圖5-33b)。3)作輔助圓：連接C1、C2，并作與C1C2成90-的兩直線，設(shè)交于O點(diǎn)，則C1OC2=2。以O(shè)點(diǎn)為圓心，以O(shè)C1(或OC2)為半徑作輔助圓。4)在輔助圓上任取一

28、點(diǎn)A為鉸鏈中心，并連接AC1和AC2，量得LAC2和LAC1的長(zhǎng)度，據(jù)此可求出曲柄和連桿的長(zhǎng)度為5)求其他桿件的長(zhǎng)度：機(jī)架LAD可直接量得，乘比例尺1即為實(shí)際尺寸。注意，由于A點(diǎn)是在輔助圓上任選的一點(diǎn)，所以實(shí)際可有無(wú)窮多解。若能給定其他輔助條件，如曲柄長(zhǎng)度LAB、機(jī)架長(zhǎng)LAD或最小傳動(dòng)角min等，則可有唯一的解。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)均有相應(yīng)的輔助條件。還有一種作圖方法作輔助圓：連接C1、C2，在C2作與C1C2成90-的線C2N，在C2作與C1C2垂直的線C1M，得交點(diǎn)P，過(guò)C2C1P三點(diǎn)作輔助圓，其余同上例。與上述方法相似，可在已知滑塊行程s、偏距e和行程速比系數(shù)k的情況下，設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。具體步驟讀者可自行導(dǎo)出。(2)按行程速比系數(shù)k設(shè)計(jì)擺動(dòng)導(dǎo)