平面連桿機(jī)構(gòu)

1、第四章 平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)是由許多剛性構(gòu)件用低副（回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副）連接組成的平面機(jī)構(gòu)，故又稱為平面低副機(jī)構(gòu)，最常見的平面連桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)。本章主要介紹平面四桿機(jī)構(gòu)的類型、特性及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。一、教學(xué)要求1.了解平面連桿機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)和應(yīng)用場合；2.掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的三種基本型式，掌握其演化方法；3.熟練掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的四種基本特性；4.了解平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題，能夠根據(jù)具體的設(shè)計(jì)條件及實(shí)際需要，選擇合適的機(jī)構(gòu)型式和合理的設(shè)計(jì)方法，解決實(shí)際問題。二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1.平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性；2.平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是本章的難點(diǎn)。4.1 概述平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件通過低副連接而成

2、的機(jī)構(gòu)，又稱為平面低副機(jī)構(gòu)。而在平面連桿機(jī)構(gòu)中最常見的形式則是平面四桿機(jī)構(gòu)，它同時(shí)也是多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。如果所有的低副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，這種四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是平面四桿機(jī)構(gòu)最基本的形式，其他形式的四桿機(jī)構(gòu)都可看作是在它的基礎(chǔ)上演化而成的。平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副都是低副，組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間為面接觸，因而承受的壓強(qiáng)小、便于潤滑、磨損較輕，可以承受較大的載荷；2）構(gòu)件形狀簡單，加工方便，構(gòu)件之間的接觸是由構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠；3）在原動(dòng)件等速連續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件下，當(dāng)各構(gòu)件的相對長度不同時(shí)，可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng)，滿足多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求；4）

3、利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的連桿可以滿足多種運(yùn)動(dòng)軌跡的要求；缺點(diǎn)：1） 根據(jù)從動(dòng)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡來設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，而且精度不高；2） 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力難以平衡，所以不適用于高速的場合。4.2 四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其演化四桿機(jī)構(gòu)的基本型式平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，如下圖。其他型式的四桿機(jī)構(gòu)都可看成是在它的基礎(chǔ)上通過演化而成的。 圖4.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在此機(jī)構(gòu)中，固定件AD稱為機(jī)架；與AD相對的BC桿稱為連桿；與機(jī)架相連的AB和CD桿稱為連架桿。其中能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，只能在小于360°的范圍內(nèi)擺動(dòng)的連架桿稱為搖桿。根據(jù)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無曲柄，可將其分

4、成三種基本型式。1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：兩連架桿中一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿的機(jī)構(gòu)。 圖4.2 攪拌機(jī)機(jī)構(gòu) 圖4.3 縫紉機(jī)2.雙曲柄機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為曲柄的四桿機(jī)構(gòu)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，用的最多的是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，或稱平行四邊形機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是：兩曲柄的旋轉(zhuǎn)方向相同，且角速度時(shí)時(shí)相等，連桿作平移運(yùn)動(dòng)，機(jī)械中有許多例子就是利用此特點(diǎn)而采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖4.4的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意，這種機(jī)構(gòu)當(dāng)四個(gè)鉸鏈中心處于同一直線時(shí)，將出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定狀態(tài)，如圖4.5a。為了消除這種運(yùn)動(dòng)不確定狀態(tài)，可以采用兩組相同機(jī)構(gòu)彼此錯(cuò)開90°而固聯(lián)組合，如圖4.5b。而在機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中則是利用第三個(gè)平行曲柄倆

5、消除其運(yùn)動(dòng)的不確定狀態(tài)。 圖4.4 機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖4.5 平行四邊形機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)中還有一種特例：反平行四邊形機(jī)構(gòu)，連桿與機(jī)架不平行，如圖4.6所示。 圖4.6 反平行四邊形機(jī)構(gòu)如圖4.7公共汽車車門啟閉機(jī)構(gòu)。當(dāng)主動(dòng)曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過連桿BC使從動(dòng)曲柄CD朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證兩扇車門同時(shí)開啟和關(guān)閉。圖4.7 公共車門啟閉機(jī)構(gòu)3.雙搖桿機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為搖桿的四桿機(jī)構(gòu)，如圖4.8的起重機(jī)機(jī)構(gòu)。 圖4.8 鶴式起重機(jī)平面四桿機(jī)構(gòu)的演化一般生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種四桿機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)雖然具有不同的外形和構(gòu)造，但都具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，或一定的內(nèi)在聯(lián)系，并且都可看作是從鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而來的。三種基

6、本方法：1.回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副這是一種使構(gòu)件長度發(fā)生特殊變化的演化方式。在圖4.9示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，鉸鏈中心C的軌跡是以D為圓心，以CD為半徑的圓弧。若CD增至無窮大，C點(diǎn)軌跡變?yōu)橹本€，于是搖桿3演化為直線運(yùn)動(dòng)的滑塊，回轉(zhuǎn)副D演化為移動(dòng)副，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)便演化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。若C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡通過曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心A，則稱為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；否則成為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在活塞、空壓機(jī)、沖床等機(jī)械中。 圖4.9 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2.擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副這是一種使運(yùn)動(dòng)副尺寸發(fā)生特殊變化的演化方式。 圖4.10 偏心輪機(jī)構(gòu)在圖4.10所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件1為曲柄，3為搖桿。如將曲柄銷B的半徑擴(kuò)大，使

7、其超過曲柄的長度，曲柄就演變成為一個(gè)幾何中心與回轉(zhuǎn)中心不重合的圓盤，此圓盤稱為偏心輪，這種機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。它只是會(huì)轉(zhuǎn)副的尺寸變大，而各構(gòu)件間的相對運(yùn)動(dòng)特性不變。偏心輪機(jī)構(gòu)多用于曲柄銷承受重大沖擊載荷或曲柄長度較短及曲柄需要裝在直軸中部的機(jī)器中，以便增大軸頸的尺寸，提高偏心軸的強(qiáng)度和剛度，簡化結(jié)構(gòu)。因此，偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的沖床、顎式破碎機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中。3.取不同的構(gòu)件為機(jī)架見表4-1。4.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本型式的區(qū)別在于連架桿是否為曲柄，那么在什么情況下連架桿會(huì)成為曲柄呢？曲柄存在的條件是：1.最長桿與最短桿的長度之和小

8、于或等于其余兩桿的長度之和；2.最短桿或其相鄰桿應(yīng)為機(jī)架。根據(jù)有曲柄的條件可得推論：1.當(dāng)最長桿與最短桿的長度之和大于其余兩桿的長度之和時(shí)，只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。2.當(dāng)最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和時(shí)：最短桿為機(jī)架時(shí)得到雙曲柄機(jī)構(gòu)；最短桿的相鄰桿為機(jī)架時(shí)得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；最短桿的對面桿為機(jī)架時(shí)得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。壓力角和傳動(dòng)角 圖4.11 壓力角和傳動(dòng)角1. 壓力角a：從動(dòng)件上某點(diǎn)的受力方向與從動(dòng)件上該點(diǎn)速度方向的所夾的銳角。2. 傳動(dòng)角g：連桿與搖桿之間所夾的銳角，即壓力角的余角。在圖4.11示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果不計(jì)慣性力、重力、摩擦力，則連桿2是二力共線的構(gòu)件，由主動(dòng)件1

9、經(jīng)過連桿2作用在從動(dòng)件3上的驅(qū)動(dòng)力 F的方向?qū)⒀刂B桿2的中心線BC。力 F 可分解為兩個(gè)分力：沿著受力點(diǎn)C的速度c方向的分力Ft和垂直于c方向的分力Fn。設(shè)力F與著力點(diǎn)的速度c方向之間所夾的銳角為a，則 表4-1取不同的構(gòu)件為機(jī)架時(shí)四桿機(jī)構(gòu)的演化其中，只能使鉸鏈C、D產(chǎn)生徑向壓力，而Ft才是推動(dòng)從動(dòng)件CD運(yùn)動(dòng)的有效分力。顯然，壓力角a越小，或者g角越大，使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的有效分力就越大，對機(jī)構(gòu)傳動(dòng)越有利。a和g是反映機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)，由于g角便于測量，工程上通常以g角來衡量。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)角是變化的，為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能良好，設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)使40°。出現(xiàn)的位置：在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，

10、傳動(dòng)角的大小是變化的。當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到與機(jī)架AD重疊共線和展開共線兩位置AB1、AB2時(shí)，傳動(dòng)角將出現(xiàn)極值和（傳動(dòng)角總為銳角），設(shè)計(jì)時(shí)只要校核其中的較小值即可。急回特性 圖4.12 急回特性圖4.12所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄AB為原動(dòng)件并作等速回轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿CD作往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中有兩次與連桿共線。這是搖桿C分別處在左右兩個(gè)極限位置C1D、C2D。此兩極限位置時(shí)曲柄所在直線之間所夾的銳角q稱為極位夾角，搖桿的兩個(gè)極限位置之間的夾角j稱為搖桿的擺角。曲柄等速回轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿來回?cái)[動(dòng)的速度不同，返回時(shí)速度較大，如圖所示。機(jī)構(gòu)的這種特性，稱為機(jī)構(gòu)的急回特性，通常用行程速度變化系數(shù)K

11、來表示這種特性，即 4.13 有急回特性的機(jī)構(gòu)死點(diǎn)下面我們來看一下死點(diǎn)位置的形成：在圖4.14示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)搖桿 CD 為主動(dòng)件，則當(dāng)機(jī)構(gòu)處于圖示的兩個(gè)虛線位置之一時(shí)，連桿與曲柄在一條直線上，出現(xiàn)了傳動(dòng)角 = 0的情況。這時(shí)主動(dòng)件CD 通過連桿作用于從動(dòng)件AB 上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以將不能使構(gòu)件AB 轉(zhuǎn)動(dòng)而出現(xiàn)"頂死"現(xiàn)象。機(jī)構(gòu)的此種位置稱為死點(diǎn)位置。 圖4.14 死點(diǎn)的位置死點(diǎn)的利弊：         利：工程上利用死點(diǎn)進(jìn)行工作。 如飛機(jī)的起落架 弊：機(jī)構(gòu)有死點(diǎn)，從動(dòng)件將出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)方

12、向不確定現(xiàn)象，對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不利。 度過死點(diǎn)的方法： 增大從動(dòng)件的質(zhì)量、利用慣性度過死點(diǎn)位置                      采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列的方法 4.4 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)計(jì)過程：已知條件構(gòu)件尺寸兩類基本問題：1.實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律；在這類設(shè)計(jì)問題中，要求所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的主、從動(dòng)連架桿之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系能滿足某種給定的函數(shù)關(guān)系。如車門開閉機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足大小相等而轉(zhuǎn)向相反的運(yùn)

13、動(dòng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉；又如汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足某種函數(shù)關(guān)系，以保證汽車順利轉(zhuǎn)彎；再比如，在工程實(shí)際的許多應(yīng)用中，要求在主動(dòng)連架桿勻速運(yùn)動(dòng)的情況下，從動(dòng)連架桿的運(yùn)動(dòng)具有急回特性，以提高生產(chǎn)效率。     2.實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)軌跡：在這類設(shè)計(jì)問題中，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)連桿上一點(diǎn)的軌跡，能與給定的曲線相一致，或者能依次通過給定曲線上的若干有序列的點(diǎn)。例如鶴式起重機(jī)，工作要求連桿上吊鉤滑輪中心E點(diǎn)的軌跡為一直線，以避免被吊運(yùn)的物體作上下起伏。已知條件：運(yùn)動(dòng)條件、幾何條件、動(dòng)力條件。三種設(shè)計(jì)方法： 圖解法- 簡明易懂，精確性差。  &#

14、160;  解析法- 精確度好，計(jì)算繁雜。     實(shí)驗(yàn)法- 形象直觀，過程復(fù)雜。 圖解法設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)1、按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)（圖4.15）    已知：連桿BC長度及三個(gè)位置（B1C1，B2C2，B3C3）        要求：設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)    設(shè)計(jì)步驟： 連接B1B2，B2B3， 作線B1B2，B2B3 的垂直平分線 b 12 、 b 23 ， 交于 A 點(diǎn)；               連接C1C2、C2C3 ， 作線C1C2、C2C3 的垂直平分線