機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件：第2章 平面連桿機(jī)構(gòu)

1、第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)主要內(nèi)容:1.平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及演變 2.平面四桿機(jī)構(gòu)主要特性 3.平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本章重點(diǎn):平面四桿機(jī)構(gòu)主要特性和設(shè)計(jì)本章難點(diǎn):平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)2.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其應(yīng)用2.2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特征2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件用低副連接組成的平面機(jī)構(gòu)，又稱平面低副機(jī)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，低副以圓柱面或平面相接觸，承載能力高，耐磨損，制造簡(jiǎn)便，易于獲得較高的制造精度，因此，平面連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)：當(dāng)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)較多時(shí)，積累誤差大，不易精確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且設(shè)計(jì)復(fù)雜，效率

2、較低。 最簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)由四個(gè)構(gòu)件組成，稱為平面四桿機(jī)構(gòu)，是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。本章著重介紹平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型、特性及其常用的設(shè)計(jì)方法。|2.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其應(yīng)用 平面四桿按照所含移動(dòng)副數(shù)目的不同，可分為：全轉(zhuǎn)動(dòng)副的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、含一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)和含兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)。 對(duì)這些機(jī)構(gòu)通過(guò)改換機(jī)架、變更桿件長(zhǎng)度和擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副等途徑，還可以得到平面四桿機(jī)構(gòu)的其他演化型式。一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) AD為機(jī)架，AB、CD與機(jī)架通過(guò)運(yùn)動(dòng)副相連稱為連架桿，BC 不與機(jī)架直接相連而作平面一般運(yùn)動(dòng)稱為連桿。若組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件能作整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱該轉(zhuǎn)動(dòng)副為整轉(zhuǎn)副，否則稱為擺動(dòng)副。與機(jī)架組

3、成整轉(zhuǎn)副的連架桿稱為曲柄，與機(jī)架組成擺動(dòng)副的連架桿稱為搖桿。 ABCD124313二維動(dòng)畫1234ABCD連桿連架桿連架桿機(jī)架曲柄搖桿(擺桿)(整轉(zhuǎn))(擺轉(zhuǎn))機(jī)架、連桿、連架桿()鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)機(jī)架參考系（固定件）連架桿與機(jī)架相聯(lián)連桿不與機(jī)架相聯(lián)基本構(gòu)件曲柄：可回轉(zhuǎn)360的連架桿搖桿：擺角小于360的連架桿滑塊：作往復(fù)移動(dòng)的連架桿連架桿全由轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)的平面四桿機(jī)構(gòu)一.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本類型 （按連架桿類型）一曲一搖二曲二搖 1曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫acdbABCD124313 圖2-3所示為調(diào)整雷達(dá)天線俯仰角的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 通常曲柄為原動(dòng)件，例電機(jī)為原動(dòng)件并作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿為從動(dòng)件

4、作變速往復(fù)擺動(dòng)。搖桿也可為原動(dòng)件，人力為動(dòng)力的機(jī)械中應(yīng)用較多，例縫紉機(jī)中的踏板為原動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，曲柄3作整周轉(zhuǎn)動(dòng)為輸出。 人力驅(qū)動(dòng)搖桿的機(jī)械還有：圖8-6a古代用來(lái)打磨劍刃與箭頭的砂輪機(jī)，圖8-6b為壓道車，圖8-6c為腳踏脫粒機(jī)。2雙曲柄機(jī)構(gòu)A0B0ABadcb142313 雙曲柄機(jī)構(gòu)A0B0AB143213 平行雙曲柄機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫2二維動(dòng)畫1ABA0B0143213 反向雙曲柄機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫相對(duì)兩桿平行而且相等稱為平行四邊形機(jī)構(gòu) 平行四邊形機(jī)構(gòu)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是兩曲柄同速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)；二是連桿作平動(dòng)。 平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩個(gè)特性在機(jī)械工程上的應(yīng)用很多。 例如，機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用了其第一

5、個(gè)特性；臺(tái)燈、攝影平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)和播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)利用了其第二個(gè)特性：連桿作平動(dòng) 相對(duì)兩桿的長(zhǎng)度分別相等，但不平行，稱為反平行四邊形機(jī)構(gòu)，兩曲柄沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，例如：車門開閉機(jī)構(gòu)和四輪拖車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 3. 雙搖桿機(jī)構(gòu)二、含一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)1. 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改變構(gòu)件的形狀和尺寸演化來(lái)的二維動(dòng)畫AA0B14321V3AA01432e1BV3 (a) (b)2134ABC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件可演化成下列2導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)3搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu) 曲柄（或擺動(dòng)）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)134B0A0A2 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫6543211ABCDEACB1342曲柄搖塊機(jī)構(gòu)A0B0A1324二維動(dòng)畫定塊機(jī)構(gòu)

6、三. 含有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫1432A0AS31S3 A0Asin1 正切機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫eAA012341S3S3 e tan1圖2.15正弦機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫圖2.14正切機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫1432A0AS31S3 A0Asin1eAA012341S3S3 e tan1含有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)改變機(jī)架，得到正弦機(jī)構(gòu)與正切機(jī)構(gòu)。雙滑塊機(jī)構(gòu)(橢圓軌跡機(jī)構(gòu))二維動(dòng)畫l22134ABx2, y2P雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)1432AB1四、具有偏心輪的四桿機(jī)構(gòu)2134ABC五、四桿機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展2.2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特征鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的連架桿可能成為曲柄，也可能只是搖桿，連架桿能否成為曲柄與該機(jī)構(gòu)中各桿的桿長(zhǎng)有關(guān)

7、。 一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件圖2.21鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件acdb1423A0B0AB1313當(dāng)桿AB轉(zhuǎn)至AB時(shí)，在AC D中：當(dāng)桿AB轉(zhuǎn)至AB時(shí)，在AC D中：兩兩相加可得桿1為最短桿，在桿2、桿3、桿4中有一桿為最長(zhǎng)桿結(jié)論：(1)整轉(zhuǎn)副是由最短桿與其鄰邊組成的； (2)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件是最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度 之和小于于其余兩桿長(zhǎng)度之和。 整轉(zhuǎn)副處于機(jī)架上連架桿才能成為曲柄，具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是否存在曲柄，還應(yīng)根據(jù)選擇哪一個(gè)桿為機(jī)架來(lái)判斷。1) 最短桿為機(jī)架時(shí)，機(jī)架上有兩個(gè)整轉(zhuǎn)副，故得雙曲柄機(jī)構(gòu)。2) 最短桿的鄰邊為機(jī)架時(shí)，機(jī)架上只有一個(gè)整轉(zhuǎn)副，故得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3

8、) 最短桿的對(duì)邊為機(jī)架時(shí)，機(jī)架上沒(méi)有整轉(zhuǎn)副，故得雙搖桿機(jī)構(gòu)。 這種具有整轉(zhuǎn)副而沒(méi)有的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可作電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)。 如果鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則該機(jī)構(gòu)中不存在整|轉(zhuǎn)副，是雙搖桿機(jī)構(gòu)。 四桿機(jī)構(gòu)的兩相鄰桿長(zhǎng)兩兩相等，則機(jī)構(gòu)稱為泛菱形機(jī)構(gòu)。它具有三個(gè)周轉(zhuǎn)副，一個(gè)擺轉(zhuǎn)副。當(dāng)其以短桿為機(jī)時(shí)如圖a為雙曲柄機(jī)構(gòu)；當(dāng)其以長(zhǎng)桿為機(jī)架時(shí)如圖b為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 這種機(jī)構(gòu)，當(dāng)其相鄰兩桿重疊到一起時(shí)將退化為二桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)不確定。 折疊支架就利用了該機(jī)構(gòu)的這一特性。二、急回特性 1）極限位置 曲柄AB在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，有兩次與連桿BC共線，兩個(gè)位置鉸鏈中心A與C之間的距離AC

9、1和AC2分別為最短和最長(zhǎng)，因而搖桿CD的位置C1D、C2D分別為其左、右極限位置。 2）極位夾角 搖桿在兩極限位置間時(shí)，搖桿C1D、C2D的夾角稱為擺角，曲柄與連桿共線AC1與AC2所夾銳角稱為極位夾角。3) 急回特性空回行程所需時(shí)間為t2，C 點(diǎn)的平均速度為V2。由于12，所以t1 t2，V2 V1。V2 V1 表明空回行程快于工作行程，這種特性稱為機(jī)構(gòu)的急回特性。 圖2.22曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 當(dāng)曲柄AB順時(shí)針以轉(zhuǎn)動(dòng)1=180+時(shí)，搖桿自C1D擺至C2D稱為工作行程，所需時(shí)間為t1，C點(diǎn)的平均速度為V1。當(dāng)曲柄AB繼 續(xù) 轉(zhuǎn) 過(guò)2=180時(shí)，搖桿自C2D擺回C1D 稱為空回行程 。行程速比系數(shù)

10、K 等于空回行程與工作行程的平均速度之比，即K V2 / V1 (C1C2/t2)/ (C1C2/t1) t1 / t2 1 /2 = (180) / (180 ) (2.4) 180 ( K1 ) / ( K1 ) (2.5)圖2.22曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 4) 行程速比系數(shù)曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)2BAC134abe1FCVCFrB1B2C1C2DACB1342曲柄搖塊機(jī)構(gòu)偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有極回特性的機(jī)構(gòu)134B0A0A2 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)無(wú)極回特性的機(jī)構(gòu)2134ABC三、 壓力角和傳動(dòng)角不計(jì)摩擦力、慣性力和重力，機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件受力方向與受力點(diǎn)速度方向之間所夾的銳角，稱為機(jī)構(gòu)的壓力角，用表示

11、。角的余角稱為傳動(dòng)角，即= 90。壓力角是衡量機(jī)構(gòu)傳力效果優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)控制最大壓力角max不超過(guò)許用值。出現(xiàn)最小傳動(dòng)角的位置分析在 ABD和 BCD中可求得 當(dāng) =00時(shí)，得BCDmin；當(dāng) =1800時(shí)，得 BCDmax。傳動(dòng)角是銳角，如圖a所示，= BCD， BCDmin即為傳動(dòng)角極小值，它出現(xiàn)在 =0的位置。若 BCD為鈍角，如圖b所示，其傳動(dòng)角表示為 =180- BCD，也可能為極小值，它出現(xiàn)在 =1800的位置。兩個(gè)其中較小的一個(gè)為最小min 四、死點(diǎn)位置在連桿機(jī)構(gòu)中，壓力角=90或傳動(dòng)角=0 的位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，以搖桿CD為主動(dòng)件，則當(dāng)

12、連桿與從動(dòng)曲柄共線時(shí)，機(jī)構(gòu)的壓力角=90和傳動(dòng)角=0，這時(shí)主動(dòng)件CD通過(guò)連桿作用于從動(dòng)件AB上的力恰好通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心，所以出現(xiàn)了不能使構(gòu)件AB轉(zhuǎn)動(dòng)的頂死現(xiàn)象，在B1、B2死點(diǎn)位置。acdb423ABB1B2CC2C1D11M3VB2F32 903M1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若滑塊3為主動(dòng)件，則存在死點(diǎn)位置，在B1、B2位置。2BAC134abe1FCVCFrB1B2C1C2D 為了使機(jī)構(gòu)能順利地通過(guò)死點(diǎn)而正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧缈刹捎脤山M以上的相同機(jī)構(gòu)組合使用，而使各組機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)相互錯(cuò)開排列的方法，也可采用安裝飛輪加大慣性的方法，借慣性作用闖過(guò)死點(diǎn)，等等。4C1A1B2B1C2D23F工件壓

13、桿 在工程實(shí)踐中也常利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)工作，鉆床夾具、飛機(jī)起落架等。 2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 已知從動(dòng)搖桿3的桿長(zhǎng)c、擺角及行程速比系數(shù) K，用作圖法確定曲柄1的桿長(zhǎng) a、連桿2的桿長(zhǎng)b、機(jī)架4的桿長(zhǎng)d 以及校驗(yàn)min。曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 一、設(shè)給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)acdb1423ABB1B2CC2C1D1He1324BACC1C21設(shè)給定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù) K、滑塊的行程 H 和偏距 e，要求設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)B1dA按K、c、 設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Pb + aB2b -aC2C1Dc（1）設(shè)給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角min的校驗(yàn)minCBPb

14、+ aB2b -aC2C1DcB1dA曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角min的校驗(yàn) 設(shè)給定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù) K、滑塊的行程 H 和偏距 e，要求設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)He1324BACC1C21He1324BACC1C21（2） 設(shè)給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)eAC1 = baAC2 = ba按K、H、e 設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)B2B1PC1C2HA設(shè)給定的行程速比系數(shù)與連桿設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角的位置B1AC1 = baAC2 = baB2APC1C2HB1eAC1 = baAC2 = baB2AC3B3min曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角min的校驗(yàn)（3） 設(shè)給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)

15、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)64311ABCDabS5H0dE5DRDLBRBLc2yx11ABCadBRBL2yx擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)刨床機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖所示，其極位夾角等于擺角。曲柄a與機(jī)架d的關(guān)系為ad sin(/2) d sin( /2) 。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)被應(yīng)用在刨床設(shè)計(jì)上，如圖所示。圖2.3.16F1刨床的工作機(jī)構(gòu)6543211ABCDE二 維 動(dòng) 畫連桿機(jī)構(gòu)在刨床設(shè)計(jì)上的應(yīng)用END按K、c、和 b 設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)思考題：求按K、c、和 a 設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)給定的行程速比系數(shù)、連桿或曲柄設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)b -ab -ab + a900-900-/2C1C2DOO1AF二、 按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)按給定連桿兩個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)當(dāng)一個(gè)搖桿為擺動(dòng)主動(dòng)件、另一個(gè)搖桿為擺動(dòng)從動(dòng)件時(shí)，如圖所示，則可以實(shí)現(xiàn)砂箱的翻箱 。132C1B1ADC2B24造型機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)A點(diǎn)在B1B2連線的中垂線上， D點(diǎn)在C1C2連線的中垂線上，當(dāng)AD為水平時(shí)，如圖所示，得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)連桿只要求兩個(gè)位置時(shí)，如砂箱的翻箱、爐門的開閉，椅子靠背的收放等，其設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單 。按給定連桿三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)當(dāng)給定連桿三個(gè)位置時(shí)，其設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單 。b4AD132B1B2C2C3B3C1ad