第3章 平面連桿機(jī)構(gòu)

第3章平面連桿機(jī)構(gòu)目的及內(nèi)容

1.了解連桿機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用；2.了解平面連桿機(jī)構(gòu)的演化方式；3.了解曲柄存在的條件、傳動(dòng)角、死點(diǎn)、急回運(yùn)動(dòng)、行程速比系數(shù)等概念；4.掌握按簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)條件設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本方法。重點(diǎn)：1.平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本形式及其演化2.曲柄存在條件、傳動(dòng)角、死點(diǎn)、急回運(yùn)動(dòng)、行程速比系數(shù)

、運(yùn)動(dòng)連續(xù)性3.平面四桿機(jī)構(gòu)綜合的一些方法(能按行程速比系數(shù)、連桿三位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))難點(diǎn)：有關(guān)曲柄存在的條件的桿長(zhǎng)關(guān)系式全面分析若干個(gè)構(gòu)件通過低副連接而成的機(jī)構(gòu)，稱之為低副機(jī)構(gòu)。一、連桿機(jī)構(gòu)二、連桿機(jī)構(gòu)的分類1.根據(jù)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分為：平面連桿機(jī)構(gòu)，空間連桿機(jī)構(gòu)。2.根據(jù)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)目分為：四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)等。三、優(yōu)點(diǎn)1.可傳遞較遠(yuǎn)距離的動(dòng)作；2.運(yùn)動(dòng)副均為低副，承載大，耐磨損。3.運(yùn)動(dòng)副元素幾何形狀較簡(jiǎn)單，加工制造方便，成本低?？科浔旧淼膸缀畏忾]來保證構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠。荷蘭藝術(shù)家兼動(dòng)態(tài)雕塑家TheoJansen發(fā)明利用風(fēng)能自由奔跑的巨獸機(jī)器人。Jansen連桿機(jī)構(gòu)四、缺點(diǎn)1.運(yùn)動(dòng)鏈長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)累積誤差大，難以精確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，效率較低。2.構(gòu)件上的慣性力難以平衡，不宜用于傳遞高速運(yùn)動(dòng)。3.運(yùn)動(dòng)副磨損后的間隙難以補(bǔ)償。4.低副引入的約束數(shù)比高副多，設(shè)計(jì)難度增加。搖桿連架桿曲柄連桿機(jī)架連架桿1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式3.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用3.1.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿中一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。契貝謝夫四足步行機(jī)當(dāng)一對(duì)腳足處在連桿曲線的直線部分時(shí)，著地靜止不動(dòng)，另一對(duì)腳足則處在連桿曲線的曲線部分作邁足運(yùn)動(dòng)。兩對(duì)腳足交替著地、前行。汽車擋風(fēng)玻璃雨刮器機(jī)構(gòu)3.1.2雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：1.連桿作平動(dòng)2.兩曲柄同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)升降平臺(tái)攝影搖臂運(yùn)動(dòng)不確定性

反平行四邊形機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：兩曲柄反向轉(zhuǎn)動(dòng)車門啟閉機(jī)構(gòu)3.1.3雙搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿都是搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。鶴式起重機(jī)特例：等腰梯形機(jī)構(gòu)——兩搖桿長(zhǎng)度相等牛頭刨床機(jī)構(gòu)3.2.1急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比系數(shù)3.3

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性擺角θψC1C2DAB2B1B

1C

2∵

1>

2,∴t1>t2,

v1<v2極位夾角⌒v2=C1C2/t2

1=180

+θ,

2=180

-θ⌒v1=C1C2/t1極位夾角：兩極限位置曲柄所夾銳角行程速比系數(shù)極位夾角越大，K值越大，急回運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)越顯著。判斷機(jī)構(gòu)是否有急回運(yùn)動(dòng)，看機(jī)構(gòu)中是否存在極位夾角。存在急回運(yùn)動(dòng)不存在急回運(yùn)動(dòng)存在急回運(yùn)動(dòng)壓力角傳動(dòng)角傳動(dòng)角越大，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)越有利，效率越高。機(jī)構(gòu)壓力角:在不計(jì)摩擦力、慣性力和重力的條件下，力的作用線與其作用點(diǎn)的絕對(duì)速度方向vc間所夾的銳角。傳動(dòng)角：壓力角的余角。3.2.2壓力角和傳動(dòng)角

=0,δmin=arccos{[b2+c2-(d-a)2]/2bc}曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角的確定B’C’δminF2ABCD

γδFvcF1

abcd

δγFVcγ=δ或γ=180-δB’’C’’δmax

γ

=180

,δmax=arccos{[b2+c2-(d+a)2]/2bc}γmin=[δmin,180

-δmax]min2）當(dāng)原動(dòng)件AB與機(jī)架拉直共線時(shí)，∠BCD最小。1）當(dāng)原動(dòng)件AB與機(jī)架重疊共線時(shí)，∠BCD最小。γmin≥[γ]=40

~50

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的壓力角及傳動(dòng)角短時(shí)沖擊載荷常用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖FABC123vB3αFvB3ABC123α=0°γ=90°αvB3FABC231導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角在不計(jì)構(gòu)件的重力、慣性力和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦阻力的條件下，當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)從動(dòng)件上的傳動(dòng)角γ=0°（或α=90°）時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與從動(dòng)件受力點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向垂直，其有效分力等于零，無論給機(jī)構(gòu)主動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩有多大，均不能使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的機(jī)構(gòu)位置稱為死點(diǎn)位置。3.2.3死點(diǎn)出現(xiàn)死點(diǎn)位置的條件：1.作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件為原動(dòng)件時(shí)；2.機(jī)構(gòu)處于極限位置?？p紉機(jī)克服死點(diǎn)位置的方法1.安裝飛輪，利用慣性克服死點(diǎn)位置2.多個(gè)機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列機(jī)車車輪死點(diǎn)的利用飛機(jī)起落架夾具折疊桌3.3

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件轉(zhuǎn)動(dòng)副成為周轉(zhuǎn)副的條件

若A為周轉(zhuǎn)副，則AB桿作360°整周回轉(zhuǎn)時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)B、C、D共線情形。設(shè)鉸鏈A所連接的構(gòu)件1（AB桿）和構(gòu)件4（CD桿）的桿長(zhǎng)關(guān)系a<d得:周轉(zhuǎn)副存在條件：1.桿長(zhǎng)之和條件：最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿之和。2.構(gòu)成周轉(zhuǎn)副的構(gòu)件中必有一個(gè)是最短桿。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判斷條件1.在滿足桿長(zhǎng)和的條件下：

1）以最短桿的相鄰構(gòu)件為機(jī)架，則最短桿為曲柄，另一連架桿為搖桿，即該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；2）以最短桿為機(jī)架，則兩連架桿為曲柄，該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；

3）以最短桿的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架，均無曲柄存在，即該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

2.若不滿足桿長(zhǎng)和條件，該機(jī)構(gòu)只能是雙搖桿機(jī)構(gòu)。3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)須滿足四構(gòu)件組成封閉多邊形條件：最長(zhǎng)桿的桿長(zhǎng)<其余三桿長(zhǎng)度之和。

3.4鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化3.4.1改變構(gòu)件形狀及相對(duì)尺寸得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

3.4.2擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)副尺寸得到偏心輪機(jī)構(gòu)偏心輪機(jī)構(gòu)—偏心距為曲柄的長(zhǎng)度

演化偏心輪機(jī)構(gòu)

偏心輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偏心輪軸頸的強(qiáng)度和剛度大，易于安裝整體式連桿，常用于曲柄長(zhǎng)度要求較短、沖擊振動(dòng)較大的機(jī)械中。3.4.3選用不同的構(gòu)件為機(jī)架

φβδψ周轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副周轉(zhuǎn)副低副運(yùn)動(dòng)的可逆性：對(duì)于低副，它所聯(lián)接的兩個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，不因其中哪個(gè)構(gòu)件是機(jī)架而改變。雙曲柄機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)AA曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

機(jī)架長(zhǎng)度L1<曲柄長(zhǎng)度L2機(jī)架長(zhǎng)度L1>曲柄長(zhǎng)度L2轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）3.5平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1.連桿設(shè)計(jì)的基本問題1）實(shí)現(xiàn)連桿（剛體）占有若干指定的位置，稱為剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)綜合所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)能引導(dǎo)連桿通過一系列給定位置。2）實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。稱為軌跡生成機(jī)構(gòu)綜合所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)連桿上某點(diǎn)能通過某一預(yù)先給定的軌跡。1）實(shí)驗(yàn)法2）圖解法3）解析法二、設(shè)計(jì)方法已知：搖桿CD長(zhǎng)度lCD，擺角φ，K＞1求：滿足K的A點(diǎn)位置，并定出lAB，lAD

，lBC3.5.1圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)1.按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)C1

D

B1

C2

B2

φ

A

1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)C1DC2φAO90

-

90

-

步驟：1.計(jì)算2.確定比例尺μl3.任取一點(diǎn)D，作搖桿CD的兩個(gè)極限位置，夾角為φ4.作

C1C2O=

C2C1O=90-，得O點(diǎn)；5.以O(shè)C1為半徑畫圓，A點(diǎn)必在此圓上C1DB1C2B2φA

O90

-

90

-

6.選定A，設(shè)曲柄為a，連桿為b，則：AC1=b-aAC2=b+aa=(AC2-AC1)/2b=(AC1+AC2)/2注意：1.考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，應(yīng)避免機(jī)架AD的連線不在搖桿的可行域內(nèi)，即A不選在C1C2及FG劣弧段上2.A點(diǎn)選擇C1G、C2F兩弧段上，當(dāng)A向G（F）靠近時(shí)，則機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角將隨之減小而趨于零，故A應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)離G（F）點(diǎn)較為有利。3.有無窮多個(gè)解。2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)已知：C1、C2位置（行程H），偏距e，K求:滿足K的A點(diǎn)位置3）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)已知：機(jī)架長(zhǎng)度d，K分析：由于

=φ，僅需確定曲柄長(zhǎng)度a2.按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。已知條件：連桿占據(jù)預(yù)定的三個(gè)位置。分析：1.由B、C（動(dòng)點(diǎn)）求A、D（定點(diǎn)）；2.A點(diǎn)是B點(diǎn)的軌跡中心

D點(diǎn)是C點(diǎn)的軌跡中心。方法：作垂直平分線（中垂線）。B1B2B3C2C3C1ADc23c12b23b12步驟：1.選定比例尺，按給定的連桿位置和長(zhǎng)度畫出連桿三個(gè)位置B1C1和B2C2