機械設(shè)計基礎(chǔ)課件第-2章-平面連桿機構(gòu)

機械設(shè)計基礎(chǔ)FoundationofMachineDesign

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院機械設(shè)計與制造系羅齊漢qhluo@.

10/8/2023機械設(shè)計基礎(chǔ)FoundationofMachineDe第2章

平面連桿機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的演變平面四桿機構(gòu)的設(shè)計第2章

平面連桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)是構(gòu)件全部由平面低副連接而構(gòu)成的機構(gòu)。10/8/20233平面連桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)是構(gòu)件全部由平面平面連桿機構(gòu)的特點

優(yōu)點1.低副是面接觸，因此壓強小、耐磨損。適用于載荷較大的場合。2.低副的接觸面通常是容易加工的平面或圓柱面，容易獲得較高的制造精度。3.低副的約束為幾何約束(靠形狀限制運動)，無需附加約束裝置。4.連桿可做得很長，可較長距離傳遞運動。適合于操縱機構(gòu)。5.平面四桿機構(gòu)運動時，其連桿通常作平面復(fù)雜運動，連桿上每一點的軌跡曲線的形狀隨點在連桿上的位置和各桿相對尺寸的不同而變化。顯然，我們可以利用連桿曲線的這種多樣性來實現(xiàn)我們需要的復(fù)雜軌跡。10/8/20234平面連桿機構(gòu)的特點優(yōu)點5.平面四桿機構(gòu)運動時，其連桿平面連桿機構(gòu)的特點缺點1.低副存在間隙，會引起運動誤差積累。不宜用于高精度。2.連桿機構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，難于實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律。3.有相當(dāng)部分構(gòu)件處于變速運動中，存在慣性力。不適合高速。

最簡單的單自由度平面連桿機構(gòu)是四桿機構(gòu)。四桿機構(gòu)工程上應(yīng)用最多，它也是構(gòu)成多桿機構(gòu)的基礎(chǔ)，本章著重討論四桿機構(gòu)。10/8/20235平面連桿機構(gòu)的特點缺點最簡單的單自由度平面連§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)

全部運動副都是回轉(zhuǎn)副的平面四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu)。

機架曲柄

連架桿

連桿

搖桿10/8/20236§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)全部運動副都是回鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型1.曲柄搖桿機構(gòu)

兩個連架桿中，一個是曲柄，一個是搖桿的四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。2.雙曲柄機構(gòu)

兩連架桿都作整周轉(zhuǎn)動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)3.雙搖桿機構(gòu)兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。10/8/20237§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型1.曲柄搖桿機構(gòu)10/7/20237鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的特性

曲柄搖桿機構(gòu)

兩個連架桿中，一個是曲柄，一個是搖桿。通常曲柄主動，搖桿從動，但也有搖桿主動的情況。應(yīng)用例：牛頭刨床進(jìn)給機構(gòu)、雷達(dá)調(diào)整機構(gòu)、縫紉機腳踏機構(gòu)、復(fù)擺式腭式破碎機、鋼坯輸送機等。

10/8/20238§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的特性曲柄搖桿機構(gòu)10/7/202雷達(dá)調(diào)整機構(gòu)和縫紉機腳踏機構(gòu)10/8/20239雷達(dá)調(diào)整機構(gòu)和縫紉機腳踏機構(gòu)10/7/20239復(fù)擺式腭式破碎機

返回10/8/202310§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)復(fù)擺式腭式破碎機返回10/7/202310§2-1鉸鏈四鋼材輸送機

四桿機構(gòu)運動時，其連桿通常作平面復(fù)雜運動，連桿上每一點的軌跡都是一條封閉的曲線，我們稱之為連桿曲線。圖示步進(jìn)式傳送機構(gòu)就是連桿曲線的典型應(yīng)用，當(dāng)兩個曲柄同步轉(zhuǎn)動時，與兩個連桿相連的推桿５沿著紅色的卵形曲線平動，從而實現(xiàn)定時間隙地傳送工件。

連桿曲線的形狀隨點在連桿上的位置和各桿相對尺寸的不同而變化。顯然，我們可以利用連桿曲線的這種多樣性來實現(xiàn)我們需要的復(fù)雜軌跡。10/8/202311§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鋼材輸送機四桿機構(gòu)運動時，其連桿通常作平面復(fù)雜運動，連桿曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性

當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，搖桿作變速擺動，而且往復(fù)擺動的平均速度是不同的。若將平均速度小的行程作為工作行程(正行程)，將平均速度大的行程作為非工作行程(反行程)，那麼，我們把曲柄搖桿機構(gòu)這種正、反行程平均速度不等的特性稱為急回特性。急回特性很有用，牛頭刨床、往復(fù)式運輸機等機械就常常利用急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。10/8/202312§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動行程速比系數(shù)Ｋ急回特性常用行程速比系數(shù)Ｋ(搖桿反、正行程平均速度之比)來度量。如圖所示，曲柄順時針勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右擺動(順時針為正行程，逆時針為反行程)。我們把搖桿處于兩極限位置時連桿對應(yīng)位置所夾的銳角稱為極位夾角，用θ表示。根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：10/8/202313§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)行程速比系數(shù)Ｋ急回特性常用行程速比系數(shù)Ｋ(搖桿反、正行程平均曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角

定義：作用力和力作用點運動線速度方向之間所夾的銳角稱為壓力角，常用α表示；壓力角的余角稱為傳動角，常用γ表示。曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角隨曲柄的轉(zhuǎn)動而變。傳動角越大則機械效率越高，動力傳動中一般要求傳動角最小值應(yīng)大于40°。因此設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)時有必要檢驗γmin值。不難看出，對于曲柄主動的曲柄搖桿機構(gòu)，最小傳動角就是連桿和搖桿所夾的最小銳角。10/8/202314§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角定義：作用力和力作用點運動線速度方向曲柄搖桿機構(gòu)的死點

搖桿為主動件的曲柄搖桿機構(gòu)，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時，忽略連桿質(zhì)量的情況下，連桿是二力桿，因此連桿對曲柄的作用力通過曲柄鉸鏈中心Ａ，給曲柄的驅(qū)動力矩為０，機構(gòu)就會出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。這種機構(gòu)出現(xiàn)卡死或運動不確定的位置點稱為死點。死點通常有害，應(yīng)設(shè)法消除。消除方法有：

①對從動曲柄施加附加力矩。

②利用構(gòu)件自身或飛輪的慣性。

③多組相同機構(gòu)錯開一定角度布置?？p紉機腳踏板機構(gòu)就存在死點。10/8/202315§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)的死點搖桿為主動件的曲柄搖桿機構(gòu)，當(dāng)曲柄與連桿死點也有應(yīng)用價值右圖所示為利用死點夾緊工件，當(dāng)卸去夾緊驅(qū)動力P后，由于BCD三點共線，工件對壓頭(桿1)的反作用力Ｎ不能使桿１轉(zhuǎn)動，因而工件不會松。10/8/202316§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)死點也有應(yīng)用價值右圖所示為利用死點夾緊工件，當(dāng)卸去夾緊驅(qū)動力飛機起落架是利用死點工作的又一個典型實例飛機起落架機構(gòu)是雙搖桿機構(gòu)，通過主動搖桿3可使輪子在飛機降落時放下(剛好是死點位置，巨大的著陸反力不會使主動搖桿轉(zhuǎn)動)以便于飛機著陸，起飛后收起輪子以減小空氣阻力。10/8/202317§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)飛機起落架是利用死點工作的又一個典型實例飛機起落架機構(gòu)是雙搖雙曲柄機構(gòu)

兩連架桿都作整周轉(zhuǎn)動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。通常，主動曲柄勻速轉(zhuǎn)動，從動曲柄變速轉(zhuǎn)動。無死點。左圖所示的轉(zhuǎn)動翼板式水泵就是典型應(yīng)用。轉(zhuǎn)動翼板式水泵由相位依次相差90°的四個雙曲柄機構(gòu)組成，當(dāng)主動曲柄AB順時針勻速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄CD作周期性變速轉(zhuǎn)動，相鄰兩個機構(gòu)的從動曲柄所夾的角時大時小，導(dǎo)致容積作周期性的變化，從而起到吸水、泵水的作用。10/8/202318§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)兩連架桿都作整周轉(zhuǎn)動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)兩曲柄等長的雙曲柄機構(gòu)稱為平行四邊形機構(gòu)，它是應(yīng)用最廣的一種雙曲柄機構(gòu)。因平行四邊形機構(gòu)的兩個曲柄等速轉(zhuǎn)動，連桿平動，故又稱為等角速度機構(gòu)。機車車輪連動裝置和攝影平臺是其典型應(yīng)用。10/8/202319雙曲柄機構(gòu)兩曲柄等長的雙曲柄機構(gòu)稱為平行四邊形機構(gòu)，它是應(yīng)用雙搖桿機構(gòu)

兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。經(jīng)合理設(shè)計，雙搖桿機構(gòu)還可用來實現(xiàn)一些特定的運動。例如右邊的鶴式起重機可實現(xiàn)釣鉤的近似直線運動，使移動重物時不做或少做功從而減小能耗。又如右邊的車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)：車輛轉(zhuǎn)彎時，如果任何時候都能使兩前輪軸線與后輪軸線相交于彎道的圓心，則四個輪子都相對于地面純滾動，輪胎就不會因滑動而損傷，顯然這就要求兩輪的轉(zhuǎn)角。兩搖桿等長的雙搖桿機構(gòu)（稱為梯形機構(gòu)）就能近似地滿足這個要求。

10/8/202320§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。1鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件

圖示曲柄搖桿機構(gòu)來討論存在曲柄的條件。圖中給出了搖桿處于兩極限位置時的情況。根據(jù)三角形任意兩邊邊長之和必大于等于第三邊邊長的定理:

10/8/202321§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件圖示曲柄鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件

上述關(guān)系說明,鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件：①最短、最長桿長度之和≤另外兩桿的長度之和；②連架桿或機架是最短桿。其中條件①又稱為格拉肖夫(Grashof)判別式

10/8/202322§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件上述關(guān)系說明,鉸鏈四桿機鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型判別1、如果滿足格拉肖夫判別式①以最短桿相鄰的桿作機架，得到曲柄搖桿機構(gòu)；②以最短桿作機架，得到雙曲柄機構(gòu)；③以最短桿相對的桿作機架，得到雙搖桿機構(gòu)。2、如果不滿足格拉肖夫判別式，則無論以哪個桿作機架，都只能得到雙搖桿機構(gòu)。

不滿足：雙搖桿機構(gòu)格拉肖夫判別式最短桿為連架桿：曲柄搖桿機構(gòu)滿足：最短桿為機架：雙曲柄機構(gòu)最短桿為連桿：雙搖桿機構(gòu)10/8/202323§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型判別1、如果滿足格拉肖夫判別式課堂練習(xí)10/8/202324課堂練習(xí)10/7/20232410/8/202325§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)10/7/202325§2-1鉸鏈四桿機構(gòu)作業(yè)P382-6題中圖a)(用作圖法)10/8/202326作業(yè)P3810/7/202326§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變一、曲柄滑塊機構(gòu)

圖a所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，C點的軌跡位于半徑為的圓周上。顯然，若將回轉(zhuǎn)副D直徑增大，再將桿3作成圓環(huán)形，C點的運動規(guī)律不變，但機構(gòu)卻演化為曲柄滑塊機構(gòu)了。若進(jìn)一步將導(dǎo)路的曲率半徑增大趨于∞，則得到圖c所示的曲柄滑塊機構(gòu)。

滑塊作往復(fù)直線運動的曲柄滑塊機構(gòu)分為對心的(如內(nèi)燃機中使用的)和偏置的(見圖d)，偏置滑塊機構(gòu)也存在急回特性。

曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應(yīng)用于活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機、沖床等機械中。10/8/202327§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變一、曲柄滑塊機構(gòu)10/7/202二、曲柄滑塊機構(gòu)的演變1.導(dǎo)桿機構(gòu)

對于圖a)所示的曲柄滑塊機構(gòu)，若改取桿１為機架，就得到圖b)所示的導(dǎo)桿機構(gòu)。導(dǎo)桿機構(gòu)中，通常曲柄２整周轉(zhuǎn)動，滑塊３在導(dǎo)桿４上滑動并跟隨導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動或擺動。由圖容易知道，若l2≥l1，則得到轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)；若l2＜l1，則得到擺動導(dǎo)桿機構(gòu)?？梢钥闯觯孩賹?dǎo)桿機構(gòu)的傳動角始終等于90°，具有很好的傳力性能，因此常用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵中。

②擺動導(dǎo)桿機構(gòu)也存在急回特性。10/8/202328§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變二、曲柄滑塊機構(gòu)的演變1.導(dǎo)桿機構(gòu)10/7/202328§2.搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)

圖d所示為搖塊機構(gòu)，這種機構(gòu)廣泛應(yīng)用于擺缸式內(nèi)燃機和液壓驅(qū)動裝置中，自卸貨車就是很典型的應(yīng)用。圖c所示為定塊機構(gòu)，這種機構(gòu)常用于抽水唧筒和抽油泵中。10/8/202329§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變2.搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)圖d所示為搖塊機構(gòu)，這種機構(gòu)3、雙滑塊機構(gòu)

將鉸鏈四桿機構(gòu)的其中兩桿桿長增至無窮可演化為具有兩個移動副的四桿機構(gòu)——雙滑塊機構(gòu)。按照兩個移動副所處的位置不同，雙滑塊機構(gòu)可分為四種形式：(1)兩移動副不相鄰。例如圖a)所示的正切機構(gòu)(其從動件3的位移與主動件1轉(zhuǎn)角的正切成正比)。

(2)兩移動件相鄰且其中一個與機架相連。例如圖b的正弦機構(gòu)(從動件3的位移與曲柄1轉(zhuǎn)角的正弦成正比)。

(3)兩移動件相鄰但都不與機架相連。下面所示的十字滑塊機構(gòu)就是這種機構(gòu)。十字滑塊機構(gòu)常用作聯(lián)軸器，它可以自動補償主、從動軸由于對中不良而產(chǎn)生的位置誤差。

(4)兩移動副相鄰且都與機架相連。下面所示的橢圓儀就是這種機構(gòu)。當(dāng)兩個滑塊在機架的滑槽中移動時，連桿上的各點的軌跡是長短半徑不同的橢圓。10/8/202330§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變3、雙滑塊機構(gòu)將鉸鏈四桿機構(gòu)的其中兩桿桿長增至無窮三、偏心輪機構(gòu)

下圖所示為兩種偏心輪機構(gòu)。構(gòu)件１為圓盤，其幾何中心Ｂ。因運動時該圓盤繞軸Ａ轉(zhuǎn)動，故稱為偏心輪。Ａ、Ｂ之間的距離e稱為偏心距。按照相對運動關(guān)系，可畫出機構(gòu)運動簡圖如圖中紅線所示。由圖可知，偏心輪是將回轉(zhuǎn)副Ｂ擴(kuò)大到包括回轉(zhuǎn)副Ａ而形成的，偏心距e即為曲柄的長度。當(dāng)曲柄長度很小或傳遞很大的動力時，通常都把曲柄做成偏心輪。這樣一方面提高了偏心軸的強度和剛度(因軸頸的直徑增大了)；另一方面當(dāng)軸頸位于中部時也便于安裝整體式連桿，使結(jié)構(gòu)簡化。因此，偏心輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪床、沖床、顎式破碎機、內(nèi)燃機等機械中。10/8/202331§2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變?nèi)⑵妮啓C構(gòu)下圖所示為兩種偏心輪機構(gòu)。構(gòu)件１為圓§2-3鉸鏈四桿機構(gòu)的設(shè)計

四桿機構(gòu)的設(shè)計，就是根據(jù)給定的運動條件來確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)。有時為使設(shè)計更加合理、可靠，還應(yīng)考慮幾何條件和動力學(xué)條件(如最小傳動角要求)等。設(shè)計問題分類1、按照給定從動件的位置設(shè)計四桿機構(gòu)，稱為位置設(shè)計。2、按照給定點的運動軌跡設(shè)計四桿機構(gòu)，稱為軌跡設(shè)計。設(shè)計方法圖解法——簡便直觀，同時也是解析法的基礎(chǔ)，應(yīng)用較多。但由于其設(shè)計精度低，一般用于求解初始值。解析法——精度高，應(yīng)用最為廣泛，其缺點是不太直觀。實驗法——較為煩瑣，而且精度也低，是不得已時才使用的方法。10/8/202332§2-3鉸鏈四桿機構(gòu)的設(shè)計四桿機構(gòu)的設(shè)計，就一、按給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)

下圖為鑄造車間振實造型機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。它利用一個鉸鏈四桿機構(gòu)來實現(xiàn)翻臺的兩個工作位置。

10/8/202333一、按給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)下圖為鑄造車間振實造型機的二、按給定行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)1.曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計已知條件：搖桿長度l3，擺角ψ和行程速比系數(shù)K。

設(shè)計關(guān)鍵是確定鉸鏈A的位置，從