《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課件-第9章

第9章平面連桿機構(gòu)9.1平面四桿機構(gòu)的類型9.2四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)9.3平面四桿機構(gòu)的設(shè)計

9.1平面四桿機構(gòu)的類型

9.1.1鉸鏈四桿機構(gòu)

在平面四桿機構(gòu)中，若各運動副都是轉(zhuǎn)動副，則稱其為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖9-1所示。在此機構(gòu)中，構(gòu)件4為機架；構(gòu)件1、3與機架直接相連，稱為連架桿；構(gòu)件2與機架間接相連，稱為連桿。機構(gòu)工作時，連架桿作定軸轉(zhuǎn)動，連桿作平面復(fù)雜運動。能作整周轉(zhuǎn)動的連架桿稱為曲柄，只能在一定角度范圍內(nèi)擺動的連架桿稱為搖桿。按兩連架桿中曲柄與搖桿的存在情況，鉸鏈四桿機構(gòu)可分為三種基本形式。圖9-1鉸鏈四桿機構(gòu)

1.曲柄搖桿機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿之一為曲柄，另一為搖桿，則稱為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖9-2所示。在此機構(gòu)中，連架桿1為曲柄，其可繞固定鉸鏈中心A作整周轉(zhuǎn)動，故活動鉸鏈中心B的軌跡為圓；連架桿3為搖桿，其只能繞固定鉸鏈中心D來回擺動，故活動鉸鏈中心C的軌跡為一段圓弧。圖9-2曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)的傳動特點是：可實現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)動與搖桿擺動的相互轉(zhuǎn)換。圖9-3所示為雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)，構(gòu)件1為曲柄，它轉(zhuǎn)動后通過連桿2使搖桿3(即天線)繞D點擺動，從而調(diào)整天線的俯仰角以對準(zhǔn)通信衛(wèi)星。圖9-4所示為縫紉機踏板機構(gòu)，構(gòu)件3為搖桿(即踏板)，它上下擺動后通過連桿2使曲柄1(大皮帶輪)連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動縫紉機工作。圖9-3雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)圖9-4縫紉機踏板機構(gòu)

2.雙曲柄機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿均為曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu)，如圖9-5所示。

雙曲柄機構(gòu)的傳動特點是：當(dāng)主動曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，

從動曲柄一般作變速轉(zhuǎn)動。圖9-6所示為慣性篩機構(gòu)，它利用雙曲柄機構(gòu)ABCD從動曲柄3的變速轉(zhuǎn)動，通過桿5帶動篩子6作變速往復(fù)移動，從而達到利用慣性篩分物料的目的。圖9-5雙曲柄機構(gòu)圖9-6慣性篩機構(gòu)在雙曲柄機構(gòu)中，若相對的兩桿平行且長度相等，則稱為平行四邊形機構(gòu)，如圖9-7所示。該機構(gòu)的傳動特點是兩曲柄以相同的角速度同向轉(zhuǎn)動，連桿作平動。圖9-8所示為平行四邊形機構(gòu)在機車車輪聯(lián)動機構(gòu)中的應(yīng)用。圖9-7平行四邊形機構(gòu)圖9-8機車車輪聯(lián)動機構(gòu)在雙曲柄機構(gòu)中，若兩相對桿的長度分別相等，但不平行，則稱為反平行四邊形機構(gòu)，如圖9-9所示。在反平行四邊形機構(gòu)中，當(dāng)以其長邊為機架時，兩曲柄的轉(zhuǎn)動方向相反，如圖9-10所示的車門啟閉機構(gòu)就利用了這個特性，它可使兩扇車門(AE和DF)同時開啟或關(guān)閉；當(dāng)以其短邊為機架時，兩曲柄的轉(zhuǎn)向相同，其性能與一般的雙曲柄機構(gòu)相似。圖9-9反平行四邊形機構(gòu)圖9-10車門啟閉機構(gòu)

3.雙搖桿機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿均為搖桿，稱為雙搖桿機構(gòu)，如圖9-11所示。

雙搖桿機構(gòu)的傳動特點是：可將一種擺動轉(zhuǎn)換成另一種擺動。在雙搖桿機構(gòu)中，如果兩搖桿長度相等，則稱為等腰梯形機構(gòu)。圖9-12為等腰梯形機構(gòu)在汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)中的應(yīng)用，車身4為機架，連架桿1、3是搖桿且分別與左、右前輪固連，2為連桿，轉(zhuǎn)動方向盤可通過桿5驅(qū)動搖桿1、3(車

輪)擺動，從而實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。圖9-11雙搖桿機構(gòu)圖9-12汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)9.1.2含有一個移動副的四桿機構(gòu)

1.曲柄滑塊機構(gòu)

圖9-13所示的四桿機構(gòu)中，4為機架，1、3為連架桿，2為連桿，3與4之間構(gòu)成移動副，其余三個運動副為轉(zhuǎn)動副。機構(gòu)工作時，連架桿1作整周轉(zhuǎn)動，稱為曲柄；連架桿3作往復(fù)移動，稱為滑塊；該機構(gòu)稱為曲柄滑塊機構(gòu)。當(dāng)滑塊移動的導(dǎo)路m—m通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心A時，稱為對心曲柄滑塊機

構(gòu)(圖9-13(a))；當(dāng)滑塊移動的導(dǎo)路m—m不通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心A時，稱為偏置曲柄滑塊機構(gòu)(圖9-13(b))，偏置的距離e稱為偏距。圖9-13曲柄滑塊機構(gòu)

2.轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對心曲柄滑塊機構(gòu)中，若改選構(gòu)件1為機架，則得到圖9-14所示的曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)，簡稱轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)。在此機構(gòu)中，兩連架桿2、4均作整周轉(zhuǎn)動，其中，構(gòu)件2稱為曲柄，構(gòu)件4為滑塊3提供導(dǎo)軌作用，稱為導(dǎo)桿。圖9-14轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動特點是：當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)桿作變速轉(zhuǎn)動。圖9-15為插床插刀運動機構(gòu)，利用轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)ABC中導(dǎo)桿4的變速運動，使插刀6在切削行程時運動慢，在空回行程時運動快，以縮短非工作時間，提高生產(chǎn)率。圖9-15插床插刀運動機構(gòu)

3.擺動導(dǎo)桿機構(gòu)

在圖9-14所示的轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)中，若使機架長度大于曲柄長度，即a>b，則得到圖9-16所示的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。在此機構(gòu)中，構(gòu)件2可整周轉(zhuǎn)動，而導(dǎo)桿4只能往復(fù)擺動。

擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動特點是：當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)桿作變速擺動。圖9-17為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)ABC在牛頭刨床刨刀運動機構(gòu)中的應(yīng)用，其作用與轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)在插床插刀運動機構(gòu)中的作用相同。圖9-16擺動導(dǎo)桿機構(gòu)圖9-17牛頭刨床刨刀運動機構(gòu)

4.搖塊機構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對心曲柄滑塊機構(gòu)中，若改選構(gòu)件2為機架，則得到圖9-18所示的搖塊機構(gòu)。在此機構(gòu)中，構(gòu)件1作整周轉(zhuǎn)動，滑塊3作往復(fù)擺動。

搖塊機構(gòu)的傳動特點是：它可將導(dǎo)桿的相對移動轉(zhuǎn)化為曲柄的轉(zhuǎn)動。圖9-19所示為搖塊機構(gòu)在自卸卡車車廂舉升機構(gòu)中的應(yīng)用。其中搖塊3為油缸，利用壓力油推動活塞使車廂翻轉(zhuǎn)卸料。圖9-18搖塊機構(gòu)圖9-19自卸卡車車廂舉升機構(gòu)

5.定塊機構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對心曲柄滑塊機構(gòu)中，若改選滑塊

3為機架，則得到圖9-20所示的定塊機構(gòu)。在此機構(gòu)中，導(dǎo)桿4作往復(fù)移動，構(gòu)件2作往復(fù)擺動。圖9-21所示的手壓抽水機為該機構(gòu)的應(yīng)用實例。圖9-20定塊機構(gòu)圖9-21手壓抽水機

9.2四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)

9.2.1鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件

在圖9-22所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)各桿長度依次為l1、l2、l3、l4，且l1<l4。假定AB為曲柄，則曲柄AB回轉(zhuǎn)一周過程中，必有兩次與連桿BC共線。圖9-22鉸鏈四桿機構(gòu)據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊的定理，由△AC2D有

l3+l4>l1+l2

由△AC1D有

l2-l1+l4>l3

l2-l1+l3>l4將上列三式整理，并考慮到四個桿件同時共線的情況，可得

l1+l2≤l3+l4

l1+l3≤l2+l4

l1+l4≤l2+l3

將以上三式兩兩相加，化簡得

l1≤l2

l1≤l3

l1≤l49.2.2急回運動特性

在圖9-23所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄AB為原動件，它以等角速度ω1順時針轉(zhuǎn)動。圖9-23曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性機構(gòu)急回運動的程度可用行程速比系數(shù)K來衡量，即

(9-1)

上式表明，當(dāng)θ=0時，K=1，機構(gòu)無急回特性；當(dāng)θ≠0時，機構(gòu)具有急回特性，θ角愈大，K值愈大，急回特性愈顯著。θ角的大小與各構(gòu)件的長度有關(guān)，設(shè)計時，通常要預(yù)選K值，求出θ，因此，由式(9-1)可求得

(9-2)9.2.3壓力角和傳動角

在圖9-24所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，如果不計質(zhì)量和摩擦力，則連桿2是二力構(gòu)件，由原動件1經(jīng)過連桿2作用在從動件3上點C的驅(qū)動力F，將沿著BC方向。圖9-24曲柄搖桿機構(gòu)的壓力角和傳動角9.2.4死點位置

在圖9-25所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)搖桿CD為主動件，則當(dāng)連桿與從動曲柄兩次共線時，機構(gòu)的傳動角γ=0，這時搖桿CD通過連桿作用于從動曲柄AB上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心A，此力對A點不產(chǎn)生力矩，所以出現(xiàn)了不能使曲柄轉(zhuǎn)動的“頂死”現(xiàn)象，或轉(zhuǎn)向不確定現(xiàn)象。機構(gòu)的這種位置稱為死點位置?？梢?，四桿機構(gòu)中是否存在死點位置，取決于從動件是否與連桿共線，或機構(gòu)的傳動角γ是否為零。圖9-25曲柄搖桿機構(gòu)的死點位置在工程實踐中，也常利用機構(gòu)的死點來滿足一些特定的工作要求。如圖9-26所示的鉆床夾具，用力F壓下手柄2，工件5即被夾緊，此時連桿2與從動件3共線(BCD)；外力F撤除后，在夾緊反力Fn的作用下，因機構(gòu)處于死點位置，夾具并不會自動松開而仍保持夾緊狀態(tài)；當(dāng)需要取出工件時，抬起手柄松開夾具即可。圖9-26鉆床夾具

9.3平面四桿機構(gòu)的設(shè)計

9.3.1按給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)

1.按給定連桿的兩個位置設(shè)計四桿機構(gòu)

圖9-27(a)所示為一加熱爐的爐門啟閉機構(gòu)ABCD，爐門(即連桿BC)關(guān)閉時在鉛垂位置E1，爐門開啟時在水平位置E2。爐門上兩鉸鏈中心B和C的位置已知，要求設(shè)計該鉸鏈四桿機構(gòu)。

該設(shè)計的實質(zhì)是已知連桿長度及連桿兩個位置B1C1、B2C2，確定其余三構(gòu)件的長度，如圖9-27(b)所示。圖9-27按給定連桿的兩個位置設(shè)計四桿機構(gòu)