第五章(連桿機(jī)構(gòu))

第五章平面連桿機(jī)構(gòu)參考文獻(xiàn)張策主編，《機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)》（下冊(cè)），機(jī)械工業(yè)出版社，2004濮良貴主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)》，高等教育出版社，2006其他機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)書(shū)籍

平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化。平面四桿機(jī)構(gòu)的若干基本知識(shí)。平面四桿機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法。本章重點(diǎn)主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的分類(lèi)第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件

和幾個(gè)基本概念第四節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第一節(jié)概述一、平面連桿機(jī)構(gòu)由若干剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接而成的一種平面機(jī)構(gòu)。作用：傳遞運(yùn)動(dòng)、放大位移、改變位移的性質(zhì)。

攪拌機(jī)構(gòu)二、平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，能實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的要求；桿與桿間是低副聯(lián)接，接觸面積大、壓強(qiáng)小、磨損??；制造容易。缺點(diǎn)各構(gòu)件因是低副聯(lián)接，存在間隙，傳動(dòng)精度低；不適用于高速傳動(dòng)。三、四連桿機(jī)構(gòu)是最基本的平面連桿機(jī)構(gòu)第二節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的分類(lèi)機(jī)架4連桿2根據(jù)兩連架桿運(yùn)動(dòng)形式的不同進(jìn)行分類(lèi)－五種基本類(lèi)型12341連架桿1&3一、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)一個(gè)連架桿能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)-曲柄。另一連架桿僅在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)-搖桿。曲柄－原動(dòng)件，搖桿－從動(dòng)件曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿的往復(fù)擺動(dòng)

雷達(dá)天線的俯仰機(jī)構(gòu)搖桿－原動(dòng)件，曲柄－從動(dòng)件搖桿的往復(fù)擺動(dòng)曲柄的整周轉(zhuǎn)動(dòng)

縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

壓力P1、P2分別作用在兩個(gè)波紋管上，推動(dòng)與波紋管固聯(lián)的軸1向右移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺桿2，再經(jīng)過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD，將搖桿AB的小轉(zhuǎn)角傳動(dòng)放大為曲柄CD的大轉(zhuǎn)角。雙波紋管差壓計(jì)二、雙曲柄機(jī)構(gòu)兩連架桿均為曲柄，可作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

慣性篩平行四邊形機(jī)構(gòu)：相對(duì)兩桿平行且相等兩曲柄以相同的角速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿作平移運(yùn)動(dòng)。

機(jī)車(chē)車(chē)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

平行機(jī)構(gòu)1

平行機(jī)構(gòu)2三、雙搖桿機(jī)構(gòu)兩連架桿均為搖桿，只能在有限范圍內(nèi)徑往復(fù)擺動(dòng)。飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)

鶴式起重機(jī)E點(diǎn)走出一近似直線軌跡四、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而成。演化過(guò)程

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)型式:

對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用彈簧管壓力表內(nèi)燃機(jī)機(jī)械壓力機(jī)工作原理圖五、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演變而來(lái),曲柄為機(jī)架導(dǎo)桿類(lèi)型

a.轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（桿1長(zhǎng)度小于桿2）

b.擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（桿1長(zhǎng)度大于桿2）1243擺桿導(dǎo)桿導(dǎo)桿－小型刨床應(yīng)用牛頭刨床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ABCDE

第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件

和幾個(gè)基本概念

一、曲柄存在的條件取決于機(jī)構(gòu)各桿件的相對(duì)長(zhǎng)度及機(jī)架的選擇四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的必要條件為：

1）曲柄、機(jī)架之一是最短桿

2）最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和（桿長(zhǎng)條件）

必須同時(shí)滿足，首先檢查第二個(gè)條件：如果不滿足桿長(zhǎng)條件，機(jī)構(gòu)中不可能有曲柄，不管以哪個(gè)桿件為機(jī)架，只能構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu)。

在滿足桿長(zhǎng)條件的前提下：1.

若以最短桿為機(jī)架，則構(gòu)成雙曲柄機(jī)構(gòu)2.

若以最短桿任一相鄰桿為機(jī)架，則構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3.

若以最短桿相對(duì)的桿為機(jī)架，則構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu)。二、壓力角與傳動(dòng)角壓力角：從動(dòng)件CD上C點(diǎn)所受作用力的方向與該點(diǎn)速度方向之間所夾的銳角。越小，傳動(dòng)效率越高。傳動(dòng)角：連桿與從動(dòng)件所夾的銳角，壓力角的余角。

＝90-，越小，越大，傳動(dòng)效率越高。一般min40驅(qū)動(dòng)力1-主動(dòng)件

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角將出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架兩次共線的位置，比較即得min

。三、死點(diǎn)位置機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿為主動(dòng)件，當(dāng)連桿與從動(dòng)件處于共線位置時(shí)，經(jīng)連桿作用于從動(dòng)件上的力F通過(guò)從動(dòng)件的鉸鏈中心，使驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件的有效分力為零，不論力F多大，都不能使從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)件對(duì)于平行四邊形機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，傳動(dòng)角為零，同時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件重合為一條直線，這時(shí)從動(dòng)曲柄CD存在正、反轉(zhuǎn)兩種可能，稱(chēng)為轉(zhuǎn)向點(diǎn)。

克服死點(diǎn)、轉(zhuǎn)向點(diǎn)的方法

1．在從動(dòng)件上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的飛輪?？p紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

2．相同機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)死點(diǎn)位置利用利用死點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)特定的工作要求

1.飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)落地后作用力不會(huì)使起落架反轉(zhuǎn)保證飛機(jī)安全可靠降落。

2.夾具夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)不會(huì)松脫3.開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)保證融點(diǎn)可靠接觸三．行程速度變化系數(shù)急回特性

擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，曲柄AB等速逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，由B’→B”(1=180°+),

由B”→B’(2=180°-)，擺動(dòng)角度同為，但1>2，故1<2，具有急回運(yùn)動(dòng)特征。－曲柄在兩極限位置時(shí)所夾銳角，也等于導(dǎo)桿的擺角，極位夾角。行程速度變化系數(shù)K

表明急回運(yùn)動(dòng)特征的相對(duì)程度的參數(shù)

四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)急回特征就取決于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中有無(wú)極位夾角。機(jī)構(gòu)的極位夾角θ越大，則機(jī)構(gòu)的急回特征越顯著。θ=0無(wú)急回特征θ>0有急回特征θ>0有急回特征第四節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)-根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)條件，確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的尺寸參數(shù)。平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有兩類(lèi)問(wèn)題：①實(shí)現(xiàn)給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（位置，速度，加速度）②實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法圖解法、實(shí)驗(yàn)法、解析法一、圖解法（一）按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)已知：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿CD長(zhǎng)度和擺動(dòng)角max

、行程速度變化系數(shù)K

設(shè)計(jì)：四桿機(jī)構(gòu)分析

圖示為要求設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置，鉸鏈A的中心必在過(guò)C1、C2

兩點(diǎn)且圓周角等于θ的一個(gè)圓上。設(shè)計(jì)步驟1)

計(jì)算極位夾角θ＝180°(K-1)/(K＋1)2)

按比例畫(huà)出過(guò)C1、C2點(diǎn)，且圓周角等于θ的圓。3)

按其它條件在圓上確定鉸鏈A的位置4)

從圖中量取=b＋a，=b－a

曲柄長(zhǎng)度

連桿長(zhǎng)度2.偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)已知滑塊行程S，偏距e及行程速度變化系數(shù)K，設(shè)計(jì)此偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。（二）按給定連桿的兩個(gè)或三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知：連桿BC的三個(gè)位置設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定固定鉸鏈A、D的位置B1、B2、B3所在圓的圓心即為鉸鏈A位置。C1、C2

、C3

所在圓的圓心即為鉸鏈D的位置。若僅知道連桿BC的二個(gè)位置，可通過(guò)其它條件確定A、D位置（三）按給定連架桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知:曲柄AB及其三個(gè)位置，機(jī)架AD的長(zhǎng)度，構(gòu)件CD上某直線DE的三個(gè)位置。

分析本設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是求活動(dòng)鉸鏈C的第一個(gè)位置C1?？赏ㄟ^(guò)連架桿AB對(duì)CD的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定鉸鏈C的位置，即,將連架桿CD上某直線DE的第一個(gè)位置DE1當(dāng)作機(jī)架不動(dòng)，連架桿AB看作連桿,采用反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)AB對(duì)CD的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

步驟：1、將四邊形分別剛性地繞D點(diǎn)反轉(zhuǎn)，使分別與重合，則得到構(gòu)件AB對(duì)機(jī)架CD相對(duì)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)位置（圖中未畫(huà)出）。此時(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為給定連桿三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。2、作的中垂線，則交點(diǎn)為。E1二.解析法（一）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性及設(shè)計(jì)（二）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性及設(shè)計(jì)（三）正弦、正切機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性及其設(shè)計(jì)

正弦機(jī)構(gòu)正切機(jī)構(gòu)低副高代

正弦機(jī)構(gòu)正切機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性是非線性機(jī)構(gòu)正切機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性是非線性機(jī)構(gòu)

應(yīng)用奧氏測(cè)微儀簡(jiǎn)圖

立式光學(xué)比較儀簡(jiǎn)圖

正弦機(jī)構(gòu)原理誤差線性度盤(pán)

將sin

展開(kāi)，取前兩項(xiàng)得

正切機(jī)構(gòu)原理誤差設(shè)計(jì)原則合理選擇傳動(dòng)型式－－高精度儀器儀表中，多采用正弦機(jī)構(gòu)，精度較低時(shí)一般采用正切機(jī)構(gòu)。條件相同時(shí)，正弦機(jī)構(gòu)的原理誤差是正切機(jī)構(gòu)的1/2。測(cè)桿移動(dòng)副的間隙對(duì)正弦機(jī)構(gòu)精度沒(méi)有影響，但對(duì)正切機(jī)構(gòu)影響大。正切機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工藝性比正弦機(jī)構(gòu)好把工作角度限制在很小范圍內(nèi)，盡量增大參數(shù)a的長(zhǎng)度擺桿長(zhǎng)度的調(diào)整，即采用參數(shù)a可調(diào)整的結(jié)構(gòu)

2)測(cè)量范圍一定情況下，參數(shù)a增大，則工作角度減小，從而減小3)采用參數(shù)a可調(diào)整的結(jié)構(gòu)

正弦機(jī)構(gòu)原理誤差的調(diào)整正切機(jī)構(gòu)原理誤差的調(diào)整擺桿長(zhǎng)度的調(diào)整結(jié)構(gòu)

偏心調(diào)整結(jié)構(gòu)螺釘調(diào)整結(jié)構(gòu)

彈性擺桿結(jié)構(gòu)擺桿支撐間隙的影響與消除

錯(cuò)誤的機(jī)構(gòu)原點(diǎn)位置a)正弦機(jī)構(gòu)b)正切機(jī)構(gòu)

本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)是采用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)法包含兩個(gè)概念：1.剛化2.反轉(zhuǎn)剛化：將四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中每一位置時(shí)各構(gòu)件的相對(duì)位置固定起來(lái)，把此位置時(shí)的四個(gè)構(gòu)件整體視為一個(gè)剛體。反轉(zhuǎn)：利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，將各位置時(shí)的剛體反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使各位置選定的基線都與此基線的初始位置重合，將求活動(dòng)鉸鏈中心的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求固定鉸鏈中心的問(wèn)題。機(jī)械式測(cè)量?jī)x表的組成靈敏元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示數(shù)裝置ps將感受的物理量轉(zhuǎn)換為元件的變形位移。如：彈簧管－流體壓力真空膜盒－高空至地面的距離雙金屬片－溫度解析法設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)機(jī)械式測(cè)量?jī)x表的組成靈敏元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示數(shù)裝置ps指針，等分刻度度盤(pán)將靈敏元件位移傳動(dòng)到指針機(jī)械式測(cè)量?jī)x表的組成靈敏元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示數(shù)裝置ps

因靈敏元件的轉(zhuǎn)化特性存在誤差，故要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：

①具有調(diào)整環(huán)節(jié)以改變傳動(dòng)比；②具有非線性補(bǔ)償功能，以校正敏感元件特性的非線性誤差。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)上述要求：①調(diào)整構(gòu)件尺寸可改變傳動(dòng)比；②曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性具有非線性，利用其非線性可以抵消靈敏元件非線性誤差，使儀表測(cè)量精度滿足要求。解析法設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性滑塊位移S與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系稱(chēng)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。

S＝f()ABCseab+－00曲柄滑塊機(jī)構(gòu)yxC’O曲柄滑塊傳動(dòng)特性方程當(dāng)滑塊為主動(dòng)件時(shí)，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，便于制成相應(yīng)圖譜，特引入無(wú)量綱系數(shù)：①滑塊相對(duì)位移②連桿相對(duì)長(zhǎng)度③相對(duì)偏距代入曲柄滑塊特性傳動(dòng)方程得：得相對(duì)傳動(dòng)比：ia|=0=1相對(duì)傳動(dòng)比和絕對(duì)傳動(dòng)比之間的關(guān)系1若確定，則得ia-圖譜曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲線1ia－二、非線性補(bǔ)償設(shè)計(jì)舉例：壓力表設(shè)計(jì)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（一）壓力表設(shè)計(jì)任務(wù)要求：

a.測(cè)量范圍0～1Mpa

b.指針、度盤(pán)示數(shù)，度盤(pán)標(biāo)度角270°，等分刻度

c.壓力表精度為1.5級(jí)解析法設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)壓力表測(cè)量允許誤差

1.5級(jí)表測(cè)量允許誤差為：在測(cè)量范圍內(nèi)任一壓力處測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值（標(biāo)準(zhǔn)表的示值）之差小于滿幅壓力pmax1.5%。即儀表允許誤差為

＝1Mpa1.5%＝0.015Mpa若壓力表示值曲線全部在兩條平行虛線內(nèi)，儀表為合格。

圖中在滿幅壓力和中間一段壓力處測(cè)量誤差大于允許誤差，為不合格！P(Mpa)270°10壓力表示值標(biāo)準(zhǔn)表示值測(cè)量允許誤差（二）彈簧管特性測(cè)量壓力的敏感元件－彈簧管自由端封閉

在被測(cè)壓力p的作用下，彈簧管自由端沿固定方向產(chǎn)生直線位移s，該直線與自由端切線t-t成角，由彈簧管中心角0決定。即＝f(0)。自由端位移s與壓力p成正比，即s=Ksp，故彈簧管具有線性轉(zhuǎn)換特性。R00OttspC（三）線性傳動(dòng)方案彈簧管齒輪傳動(dòng)指針－度盤(pán)ps(線性轉(zhuǎn)換)(線性傳動(dòng))(線性刻度)OttspC

批量生產(chǎn)中的彈簧管特性離散度很大，并存在非線性，造成滿幅測(cè)量值或某一段測(cè)量值超差。而齒輪為恒定傳動(dòng)比傳動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)比沒(méi)有調(diào)整功能。故此方案不能滿足儀表測(cè)量精度要求。OttspC

（四）加入曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性補(bǔ)償方案采用二級(jí)放大傳動(dòng)，第一級(jí)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，用于非線性補(bǔ)償，應(yīng)按近似線性傳動(dòng)特性設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)；第二級(jí)為齒輪傳動(dòng)。彈簧管齒輪指針度盤(pán)ps(線性轉(zhuǎn)換)(線性傳動(dòng))(線性刻度)曲柄滑塊(近似線性傳動(dòng))曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)①滑塊最大位移smax：

smax即彈簧管滿幅壓力時(shí)位移。②曲柄工作轉(zhuǎn)角g：g=270°/i2

i2－二級(jí)齒輪傳動(dòng)比OttspC0eBAEab曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟①初步選定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的、的值，即在曲線譜中選定一條曲線。ia=1＝4Oia－曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

②確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作區(qū)間。因其傳動(dòng)特性為近似線性，故工作區(qū)間在極值點(diǎn)附近。以一定步長(zhǎng)，利用式

搜索曲線極值點(diǎn)e。

以極值點(diǎn)e對(duì)稱(chēng)分布找出初始角0(H點(diǎn))和終止點(diǎn)z(F點(diǎn))，及對(duì)應(yīng)的iaH

、iaF。有

0＝e－g/2z＝e＋g/2eia=1＝4Oia00ZiaFiaHHFg1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

③求機(jī)構(gòu)參數(shù)

傳動(dòng)比i=g/smax

相對(duì)傳動(dòng)比的平均值iam=(iaH+ia0)/2

或

iam=(iaF+ia0)/2

曲柄長(zhǎng)a=iam/i