第三講-平面連桿機構(gòu)

1、機械設(shè)計基礎(chǔ) 何俊 馮鑒 范志勇 西南交通大學(xué)機械工程系平面連桿機構(gòu)第三章 機械設(shè)計基礎(chǔ)第三章 平面連桿機構(gòu)3.1 概述3.2 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化3.3 四桿機構(gòu)的工作特性3.4 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計機械設(shè)計基礎(chǔ)第一節(jié) 概述一、連桿機構(gòu) Linkages用低副連接的機構(gòu)123ABC4機架連桿coupler 連架桿A1B2C3D4四桿機構(gòu)* four-bar linkage mechanism五桿機構(gòu)六桿機構(gòu)二、連桿機構(gòu)的類型 空間連桿機構(gòu)、平面連桿機構(gòu)機械設(shè)計基礎(chǔ)第一節(jié) 概述優(yōu)點：缺點：1.能夠?qū)崿F(xiàn)多種運動形式的轉(zhuǎn)換，也可以實現(xiàn)各種預(yù)定的運動規(guī)律和復(fù)雜的運動軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動作要

2、求；2.構(gòu)件間接觸面上的比壓小、易潤滑、磨損輕、適用于傳遞較大載荷的場合；3.機構(gòu)中運動副的元素形狀簡單、易于加工制造和保證精度。1.只能近似地滿足給定的運動規(guī)律和軌跡要求，且設(shè)計比較復(fù)雜；2. 運動構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力難以平衡，高速時會引起較大的振動，因此常用于速度較低的場合。 機械設(shè)計基礎(chǔ)三、連桿機構(gòu)的傳動特點四、學(xué)科研究現(xiàn)狀 運動副易加工，承載能力大，易潤滑，不易磨損； 連桿上點的運動軌跡多樣化； 運動副累積誤差大，效率低； 慣性力難以平衡，不宜用于高速； 準(zhǔn)確設(shè)計難；單自由度多自由度；四桿多桿；運動學(xué)設(shè)計運動學(xué)+動力學(xué)設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計+計算機輔助設(shè)計；平面連桿機構(gòu)+空間連桿機構(gòu)。第一節(jié) 概述

3、機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化一、平面四桿機構(gòu)的組成要素鉸鏈四桿機構(gòu) four-bar mech結(jié)構(gòu)特點：四個運動副均為轉(zhuǎn)動副鉸鏈四桿機構(gòu)的組成AD：（固定構(gòu)件）機架 A1B2C3D4AB、CD：連架桿 曲柄：能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿（狹義曲柄） 搖桿：只能在一定范圍內(nèi)擺動連架桿BC：連桿 運動副 周轉(zhuǎn)副：組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件能整周相對轉(zhuǎn)動 擺轉(zhuǎn)副：組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件不能作整周相對轉(zhuǎn)動 平面四桿機構(gòu)的基本型式:基本型式鉸鏈四桿機構(gòu)，其它四桿機構(gòu)都是由它演變得到的。名詞解釋：曲柄作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；連桿作平面運動的構(gòu)件；連架桿與機架相聯(lián)的構(gòu)件；搖桿作定軸擺動的構(gòu)件；周轉(zhuǎn)副能作3600

4、相對回轉(zhuǎn)的運動副；擺轉(zhuǎn)副只能作有限角度擺動的運動副。曲柄連桿搖桿機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化二、四桿機構(gòu)的功能 靠連架桿實現(xiàn)給定的運動規(guī)律（或傳動函數(shù)）傳動機構(gòu) 靠非連架桿實現(xiàn)給定的剛體位置和剛體上點的軌跡導(dǎo)引機構(gòu)機械設(shè)計基礎(chǔ)三、四桿機構(gòu)的基本形式運動變換：轉(zhuǎn)動擺動結(jié)構(gòu)特點：構(gòu)件1為曲柄，構(gòu)件3為搖桿應(yīng)用實例：雷達(dá)天線機構(gòu)、縫紉機腳踏板機構(gòu)、輸送機構(gòu)等雷達(dá)天線機構(gòu)A1B2C3D4縫紉機踏扳機構(gòu) 曲柄搖桿機構(gòu) Crank-rocker Mechanism第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化 2、雙曲柄機構(gòu) double crank m

5、echanism 振動篩機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點：二連架桿均為曲柄應(yīng)用實例：慣性振動篩運動變換：轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動 通常二轉(zhuǎn)速不相等機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化特例1：平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)運動不確定問題特點：二曲柄等速應(yīng)用1火車牽引機構(gòu)應(yīng)用2自動搬運車貨物搬運機構(gòu)（叉車）應(yīng)用3裝載機Solution:1、在從動曲柄上加飛輪。 2、錯位排列 機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化特例2：反平行四邊形機構(gòu)車門開閉機構(gòu)特點：二曲柄轉(zhuǎn)向相反機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化結(jié)構(gòu)特點：二連架桿均為搖桿3. 雙搖桿機構(gòu) double rocker mechanism應(yīng)用實例：1、鑄

6、造用大型造型機的翻箱機構(gòu) 運動變換：擺動擺動實例動畫2、翻臺機構(gòu) 機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)用實例：基本型鉸鏈四桿機構(gòu)： 曲柄搖桿機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu) 平行四邊形機構(gòu) 反平行四邊形機構(gòu) 雙搖桿機構(gòu) 等腰梯形機構(gòu)特例等腰梯形機構(gòu)機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化四、四桿機構(gòu)的演化型式1、改變運動副的尺寸對心式曲柄滑塊機構(gòu)1B24AC3h=2lAB偏心輪機構(gòu) eccentric mechanism4C231BA B副擴大機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化3D3Dr1B2C34AD1B2C4A鉸鏈四桿機構(gòu)曲線導(dǎo)軌曲柄滑塊機構(gòu)變3構(gòu)件形狀r e

7、 01B24AC31B24AC3e對心式曲柄滑塊機構(gòu) slider-crank mechanism偏置式曲柄滑塊機構(gòu) offset S-C2、改變構(gòu)件形狀和運動尺寸機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化3、選不同構(gòu)件作機架機構(gòu)倒置A41A4曲柄滑塊機構(gòu)1B2C32作機架3B2C曲柄搖塊機構(gòu) 液壓作動筒車箱舉升機構(gòu)動畫機械設(shè)計基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化1BA21BA2AA41B2C3曲柄滑塊機構(gòu)1B24C3直動滑桿機構(gòu) prismatic guide mech.C41BA21BA21BA23手動唧筒機構(gòu)3作機架應(yīng)用機械設(shè)計基礎(chǔ)C234A41B2C3曲柄滑塊機構(gòu)作機架 A41B

8、2C3導(dǎo)桿機構(gòu)C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu) whitworth mech.lBC lAB，導(dǎo)桿AC整周轉(zhuǎn)動C234C234C234C234AB123C4lBC lAB，導(dǎo)桿AC擺動擺動導(dǎo)桿機構(gòu) crank shaper mech.AB1第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化機械設(shè)計基礎(chǔ)4AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB321B321B4A32正弦機構(gòu)4A1B321B321B321B321B321B321B321B321B321B

9、321B321B321 作機架1雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu) double slider mech.十字滑塊聯(lián)軸器半聯(lián)軸器4十字滑塊3半聯(lián)軸器2應(yīng)用：縫紉機刺布機構(gòu)第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化機械設(shè)計基礎(chǔ)14AD23作機架雙搖桿機構(gòu)34A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B32正弦機構(gòu)3 作機架雙滑塊機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)4AD1234AD1231作機架雙曲柄機

10、構(gòu)4AD23作機架曲柄搖桿機構(gòu)橢圓規(guī)實例第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化機械設(shè)計基礎(chǔ)4、運動副元素的逆換23C4AB123C4AB1 3, 4包容 關(guān)系互換擺動導(dǎo)桿機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)四桿機構(gòu)的演化： 1 .改變構(gòu)件形狀和運動尺寸； 2 .改變運動副的尺寸； 3 . 選不同構(gòu)件作機架； 4 .運動副元素逆換。 不同類型的四桿機構(gòu)，其傳遞和變換運動的特點不同，傳遞和變換力的特性不同。正確選擇平面四桿機構(gòu)的類型，可以達(dá)到不同的運動和力的傳遞和變換的要求。第二節(jié) 四桿機構(gòu)的基本形式及其演化機械設(shè)計基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性不同的四桿機構(gòu)具有不同的運動特性和傳力特性；同一種四桿機構(gòu)，不同的運動尺寸具

11、有不同的運動和傳力特性。一運動特性1、廣義曲柄定義2、狹義曲柄定義機構(gòu)中能對相連的構(gòu)件作周轉(zhuǎn)的構(gòu)件（曲柄不一定是連架桿）能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿實例：搖頭風(fēng)扇機械設(shè)計基礎(chǔ)3、狹義曲柄存在條件CBC”B”ABCDabcd設(shè)adB過B:B過B:a+db+c即 a+bd+c b(d-a)+c或 c(d-a)+b即 a+cd+b 得：ab, ac, ad, 即a最短；設(shè)d t2 , v2 v1 急回特性 行程速比系數(shù)K advance-to return-time ratio急回特性的應(yīng)用例插床的主運動機構(gòu)慢快K=1, 無急回特性牛頭刨工作要求5、急回特性 quick-return characteris

12、tics 或！實物動畫第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性運動特性機械設(shè)計基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性運動特性3BC21C1C23BC213B21C23B1C3BC213BC212C3B13BC213BC213BC213BC213BC213BC2133BC23B21C2C3B13BC2113BC23BC213BC213BC213BC213BC21B213C23B1C3BC24ADC2C13可行域可行域非可行域非可行域 從動件運動可行域及非可行域 從動件運動連續(xù)性要求不可能在非可行域運動；不可能從一個可行域躍入另一個可行域。 可行域與桿長有關(guān) 可行域的確定rmax = lAB + lBCrmin = l

13、BC - lABrmaxrmin6、運動連續(xù)性 continuity of motion機械設(shè)計基礎(chǔ)1、傳動角和壓力角 pressure/transmission angle 衡量機構(gòu)傳力性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)：輸出同樣的功率，機構(gòu)運動副中傳遞的力（運動副的反力）應(yīng)當(dāng)最小；當(dāng)不計構(gòu)件質(zhì)量和運動副摩擦?xí)r，用傳動角來衡量?！盋BC”B”ABCDabcd作用在從動件CD上受力點C的力為P。P正交分解為Pt 和Pn，壓力角：輸出件的受力方向與受力點的速度方向的所夾的銳角。 Pt =Pcos = Psin Pn =Psin = Pcos 傳動角：輸出件的受力方向與受力點到其轉(zhuǎn)動中心連線所夾的銳角。 + =90第

14、三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性傳力特性機械設(shè)計基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性傳力特性機構(gòu)的傳力性能要求：minmin可能出現(xiàn)的位置：曲柄與機架共線。重疊共線時：拉直共線時：或?qū)ζ们瑝K機構(gòu)：maxminaBbACeb)bmin1機械設(shè)計基礎(chǔ)maxminaBbACeb)aBbACa)Abb minmin問題討論：標(biāo)出下列機構(gòu)在圖示位置的壓力角傳動及最小傳動角min.d)aCABb 00; 900.e)e) 00; 900.第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性傳力特性機械設(shè)計基礎(chǔ)2、死點 dead point 死點：機構(gòu)運動時出現(xiàn)傳動角=00 的位置。在此處，主動件不能驅(qū)動機構(gòu)。B1C1B2C24ABCD23

15、1=00=00BACB1C=00C2B2=00 克服死點的措施 利用慣性力 相同機構(gòu)錯位排列GGEFEF蒸汽機車車輪聯(lián)動機構(gòu)第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性傳力特性機械設(shè)計基礎(chǔ)1、飛機起落架機構(gòu)=002、折疊家具機構(gòu)=00 死點的利用實體動畫3、夾具夾緊機構(gòu)第三節(jié) 四桿機構(gòu)的工作特性傳力特性機械設(shè)計基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機構(gòu)的設(shè)計按行程速比系數(shù)K設(shè)計1、工程要求：設(shè)計滿足給定的行程速比系數(shù)K的四桿機構(gòu)，給定搖桿長，從動件行程2、要點：掌握極位夾角及其與K的關(guān)系3、思路：A, C1, C2三點所在圓和 角之關(guān)系。900- 4、問題A C1, AC2, AB, BC長度 關(guān)系。AC1=BC-ABAC2=BC+

16、ABAB=(AC2-AC1)2根據(jù)條件，只有D, C1, C2確定，A點待定。如何確定A點?B1C11B2C24ABCD231oA機械設(shè)計基礎(chǔ)r=B2C2r=EF900- 5、作圖方法 B2C2o已知：LCD, , K。求：曲柄搖桿機構(gòu)其它三桿長度LAB, LBC, LAD。比例尺C1DAEFBC未知桿長lAB = AB ul mmlBC = BC ul mmlAD = AD ul mm 6、問題討論 無其它條件，有無窮多解； 有其它條件，如最小傳動角 要求時，要檢驗最小傳動角。 無窮多解為簡單解析計算提供了機會。如確定A點一個特殊位置，用AC1C2求解。第四節(jié) 四桿機構(gòu)的設(shè)計按行程速比系數(shù)K

17、設(shè)計機械設(shè)計基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機構(gòu)的設(shè)計按兩連架桿的位置設(shè)計1、 工程要求：實現(xiàn)兩連架桿的一系列對應(yīng)位置。即，已知機架長lAD和兩連架桿對應(yīng)位置，設(shè)計四桿機構(gòu)（求其它三桿長）問題。2、 方法：反轉(zhuǎn)法ABCDABCD轉(zhuǎn)化機構(gòu)，使DC成為機架，成為剛體導(dǎo)引。倒置123123-12-13B3b3B2b2B1b1e3C3e2e1C2C1AD3、 設(shè)計思路先自定一動鉸鏈B或連架桿AB的長度。已知二固定鉸鏈和一個活動鉸鏈B，求另一活動鉸鏈C。機械設(shè)計基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機構(gòu)的設(shè)計按兩連架桿的位置設(shè)計dB1B2B3C1ADB2B3b12b23123123a4、 圖解法機械設(shè)計基礎(chǔ)未知桿長lBC = lB1C1 mlCD = lC1D m 問題討論 給定AB桿后只有確定解； 兩組對應(yīng)位置問題無窮多解，可加其它條件; 四組對應(yīng)位置問題干桿AB不能任意給定。 注意問題 二連架