機械設(shè)計基礎(chǔ)第二章

第2章平面連桿機構(gòu)教學(xué)要求教學(xué)重點與難點教學(xué)內(nèi)容1）理解鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式2）掌握曲柄搖桿機構(gòu)的性質(zhì)3）鉸鏈四桿機構(gòu)的演化4）平面四桿機構(gòu)的設(shè)計平面連桿機構(gòu)：用低副連接而成的平面機構(gòu)平面連桿機構(gòu)的特點優(yōu)點（1）由于是低副，是面接觸，所以承受壓強小，便于潤滑，磨損較輕，可承受較大載荷（2）結(jié)構(gòu)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）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

缺點（1）連桿機構(gòu)的設(shè)計比較復(fù)雜，不易精確實現(xiàn)較復(fù)雜的運動規(guī)律（2）當(dāng)構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)較多時，效率較低。2-1鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型和性質(zhì)定義：所有運動副均為轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構(gòu)組成機架：固定件連桿：不與機架直接相連的構(gòu)件連架桿（2個）：與機架相連的構(gòu)件曲柄搖桿能做360度整周回轉(zhuǎn)在小于360度的某一角度范圍的擺動一、鉸鏈四桿機構(gòu)DABC3412雙搖桿機構(gòu)DABC3412雙曲柄機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)演示一、曲柄搖桿機構(gòu)兩個連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿，則此鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。曲柄1為原動件，作勻速轉(zhuǎn)動；搖桿3為從動件，作變速往復(fù)擺動。1）曲柄為主動件可以實現(xiàn)由曲柄的整周回轉(zhuǎn)運動到搖桿往復(fù)擺動的運動轉(zhuǎn)換。雷達俯仰天線刮水器2）搖桿為主動件可以將搖桿的擺動變?yōu)榍恼芑剞D(zhuǎn)運動。縫紉機2.雙曲柄機構(gòu)：兩連架桿均為曲柄的四桿機構(gòu)☆兩個連架桿都能作整周回轉(zhuǎn)運動可將原動曲柄的等速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成從動曲柄的等速或變速轉(zhuǎn)動。如慣性篩驅(qū)動機構(gòu)演示當(dāng)雙曲柄機構(gòu)的相對兩桿平行且相等時，則成為平行四邊形機構(gòu)注意：平行四邊形機構(gòu)在運動過程中，當(dāng)兩曲柄與機架共線時，在原動件轉(zhuǎn)向不變、轉(zhuǎn)速恒定的條件下，從動曲柄會出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象。

可以在機構(gòu)中添加飛輪或使用兩組相同機構(gòu)錯位排列3.雙搖桿機構(gòu)☆兩連架桿均為搖桿起重機中重物平移機構(gòu)點P落在后輪軸線的延長線上，則當(dāng)整個車子轉(zhuǎn)向時，保證四個輪子都是純滾動，從而可以避免輪胎因滑動而產(chǎn)生過大磨損。圖2－6在實際中，除上述的三種基本類型的鉸鏈四桿機構(gòu)外，還廣泛地使用著許多其它類型的四桿機構(gòu)。而這些四桿機構(gòu)都可以看作是通過某種方法由鉸鏈四桿機構(gòu)演化而成的。例如我們前面所說，鉸鏈四桿機構(gòu)可以分為三種形式，即曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)，而其中后兩種機構(gòu)可視為曲柄搖桿機構(gòu)取不同構(gòu)件作為機架演化而來。盡管其形式不同于基本類型，但其運動性質(zhì)、分析和設(shè)計方法在本質(zhì)上是相同或類似的。接下來我們就對機構(gòu)的演化方法加以介紹。二、平面四桿機構(gòu)的演化要遵循“不改變構(gòu)件間的相對運動狀況，而只可改變構(gòu)件的形狀或其絕對運動”的原則。機構(gòu)的演化方法有三種：1、通過改變構(gòu)件的形狀和相對尺寸進行演化；2、通過改變運動副尺寸進行演化；3、通過選用不同構(gòu)件做為機架進行演化。圖2－71、改變構(gòu)件的形狀和運動尺寸——曲柄滑塊機構(gòu)搖桿長轉(zhuǎn)動副Dmm→∞→直線→滑塊搖桿4→移動副曲柄滑塊機構(gòu)mm21134mm1234根據(jù)滑塊導(dǎo)路是否通過固定鉸鏈中心A，可分為對心曲柄滑塊機構(gòu)和偏心曲柄滑塊機構(gòu)，其偏心的距離e稱作偏心距。ABC412ABC412(a)(b)3桿4稱為導(dǎo)桿滑塊3沿導(dǎo)桿移動并隨導(dǎo)桿一起繞A點轉(zhuǎn)動當(dāng)l1≤l2，桿2、桿4能作整周轉(zhuǎn)動，稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)。當(dāng)l1>l2，桿4只能往復(fù)擺動，稱為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。2、取不同構(gòu)件為機架——導(dǎo)桿機構(gòu)3CBABACCBA3、取不同構(gòu)件為機架搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)以連桿為固定件以滑塊為固定件自卸卡車車箱的舉升機構(gòu)手動抽水泵4、含兩個移動副的四桿機構(gòu)改變不同構(gòu)件為機架按照同樣的演化方法，若將鉸鏈四桿機構(gòu)中兩個轉(zhuǎn)動副用移動副代替，并分別改取不同的構(gòu)件為機架，可以演化出正弦機構(gòu)、正切機構(gòu)等。

正弦和正切機構(gòu)常用于儀表和解算裝置中。a、兩個移動副不相鄰b、兩個移動副相鄰，且其中一個移動副與機架相關(guān)聯(lián)正切機構(gòu)橢圓儀改變運動副的尺寸：偏心輪機構(gòu)桿1變?yōu)閳A盤，其幾何中心為B，運動時，圓盤繞偏心A轉(zhuǎn)動，故稱為偏心輪。A、B之間的距離稱為偏心距e，即為曲柄的長度。擴大轉(zhuǎn)動副B的半徑使之超過曲柄的長度2341e1234這種機構(gòu)多用在曲柄銷承受較大沖擊載荷的機械上，或曲柄長度較短及曲柄需要裝在直軸的中部等的機械中，如破碎機、剪床及抽水機等。l2Al1l3l4CBDB'C'B"C"曲柄搖桿機構(gòu)在ΔB〞C〞D中有：l3≤l4+

（l1-l2）l4≤l3+（l1-l2）l2+l3≤l1+l4l2+l4≤l1+l3l1+l2≤l3+l4(3)(2)(1)§2-2平面四桿機構(gòu)的基本特性鉸鏈四桿機構(gòu)中是否存在曲柄，取決于機構(gòu)各桿的相對長度和機架的選擇。如圖所示的機構(gòu)中，桿1為機架，桿2為曲柄，桿3為連桿，桿4為搖桿，各桿長度以l1、l2、l3、l4表示。為了保證曲柄整周回轉(zhuǎn)，曲柄必須能順利通過與機架共線的兩個位置AB’和AB’’。ΔB′C′D中1、曲柄存在的條件由（1）、（2）、(3)式兩兩相加，得到以下關(guān)系式：l2≤l1l2≤l3l2≤l4(4)說明AB桿為最短桿①最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；（桿長之和條件）②連架桿與機架中必有一桿為最短桿。（最短桿條件）曲柄存在條件（格拉肖夫條件）你會判斷由不同桿作機架時四桿機構(gòu)屬于哪種機構(gòu)么？具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機構(gòu)是否存在曲柄，還應(yīng)根據(jù)選擇何桿為機架來判斷判斷由不同桿作機架時四桿機構(gòu)類型的方法雙搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)以最短桿相鄰桿為機架以與最短桿相對的桿為機架以最短桿為機架NY當(dāng)原動件（曲柄）作勻速定軸轉(zhuǎn)動、從動件相對機架作往復(fù)運動（擺動或移動）時，從動件正反兩個行程的平均速度不相等的現(xiàn)象稱為機構(gòu)的急回運動特性。概念：

擺角ψ、極位夾角θ2、急回特性

急回運動特性可用行程速度變化系數(shù)：（或行程速比系數(shù)）K表示：=

K=θ=180°（K-1）/（K+1）v2/v1（C2C1/t2）/

（C1C2/t1）t1/t21/2（180°+θ）/（180°-θ）===極位夾角計算公式：式中θ為搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角，稱為極位夾角（C2AC1）。連桿機構(gòu)輸出件具有急回特性的條件：1）原動件等角速整周轉(zhuǎn)動；2）輸出件具有正、反行程的往復(fù)運動；3）極位夾角θ>0。

說明：（1）機構(gòu)有極位夾角，就有急回特性；（2）θ越大，K值越大，急回特性就越顯著；（3）θ=0、K=1時，無急回特性。急回特性的作用：可以縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。

ABCDαFvc（1）機構(gòu)壓力角:在不計摩擦力、慣性力和重力的條件下，機構(gòu)中驅(qū)使輸出件運動的力與輸出件上受力點的速度方向間所夾的銳角，稱為機構(gòu)壓力角，通常用α表示。3、壓力角和傳動角傳動角：壓力角α的余角ABCDγδvcαFFtFn通常用γ表示.Ft為有效分力Ft=Fcosα,Ft在連桿設(shè)計中，為度量方便，習(xí)慣用傳動角γ來判斷機構(gòu)傳力性能。γFt，機構(gòu)傳力性能越好，反之，機構(gòu)傳力越費勁，傳動效率越低。γ＝90－αγ＝δ，連桿和從動搖桿之間所夾的銳角BAC1C21l234極位夾角θ等于導(dǎo)桿的擺角ψ，所以此機構(gòu)具有急回特性。由圖可見，滑塊4對導(dǎo)桿1的作用力F的方向始終垂直于導(dǎo)桿，即傳動角γ始終等于90°，所以具有很好的傳力性能γmin≥40°；曲柄搖桿機構(gòu)的最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架共線（＝0o或＝180o）的位置。機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，傳動角γ是變化的，為了保證機構(gòu)的正常工作，機構(gòu)的傳動角作出如下規(guī)定BD2=l12+l42-2l1l4cos最小傳動角的確定在ABD和BCD中：FvcBD2=l22+l32-2l2l3cosBCDABCDγδFvcF1B’B’’C’’C’δminl1l2l3l4δmanγ=F2F2ABCDγδFvcF1B’B’’C’’C’δminl1l2l3l4δmanCosBCD=（l22+l32-l12-l42+2l1l4cos）

2l2l3

BCD

180-

BCD

BCD為鈍角時

BCD為銳角時偏置曲柄滑塊機構(gòu)，以曲柄為主動件，滑塊為工作件，傳動角γ為連桿與導(dǎo)路垂線所夾銳角，如圖所示。最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位于與偏距方向相反一側(cè)。對于對心曲柄滑塊機構(gòu)，即偏距e=0的情況，顯然其最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。對以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，因為滑塊對導(dǎo)桿的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，其傳動角γ恒為90°，即γ=γmin=γmax=90°,表明導(dǎo)桿機構(gòu)具有最好的傳力性能。BAC1C21l234

在不計構(gòu)件的重力、慣性力和運動副中的摩擦阻力的條件下:當(dāng)搖桿為主動件，連桿和曲柄共線時，過鉸鏈中心A的力，對A點不產(chǎn)生力矩，不能使曲柄轉(zhuǎn)動，機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。BFDBADACCF4、死點位置4、死點位置曲柄搖桿機構(gòu)中，若以搖桿為原動件，當(dāng)連桿與從動件（曲柄）共線時的位置稱死點位置。這時機構(gòu)的傳動角γ=0，壓力角α=900，即連桿對從動曲柄的作用力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心A，不能推動曲柄轉(zhuǎn)動。存在死點位置的標志：連桿與從動件共線。

搖桿為原動件，有2個死點位置；

曲柄為原動件，沒有死點位置。（因連桿與從動桿不會共線）縫紉機踏板機構(gòu)死點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。這種缺陷可利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)的慣性或添加輔助機構(gòu)來克服。如家用縫紉機的腳踏機構(gòu)，就是利用皮帶輪的慣性作用使機構(gòu)能通過死點位置思考題曲柄搖桿機構(gòu)是否一定具有急回特性？是否肯定有死點位置？1.曲柄為原動件，當(dāng)機構(gòu)有極位夾角時，就有急回特性；θ=0、K=1時，無急回特性。2.存在死點位置的標志是：連桿與從動件共線。

搖桿為原動件，有2個死點位置；

曲柄為原動件，沒有死點位置。（因連桿與從動桿不會共線）（1）曲柄為主動件時，無死點位置；（2）搖桿為主動件時，曲柄與連桿共線的兩個位置是死點位置（圖中虛線位置）兩曲柄之一為主動件時，機構(gòu)均無死點位置兩搖桿中任一桿為主動件時，機構(gòu)都有一個死點位置（如圖中虛線位置之一）雙曲柄機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)幾種基本四桿機構(gòu)死點位置的分析名稱機構(gòu)的死點位置分析（1）曲柄為主動件時，機構(gòu)無死點位置；（2）滑塊為主動件時，機構(gòu)有兩個死點位置（圖中虛線位置）

曲柄或?qū)U為為主動件時，機構(gòu)均無死點位置；（1）曲柄為主動件時，機構(gòu)無死點位置；（2）導(dǎo)桿為主動件時，機構(gòu)有兩個死點位置（圖中虛線位置）偏置曲柄滑塊機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)當(dāng)曲柄AB為主動件，曲柄CD為從動件時，死點存在的位置就是連桿BC和從動曲柄CD共線的位置，即l1+14≥12+l3，由已知條件可知，等于的情況存在，則死點存在的位置為圖所示，第一位置為曲柄AB轉(zhuǎn)到E點，曲柄CD轉(zhuǎn)到F點時，第二個死點位置為曲柄AB轉(zhuǎn)到G點，曲柄CD轉(zhuǎn)動H點時。由此可以得出，平行四邊形機構(gòu)存在死點位置，有兩個死點位置。機構(gòu)處于死點位置，一方面驅(qū)動力作用降為零，會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象從動件要依靠慣性越過死點；另一方面是方向不定，可能因偶然外力的影響造成反轉(zhuǎn)。

①利用系統(tǒng)的慣性；②利用特殊機構(gòu)。如圖a）所示為一種快速夾具，要求夾緊工件后夾緊反力不能自動松開夾具，所以將夾頭構(gòu)件1看成主動件，當(dāng)連桿2和從動件3共線時，機構(gòu)處于止點，夾緊反力N對搖桿3的作用力矩為零。這樣，無論N有多大，也無法推動搖桿3而松開夾具。當(dāng)我們用手搬動連桿2的延長部分時，因主動件的轉(zhuǎn)換破壞了止點位置而輕易地松開工件。如圖b)所示為飛機起落架處于放下機輪的位置，地面反力作用于機輪上使AB件為主動件，從動件CD與連桿BC成一直線，機構(gòu)處于止點，只要用很小的鎖緊力作用于CD桿即可有效地保持著支撐狀態(tài)。當(dāng)飛機升空離地要收起機輪時，只要用較小力量推動CD，因主動件改為CD破壞了止點位置而輕易地收起機輪。

夾緊機構(gòu)§2-3平面四桿機構(gòu)的設(shè)計根據(jù)給定的運動條件，確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)按照給定從動件的運動規(guī)律設(shè)計四桿機構(gòu)（位置、速度、加速度）按照給定的軌跡設(shè)計四桿機構(gòu)設(shè)計機構(gòu)的方法有解析法、圖解法和實驗法按照給定的行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)設(shè)計具有急回運動的機構(gòu)，一般是根據(jù)工作要求，先給定行程速比系數(shù)K的數(shù)值，然后由機構(gòu)在極限位置處的幾何關(guān)系，結(jié)合其他輔助條件，確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)。一般設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)的已知條件是搖桿長度、擺角Ψ和行程速比系數(shù)K巳知：搖桿長l4

,擺角ψ和行程速比系數(shù)k要求：確定鉸鏈中心A，定出其他三桿尺寸1）由給定的行程速比系數(shù)K計算極位夾角DC1C2MPNA2）任選固定鉸鏈中心D的位置，并用搖桿長度l4和擺角

作出搖桿的兩個極限位置C1D和C2DB13）連接C1和C2點，并過C1點作C1C2的垂線C1M和過C2點作與C1C2成∠C1C2N=90°-θ的直線C2N，得交點P。由三角形的內(nèi)角之和等于180°可知，△C1PC2中的∠C1PC2=θ4）作△C1PC2外接圓，在弧C1PC2上任選一點作為曲柄與固定件組成的固定鉸鏈中心，并分別與C1、C2相連，得∠C1AC2。因同一圓弧的圓周角相等，故∠C1AC2=∠C1PC2=θ5）由曲柄在極限位置處的曲柄和連桿共線的關(guān)系可知：從而得出作圖過程演示曲柄滑塊機構(gòu)已知曲柄滑塊機構(gòu)的行程速比系數(shù)K，沖程H和偏距e1）由給定的行程速比系數(shù)計算極位夾角θ2）由沖程畫C1C2=H,作∠C1C2M為90°-θ，過C1做C1C2的垂線C1N相交于p3）作△C1PC2外接圓，在弧C1PC2上任選一點作為曲柄與固定件組成的固定鉸鏈中心，并分別與C1、C2相連，得∠C1AC2。因同一圓弧的圓周角相等，故∠C1AC2=∠C1PC2=θBAC1C21l2341)由圖可知極位夾角θ與擺角Ψ相等，故可求出2）任取一點作為A，作∠C2AC1=Ψ，并作其角等分線。再由A點在其上按作圖比例尺截取AB等于機架的長度，則點B即為曲柄的回轉(zhuǎn)中心。3）過點B作導(dǎo)桿兩極限位置的垂線BC1（或BC2)，則該線段便表示曲柄的長度。擺動導(dǎo)桿機構(gòu)按照給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)給定三個位置如圖所示,已知連桿BC的長度BC和依次所處的三個位置B1C1、B2C2、B3C3,試設(shè)計該四桿機構(gòu)。設(shè)計分析:由圖可知,B1、B2、B3三點是在以鉸鏈A點為圓心的圓弧上運動的點,故用已知圓弧上的三點求圓心的方法,可求出鉸鏈中心點A、D。設(shè)計步驟:(1)作B1、B2和B2、B3連線的垂直平分線b12、b23,其交點為固定鉸鏈中心A的位置。(2)作C1、C2和C2、C3連線的垂直平分線c12、c23,其交點為固定鉸鏈中心D的位置。(3)連接A、B1、C1、D,就是所求的鉸鏈四桿機構(gòu)。作業(yè)：2-1；2-3；2-6；2-7；思考題/1格拉肖夫判別式是指：鉸鏈四桿機構(gòu)中最短桿與最常桿長度之和

其他兩桿長度之和。機構(gòu)的壓力角指：從動件上某點所受

的方向與該點

的方向所夾銳角，設(shè)計