機械基礎(chǔ)第四章平面連桿機構(gòu)課件

第四章平面連桿機構(gòu)

第一節(jié)

鉸鏈四桿機構(gòu)的組成第二節(jié)

鉸鏈四桿機構(gòu)的演化第三節(jié)

鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)習題第三章平面連桿機構(gòu)

4.1.1

平面連桿機構(gòu)的定義

所有構(gòu)件均作用于某一平面運動的連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)：構(gòu)件間只有低副連接的機構(gòu)4.1.2

鉸鏈四桿機構(gòu)

的定義

是構(gòu)件間用四個轉(zhuǎn)動副相連的平面四桿機構(gòu)。4.1.3

鉸鏈四桿機構(gòu)的組成與分類機架固定不動的構(gòu)件。連桿

機構(gòu)中不與機架相連的構(gòu)件。連架桿機構(gòu)中與機架用低副相連的構(gòu)件。曲柄搖桿1234ABCD連桿連架桿機架連架桿鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)4.1.4鉸鏈四桿機構(gòu)的特點及應(yīng)用

在平面四桿機構(gòu)中，如果全部運動副都是轉(zhuǎn)動副，則稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖4-1所示的曲柄搖桿機構(gòu)則為鉸鏈四桿機構(gòu)的一種形式。圖中桿4固定不動，稱為機架，桿2稱為連桿。桿1和桿3分別用轉(zhuǎn)動副與連桿2和機架4相連接，稱為連架桿。連架桿中能作360°轉(zhuǎn)動的(如桿1)稱為曲柄，對應(yīng)的轉(zhuǎn)動副A稱為整轉(zhuǎn)副,在運動簡圖中用單向圓弧箭頭表示；若僅能在小于360°范圍內(nèi)擺動，則稱為搖桿(如桿3)或擺桿，對應(yīng)的轉(zhuǎn)動副D稱為擺動副,在運動簡圖中用雙向圓弧箭頭表示。1曲柄搖桿機構(gòu)具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)圖4-2

曲柄搖桿機構(gòu)的應(yīng)用圖4-3雙曲柄機構(gòu)及其應(yīng)用2雙曲柄搖桿機構(gòu)

具有兩個曲柄鉸鏈四桿機構(gòu)圖4-4天平中的平行四邊形機構(gòu)3

平行四邊形機構(gòu)

在雙曲柄機構(gòu)中，若連桿與機架的長度相等，且兩曲柄的轉(zhuǎn)向相同，長度也相等圖4-5反平行四邊形機構(gòu)及其應(yīng)用4

逆平行四邊形機構(gòu)

對于兩個曲柄轉(zhuǎn)向相反的情況，既連桿于機架的長度相等，兩個曲柄長度相等組成的轉(zhuǎn)向相反的雙曲柄機構(gòu)6雙搖桿機構(gòu)具有兩個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)圖4-6雙搖桿機構(gòu)及其在鶴式起重機中的應(yīng)用第二節(jié)

鉸鏈四桿機構(gòu)的演化移動副可以認為是由轉(zhuǎn)動副演化而來的。圖4-7(a)是四鉸鏈機構(gòu)。連桿2上的鉸鏈C由于受搖桿3的控制，它的軌跡是以點D為圓心、以桿長lCD為半徑的圓弧kC。如果在機架4上裝設(shè)一個同樣軌跡的圓弧槽kC，而把搖桿3做成滑塊的形式置于槽中滑動，如圖4-7(b)所示，則滑塊3與機架4所組成的移動副就取代了點D的轉(zhuǎn)動副。這時，連桿2上的C點的運動情況，將完全相同于有轉(zhuǎn)動副D時的情況。圓弧槽kC的圓心即相當于搖桿3的轉(zhuǎn)動軸D，圓弧槽kC的半徑即相當于搖桿3的長度lCD。圖4-7轉(zhuǎn)動副演變移動副的過程4.2.1曲柄滑塊機構(gòu)圖4-8曲柄滑塊機構(gòu)7.2.2回轉(zhuǎn)導桿機構(gòu)圖4-9回轉(zhuǎn)導桿機構(gòu)以及刨床機構(gòu)4.2.3曲柄搖塊機構(gòu)和擺動導桿機構(gòu)圖7-10曲柄搖塊機構(gòu)和擺動導桿機構(gòu)圖4-11所示的是自卸卡車的翻斗機構(gòu)。其中搖塊3做成繞定軸C擺動的油缸，導桿4的一端固結(jié)著活塞。油缸下端進油，推動活塞4上移，從而推動與車斗固結(jié)的構(gòu)件1，使之繞點B轉(zhuǎn)動，達到自動卸料的目的。這種油缸式的搖塊機構(gòu)，在各種建筑機械、農(nóng)業(yè)機械以及許多機床中得到了廣泛的應(yīng)用。圖4-11自卸卡車中的搖塊機構(gòu)圖4-12所示的是刨床或送料裝置中使用的六桿機構(gòu)。其中的構(gòu)件1、2、3和4組成擺動導桿機構(gòu)，用來把曲柄1的連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)閷U3的往復擺動，再通過構(gòu)件5使滑塊6作往復移動從而帶動刨床的刨刀進行刨切，或推動物料實現(xiàn)送進的目的。擺動導桿機構(gòu)的導桿也具有急回作用。圖4-12刨床中的擺動導桿機構(gòu)4.2.4定塊機構(gòu)如果把曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊作為機架，如圖7-13(a)所示，則得到移動導桿4在固定滑塊3中往復移動的定塊機構(gòu)。在圖7-13(b)中，固定滑塊3成為唧筒外殼，移動導桿4的下端固結(jié)著汲水活塞，在唧筒3的內(nèi)部上下移動，實現(xiàn)汲水的目的。圖7-13定塊機構(gòu)及其應(yīng)用4.2.5含有兩個移動副的四桿機構(gòu)圖4-14曲柄滑塊機構(gòu)演變雙滑塊機構(gòu)4.2.6偏心輪機構(gòu)在曲柄搖桿、曲柄滑塊或其他帶有曲柄的機構(gòu)中，如果曲柄很短，當在曲柄兩端各有一個軸承時，則加工和裝配工藝困難，同時還影響構(gòu)件的強度。因此，在這種情況下，往往采用如圖4-15所示的偏心輪機構(gòu)。其中構(gòu)件1為圓盤，它的回轉(zhuǎn)中心A與幾何中心B有一偏距，其大小就是曲柄的長度lAB，該圓盤稱為偏心輪。顯然，偏心輪機構(gòu)的運動性質(zhì)與原來的曲柄搖桿機構(gòu)或曲柄滑塊機構(gòu)一樣?？梢娖妮啓C構(gòu)是轉(zhuǎn)動副B的銷釘半徑逐漸擴大直至超過了曲柄長度lAB演化而成的，如圖4-15(a)、(b)、(c)所示。圖4-16所示的曲軸為偏心輪的另一種結(jié)構(gòu)形式，是內(nèi)燃機重要的零部件。由于偏心輪機構(gòu)中偏心輪的兩支承距離較小而偏心部分粗大，剛度和強度均較好，可承受較大的力和沖擊載荷。圖4-15轉(zhuǎn)動副擴大演化為偏心輪的過程圖4-16四缸發(fā)動機的曲軸結(jié)構(gòu)表7-1四桿機構(gòu)的幾種形式表7-1四桿機構(gòu)的幾種形式4.3鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)

4.3.1構(gòu)件具有整轉(zhuǎn)副的條件1.四鉸鏈機構(gòu)中構(gòu)件具有整轉(zhuǎn)副的條件在機構(gòu)中，具有整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件占有重要的地位，因為只有這種構(gòu)件才能用電機等連續(xù)轉(zhuǎn)動裝置來帶動。如果這種構(gòu)件與機架相鉸接(亦即是連架桿)，則該構(gòu)件就是一般所指的曲柄。機構(gòu)中具有整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件是關(guān)鍵性的構(gòu)件。在圖4-17的曲柄搖桿機構(gòu)中，假設(shè)各個構(gòu)件的長度分別為a、b、c和d，而且a＜d。在曲柄AB轉(zhuǎn)動一周的過程中，曲柄AB必定與連桿BC有兩個共線的位置（曲柄轉(zhuǎn)至B1，B2處）。圖4-17曲柄搖桿機構(gòu)中的幾何關(guān)系根據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊的幾何定理，由△AC2D有c+d＞a+b

b-a+d＞cb-a+c＞d由△AC1D將以上三式進行整理，并且考慮可能存在四桿共線時取等號的情況，得到a+b≤c+da+c≤b+da+d≤b+c將以上三式兩兩相加，經(jīng)過化簡后得到a≤ba≤ca≤d可見，曲柄1是機構(gòu)中的最短桿，并且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，我們把這種桿長之和的關(guān)系簡稱為桿長之和條件?！纠?-1】在圖4-18所示四鉸鏈機構(gòu)中，已知：b＝50mm，c＝35mm，d＝30mm，AD為固定件。(1)如果能成為曲柄搖桿機構(gòu)，且AB是曲柄，求a的極限值。(2)如果能成為雙曲柄機構(gòu)，求a的取值范圍。(3)如果能成為雙搖桿機構(gòu)，求a的取值范圍。

解：(1)若能成為曲柄搖桿機構(gòu)，則機構(gòu)必須滿足“桿長之和的條件”，且AB應(yīng)為最短桿。因此

b+a≤c+d 50+a≤35+30所以 a≤15mm圖4-18四鉸鏈機構(gòu)(2)若能成為雙曲柄機構(gòu)，則應(yīng)滿足“桿長之和的條件”，且AD必須為最短桿。這時，應(yīng)考慮下述兩種情況：①a≤50mm時，BC為最長桿，應(yīng)滿足

b+d≤a＋c 50+30≤a+35所以 a≥45mm 45mm≤a≤50mm②a＞50mm時，AB為最長桿，應(yīng)滿足

a+d≤b+c

a+30≤50+35所以 a≤55mm 50mm＜a≤55mm將兩種情況下得出的結(jié)果綜合起來，即得a的取值范圍為 45mm≤a≤55mm(3)若能成為雙搖桿機構(gòu)，則應(yīng)該不滿足“桿長之和的條件”。這時，需按下述三種情況加以討論：①a＜30mm時，AB為最短桿，BC為最長桿，則應(yīng)有a+b＞c+da+50＞35+30所以 a＞15mm15mm＜a＜30mm②50mm＞a≥30mm時，AD為最短桿，BC為最長桿，則應(yīng)有d+b＞a+c30+50＞a+35所以a＜45mm30mm≤a＜45mm③a＞50mm時，AB為最長桿，AD為最短桿，則應(yīng)有a+d＞b+ca+30＞50+35所以a＞55mm另外，還應(yīng)考慮到BC與CD桿延長成一直線時，需滿足三角形的邊長關(guān)系(一邊小于另兩邊之和)，即a＜b+c+d=50+35+30a＜115mm55mm＜a＜115mm將不等式(a)和(b)加以綜合，并考慮到式(c)，得出a的取值范圍應(yīng)為15mm＜a＜45mm55mm＜a＜115mm

2.曲柄滑塊機構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副的條件圖7-19(a)所示為一偏置曲柄滑塊機構(gòu)（e≠0）。如果構(gòu)件1為曲柄，則B點應(yīng)能通過曲柄與連桿兩次共線的位置：即當曲柄位于AB1時，它與連桿重疊共線。此時在直角三角形AC1E中，得AC1＞AE，即b-a＞eb＞a+e當曲柄位于AB2時，它與連桿拉直共線。此時在直角三角形AC2E中，得AC2＞AE，即b+a＞e。由于滿足b-a＞e，必然滿足b+a＞e,故式(3-1)為偏置曲柄滑塊機構(gòu)有曲柄的條件。當e=0時，如圖7-19(b)所示，可以同樣得到曲柄滑塊機構(gòu)有曲柄的條件是圖4-19曲柄滑塊機構(gòu)中的幾何關(guān)系4.3.2機構(gòu)運動的急回特性在圖4-20（a）所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)曲柄為原動件，以等角速度逆時針轉(zhuǎn)動，曲桿轉(zhuǎn)一周，搖桿CD往復擺動一次。曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中，有兩次與連桿BC共線，使從動件CD相應(yīng)地處于兩個極限位置C1D和C2D，從動件搖桿在兩個極限位置的夾角稱為擺角ψ(圖7-20（a）、（b）)，對于從動件滑塊的兩個極限距離稱為行程H(圖4-20（c）中的C1C2)。此時原動件曲柄AB相應(yīng)的兩個位置之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。當曲柄AB由AB1位置轉(zhuǎn)過φ1角至AB2位置時，搖桿CD自C1D擺至C2D，設(shè)其所需時間為t1，則點C的平均速度即為 v1=（C1C2）/t1，當曲柄由AB2位置繼續(xù)轉(zhuǎn)過φ2至AB1位置時，搖桿自C2D擺回至C1D，設(shè)其所需時間為t2，則點C的平均速度即為v2=（C1C2）/t2。由于φ1=180°+θ,φ2=180°-θ，φ1＞φ2，可知t1＞t2，則v1＜v2。由此可見，當曲柄等速回轉(zhuǎn)時，搖桿來回擺動的平均速度不同，由C1D擺至C2D時平均速度v1較小，一般作工作行程；由C2D擺至C1D時，平均速度v2較大，作返回行程。((這種特性稱為機構(gòu)的急回特性，設(shè)k稱為行程速比系數(shù)，進一步分析可得（（(4-3)(4-4)由上面分析可知，連桿機構(gòu)有無急回作用取決于極位夾角。不論曲柄搖桿機構(gòu)或者是其他類型的連桿機構(gòu)，只要機構(gòu)在運動過程中具有極位夾角θ，則該機構(gòu)就具有急回作用。極位夾角愈大，行程速比系數(shù)是也愈大，機構(gòu)急回作用愈明顯，反之亦然。若極位夾角θ=0°則k=1，機構(gòu)無急回特性。圖4-20（c）所示為偏置曲柄滑塊機構(gòu)，其極位夾角θ＞0°,故k＞1，機構(gòu)有急回作用。而圖4-19（b）所示為對心曲柄滑塊機構(gòu)，其極位夾角θ=0°故k=1，機構(gòu)無急回特性。在設(shè)計機器時，利用這個特性，可以使機器在工作行程速度小些，以減小功率消耗；而空回行程時速度大些，以縮短工作時間，提高機器的生產(chǎn)率。在機構(gòu)設(shè)計中，通常根據(jù)工作要求預先選定行程速比系數(shù)k，再由下式確定機構(gòu)的極位夾角θ。(4-5)圖4-20機構(gòu)中的極限位置和極位夾角7.3.3壓力角和傳動角、機構(gòu)的死點1.壓力角和傳動角在設(shè)計機構(gòu)時，不僅要實現(xiàn)預定的運動，而且還要使傳遞的動力盡可能發(fā)揮有效作用。圖4-21所示曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)曲柄為原動件，搖桿為從動件。如果不考慮連桿的重力、慣性力和摩擦力的影響，則連桿2是二力構(gòu)件。連桿2作用在從動件3上的驅(qū)動力F將沿著連桿2的中心線BC方向傳遞。將驅(qū)動力F分解為互相垂直的兩個力：沿著受力點C的速度vC方向的分力Ft和垂直于vC方向的分力Fn。不計摩擦時的力F與著力點的速度vC方向之間所夾的銳角為α，稱為壓力角，(4-6)式中Ft是使從動件轉(zhuǎn)動的有效分力，對從動件產(chǎn)生有效回轉(zhuǎn)力矩；而Fn則僅是在轉(zhuǎn)動副D中產(chǎn)生附加徑向壓力的分力，它只增加摩擦力矩，加大摩擦損耗，因而是有害分力。顯然，當α愈大時，徑向壓力Fn愈大，而切向作用力Ft愈小，當α=90°時，切向作用力Ft=0，從動件CD所得到的驅(qū)動力矩將為零。如圖4-21所示，在機構(gòu)設(shè)計中，為了度量方便，習慣用壓力角α的余角γ(即連桿和從動搖桿之間所夾的銳角)來判斷傳力性能，γ稱為傳動角。因γ=90°-α，所以α越小，γ越大，則F的有效分力Fcosα亦越大，機構(gòu)傳力性能越好；反之，α越大，γ越小，機構(gòu)傳力越困難，當γ小到一定程度時，會由于摩擦力的作用而發(fā)生自鎖現(xiàn)象。自鎖現(xiàn)象是由于作用力的方向不合適，即使增加作用力也不能克服摩擦阻力使機構(gòu)運動的現(xiàn)象。因此，傳動角r的理想值應(yīng)保持在接近最大值90°附近。為了保證機構(gòu)傳動性能良好，設(shè)計時通常應(yīng)使最小傳動角γmin≥40°，傳遞大功率時，γmin≥50°。圖4-21曲柄搖桿機構(gòu)中的壓力角和傳動角要注意的是，機構(gòu)的壓力角和傳動角是對從動件而言的。在機構(gòu)的運動過程中，壓力角和傳動角的大小是隨著從動件的位置的變化而變化的，曲柄AB轉(zhuǎn)到與機架AD共線的兩個位置AB1和AB2時，傳動角將出現(xiàn)極值γ′和γ″。比較這兩個位置的傳動角，其值較小者即為最小傳動角。

2.機構(gòu)的死點當機構(gòu)的連桿與從動桿成延長一直線或重疊一直線時，從動件上的傳動γ=0°（或壓力角α=90°），推動力對從動件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這樣的位置稱為機構(gòu)的死點位置。如果從動件是作整周轉(zhuǎn)動的曲柄，則在它的每一個整周轉(zhuǎn)動中將出現(xiàn)兩個死點位置?？p紉機中的曲柄搖桿機構(gòu)（如圖4-2(b)），踏板（搖桿）是主動件，曲柄皮帶輪的曲軸是從動件。當主動踏板位于兩個極限位置時，從動曲柄上的傳動角γ=0，機構(gòu)處于死點位置。對于傳動機構(gòu)來說，機構(gòu)有死點是不利的，應(yīng)該采取一些相應(yīng)措施使之能順利通過死點位置而繼續(xù)運轉(zhuǎn)。對于連續(xù)轉(zhuǎn)動的機器，可以利用從動件的慣性來通過死點位置，例如縫紉機就是利用與從動曲柄固結(jié)在一起的大皮帶輪的慣性來通過死點位置，克服死點問題的。但是，機構(gòu)的死點位置并非總是起消極作用的。在工程中，許多場合要利用死點位置來實現(xiàn)工作要求。圖4-22(a)所示的是一種鉆床上夾緊工件用的連桿式快速夾具，是利用死點位置夾緊工件的一個例子。在連桿3上的手柄處施以壓力F，使連桿BC與連架桿CD成一直線（如圖4-22(b)），這時構(gòu)件1的左端夾緊工件；撤去外力F之后，構(gòu)件1在工件反彈力Fn的作用下要順時針轉(zhuǎn)動，但是這時由于從動件3上的傳動角γ=0而處于死點位置，從而保持了工件上的夾緊力Fn。放松工件時，只要在手柄上加一個向上的外力F，就可使機構(gòu)脫出死點位置，從而放松工件。圖4-22(c)是飛機起落架機構(gòu)，起落架處于放下機輪的位置，連桿BC和從動構(gòu)件CD位于一直線上，構(gòu)件CD處于死點位置，機輪著地時產(chǎn)生的巨大沖擊力不致使從動構(gòu)件CD轉(zhuǎn)動，從而保持著支撐狀態(tài)。圖4-22機構(gòu)死點的應(yīng)用習題4-1鉸鏈四桿機構(gòu)和滑塊四桿機構(gòu)各有哪幾種基本類型？4-2四桿機構(gòu)中構(gòu)件具有兩個整轉(zhuǎn)副的條件是什么？構(gòu)件成為曲柄的充分條件