第4章平面連桿機(jī)構(gòu)

第4章

平面連桿機(jī)構(gòu)

4.1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其應(yīng)用4.2

平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型及其演化4.3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性4.4

平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.1連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例：內(nèi)燃機(jī)、鶴式吊、火車(chē)輪、急回沖床、牛頭刨床、翻箱機(jī)、橢圓儀、機(jī)械手爪、開(kāi)窗、車(chē)門(mén)、折疊傘、床、牙膏筒拔管機(jī)、單車(chē)等特征：有一作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，稱(chēng)為連桿。特點(diǎn)：①采用低副。面接觸、承載大、便于潤(rùn)滑、不易磨損形狀簡(jiǎn)單、易加工。②改變桿的相對(duì)長(zhǎng)度，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。③連桿曲線豐富?？蓾M(mǎn)足不同要求。④構(gòu)件呈“桿”狀、傳遞路線長(zhǎng)。缺點(diǎn)：①構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副多，累積誤差大、運(yùn)動(dòng)精度低、效率低。②產(chǎn)生動(dòng)載荷（慣性力），不適合高速。③難以實(shí)現(xiàn)精確的軌跡。分類(lèi):平面連桿機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu)常以構(gòu)件數(shù)命名：四桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)。本章重點(diǎn)內(nèi)容是介紹四桿機(jī)構(gòu)。4.2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型及其演化1.平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式基本型式－鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的名詞解釋?zhuān)呵髡芏ㄝS回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；三種基本型式：（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特征：曲柄＋搖桿作用：將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)。如雷達(dá)天線。連桿—作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；連架桿—與機(jī)架相連的構(gòu)件；搖桿—作定軸擺動(dòng)的構(gòu)件；整轉(zhuǎn)副—能作360度相對(duì)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)副；擺轉(zhuǎn)副—只能作有限角度擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。（2）雙曲柄機(jī)構(gòu)特征：兩個(gè)曲柄作用：將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。如慣性篩等。雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)曲柄主動(dòng)縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)搖桿主動(dòng)耕地料斗DCAB實(shí)例：火車(chē)輪慣性篩機(jī)構(gòu)特例：平行四邊形機(jī)構(gòu)AB=CD特征：兩連架桿等長(zhǎng)且平行，連桿作平動(dòng)、攝影平臺(tái)、播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)、天平香皂成型機(jī)。BC=ADABCDB’C’為避免在共線位置出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定，采用兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開(kāi)排列。反平行四邊形機(jī)構(gòu)--車(chē)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)反向A’E’D’G’B’F’C’ABEFDCG（3）雙搖桿機(jī)構(gòu)特征：兩個(gè)搖桿應(yīng)用舉例：鑄造翻箱機(jī)構(gòu)特例：等腰梯形機(jī)構(gòu)－汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)2.平面四桿機(jī)構(gòu)的演化型式(1)改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)

正弦機(jī)構(gòu)φss=lsin

φ(2)改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架偏心輪機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)314A2BC314A2BC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)小型刨床牛頭刨床應(yīng)用實(shí)例自卸卡車(chē)舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架搖塊機(jī)構(gòu)314A2BC導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)314A2BC314A2BC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)ACB1234(3)選不同的構(gòu)件為機(jī)架搖塊機(jī)構(gòu)314A2BC導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)314A2BC314A2BC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)314A2BC直動(dòng)滑桿機(jī)構(gòu)手搖唧筒這種通過(guò)選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的方法稱(chēng)為：----機(jī)構(gòu)的倒置(4)運(yùn)動(dòng)副元素的逆換將低副兩運(yùn)動(dòng)副元素的包容關(guān)系進(jìn)行逆換，不影響兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。橢圓儀機(jī)構(gòu)例：選擇雙滑塊機(jī)構(gòu)中的不同構(gòu)件作為機(jī)架可得不同的機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)321412344.3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性1.平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件設(shè)a<d,連架桿若能整周回轉(zhuǎn)，必有兩次與機(jī)架共線b≤(d-a)+c將以上三式兩兩相加的：

a≤b,a≤c,a≤d若設(shè)a>d，同理有：

d≤a,d≤b,d≤cabdcC’B’ADB”C”則由△B’C’D可得：三角形任意兩邊之和大于第三邊則由△B”C”D可得：a+d≤b+cc≤(d-a)+b即:a+b≤d+c即:a+c≤d+bAB為最短桿AD為最短桿ad中必有一個(gè)是機(jī)架最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和≤其他兩桿長(zhǎng)度之和cbd-a2.連架桿或機(jī)架之一為最短桿?？芍寒?dāng)滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件時(shí)，其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是周轉(zhuǎn)副。曲柄存在的條件：1.最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和應(yīng)≤其他兩桿長(zhǎng)度之和此時(shí)，鉸鏈A為周轉(zhuǎn)副。若取BC為機(jī)架，則結(jié)論相同，可知鉸鏈B也是周轉(zhuǎn)副。ABCDabcd稱(chēng)為桿長(zhǎng)條件。當(dāng)滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件時(shí)，說(shuō)明存在周轉(zhuǎn)副，當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時(shí)，可得不同的機(jī)構(gòu)。如：曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿機(jī)構(gòu)。2.急回運(yùn)動(dòng)特性在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時(shí)，搖桿位于兩個(gè)極限位置，簡(jiǎn)稱(chēng)極位。此兩處曲柄之間的夾角θ稱(chēng)為極位夾角。ABCD曲柄搖桿機(jī)構(gòu)B1C1ADC2B2θ當(dāng)曲柄以ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180°+θ時(shí)，搖桿從C1D位置擺到C2D。180°＋θω所花時(shí)間為t1,平均速度為V1,那么有：當(dāng)曲柄以ω繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)180°-θ時(shí)，搖桿從C2D,置擺到C1D，180°-θB1C1ADC2B2θ180°＋θω所花時(shí)間為t2,平均速度為V2,那么有：

因曲柄轉(zhuǎn)角不同，故搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)的時(shí)間不一樣，平均速度也不等。并且：t1>t2V2>V1搖桿的這種特性稱(chēng)為急回運(yùn)動(dòng)。用以下比值表示急回程度：稱(chēng)K為行程速比系數(shù)。且θ越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。只要

θ

≠0，就有K>1所以可通過(guò)分析機(jī)構(gòu)中是否存在θ以及θ的大小來(lái)判斷機(jī)構(gòu)是否有急回運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的程度。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性應(yīng)用：空行程節(jié)省運(yùn)動(dòng)時(shí)間，如牛頭刨、往復(fù)式輸送機(jī)等。θ180°＋θ180°-θ導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性θ180°＋θ180°-θ思考題：

對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性如何？對(duì)于需要有急回運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，常常是根據(jù)需要的行程速比系數(shù)K,先求出θ，然后在設(shè)計(jì)各構(gòu)件的尺寸。γmin出現(xiàn)的位置：γαPPt

Pn3.四桿機(jī)構(gòu)的壓力角與傳動(dòng)角切向分力:Pt=PcosαABCD法向分力:Pn=Pcosγγ↑→Pt↑可用γ的大小來(lái)表示機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力性能的好壞,→對(duì)傳動(dòng)有利。為了保證機(jī)構(gòu)良好的傳力性能，設(shè)計(jì)時(shí)要求:當(dāng)∠BCD≤90°時(shí)，γ＝∠BCD當(dāng)∠BCD>90°時(shí)，當(dāng)∠BCD最小或最大時(shí)，都有可能出現(xiàn)γmin此位置一定是：=Psinγ稱(chēng)γ為傳動(dòng)角γmin≥50°

γ＝180°-∠BCD主動(dòng)件與機(jī)架共線兩處之一。CDBAγP由余弦定律有：

∠B1C1D＝arccos[b2+c2-(d-a)2]/2bc

∠B2C2D＝arccos[b2+c2-(d+a)2]/2bc若∠B2C2D≤90°,則若∠B2C2D>90°,則γmin＝∠B1C1Dγmin＝[∠B1C1D,180°-∠B2C2D]minC1B1abcd機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角一般在運(yùn)動(dòng)鏈最終一個(gè)從動(dòng)件上度量。車(chē)門(mén)vγC2B2P4.四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)搖桿為主動(dòng)件，且連桿與曲柄兩次共線時(shí)，有：此時(shí)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng).避免措施：兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開(kāi)排列，如火車(chē)輪機(jī)構(gòu);P稱(chēng)此位置為：“死點(diǎn)”γ＝0靠飛輪的慣性（如內(nèi)然機(jī)、縫紉機(jī)等）。A’E’D’G’B’F’C’ABEFDCG飛機(jī)起落架鉆孔夾具γ=0也可以利用死點(diǎn)進(jìn)行工作：

起落架、鉆夾具等。ABCDγ=0F4.4平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題

機(jī)構(gòu)選型－根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)要求選擇機(jī)構(gòu)的類(lèi)型；尺度綜合－確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)(長(zhǎng)度尺寸)。

同時(shí)要滿(mǎn)足其他輔助條件：a)結(jié)構(gòu)條件（如要求有曲柄、桿長(zhǎng)比恰當(dāng)、運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)合理等）;b)動(dòng)力條件（如γmin）;c)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性條件等。γ2.設(shè)計(jì)方法解析法圖解法3.用圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)3.1按預(yù)定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)a)給定連桿兩組位置有唯一解。B1C1B2C2AD將鉸鏈A、D分別選在B1B2，C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。b)給定連桿上鉸鏈BC的三組位置有無(wú)窮多組解。A’D’B1C1B2C2B3C3ADφθθ3.2按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)a)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)①計(jì)算θ＝180°(K-1)/(K+1);已知K，CD長(zhǎng)，擺角φ及K，設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。步驟如下：②任取一點(diǎn)D，作等腰三角形腰長(zhǎng)為CD，夾角為φ;③作C2P⊥C1C2，作C1P使④作△PC1C2的外接圓，則A點(diǎn)必在此圓上。⑤選定A，設(shè)曲柄為a，連桿為b，則AC1=a+b,⑥以A為圓心，AC2為半徑作弧交于E,得：

a=EC1/2b=AC1－EC1/290°-θPAEC1C2AC2=b-a，故有：

a=(AC1－AC2)/2D

∠C2C1P=90°－θ,交于P;2θ2aC1C2e(3)按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)b)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)H90°-θoAE已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。①計(jì)算θ＝180°(K-1)/(K+1);②作C1C2＝H③作射線C1O

使∠C2C1O=90°－θ,④以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。⑥以A為圓心，AC1為半徑作弧交于E,得：

a=EC2/2b=AC2－EC2/2作射線C2O使∠C1C2O=90°－θ。90°-θ⑤作偏距線e，交圓弧于A，即為所求。mnADφ=θD3.4按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)c)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由于θ與導(dǎo)桿擺角φ相等，設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)時(shí)，僅需要確定曲柄a。①