第16章平面連桿機(jī)構(gòu)

第十六章平面連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)機(jī)構(gòu)的組成

一、機(jī)器和機(jī)構(gòu)

二、零件和構(gòu)件

三、運(yùn)動(dòng)副及其分類

四、機(jī)構(gòu)的組成第二節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖第三節(jié)汽車常用平面連桿機(jī)構(gòu)

⒈曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

⒉雙曲柄機(jī)構(gòu)

⒊雙搖桿機(jī)構(gòu)

4.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)第四節(jié)有關(guān)連桿機(jī)構(gòu)的一些特性

一、急回特性及行程速比系數(shù)

二、死點(diǎn)位置第十六章平面連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)機(jī)構(gòu)的組成

一、機(jī)器和機(jī)構(gòu)

⒈機(jī)器人們?cè)谌粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動(dòng)中已經(jīng)見(jiàn)過(guò)或用過(guò)不少機(jī)器，如洗衣機(jī)、電動(dòng)機(jī)、拖拉機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。盡管機(jī)器種類繁多，構(gòu)造、性能和用途各異，但它們之間卻存在著一些共同的特征。（以單缸內(nèi)燃機(jī)為例分析）⑴任何機(jī)器都是人為的實(shí)物組合體。⑵組成機(jī)器的各部分（實(shí)物）之間，具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。（說(shuō)明）⑶所有機(jī)器都能作有效的機(jī)械動(dòng)或可進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。綜上所述，可得到機(jī)器的概念：機(jī)器是人為的實(shí)物組合體，它的各部分之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并能作有效的機(jī)械功或進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人類勞動(dòng)。說(shuō)明

⑴如圖16-1所示單缸內(nèi)燃機(jī)，它是由曲軸、連桿、活塞、氣缸、機(jī)體等許多實(shí)物組成的。⑵如圖16-1所示，活塞在氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可變?yōu)榍S相對(duì)于兩端軸承的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。⑶例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)把燃燒燃料產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，最終通過(guò)傳動(dòng)系將動(dòng)力傳給汽車車輪，驅(qū)動(dòng)汽車行駛，完成機(jī)器功能的轉(zhuǎn)換。又如發(fā)電機(jī)是把其它形式的能轉(zhuǎn)換為電能，而電動(dòng)機(jī)卻把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。返回返回工作原理：1.活塞下行，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，混合氣進(jìn)入氣缸；2.活塞上行，氣閥關(guān)閉，混合氣體被壓縮，在頂部點(diǎn)火燃燒；3.高壓燃燒氣體推動(dòng)活塞下行，兩氣閥關(guān)閉；4.活塞上行，排氣閥開(kāi)啟，廢氣被排出氣缸。圖16-1單缸內(nèi)燃機(jī)

返回⒉機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)就是具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)物的組合，它的主要功用在于傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式，但它不能作機(jī)械功，也不能轉(zhuǎn)換能量。（說(shuō)明）⒊機(jī)構(gòu)與機(jī)器的區(qū)別由上述可見(jiàn)，機(jī)構(gòu)只是具備了機(jī)器的前兩個(gè)特征，因此，機(jī)構(gòu)不能作機(jī)械功和進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，其主要功用在于傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式，而機(jī)器的主要功用則在于為了某一生產(chǎn)目的而利用、轉(zhuǎn)換能量或作機(jī)械功。如上述內(nèi)燃機(jī)中活塞連桿機(jī)構(gòu)，就是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，而整個(gè)內(nèi)燃機(jī)則為機(jī)器，因?yàn)樗馨讶剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。但是，在本課程中，我們并不研究機(jī)器的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。因此，若拋開(kāi)機(jī)器的第三個(gè)特征，機(jī)器和機(jī)構(gòu)就沒(méi)什么區(qū)別了。所以，以后無(wú)論談到機(jī)器還是機(jī)構(gòu)，都只用“機(jī)構(gòu)”這一詞，有時(shí)也用“機(jī)械”這一詞，機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。返回例如，內(nèi)燃機(jī)中的活塞、連桿、曲軸、及機(jī)體組合成一個(gè)機(jī)構(gòu)，通常稱為活塞連桿機(jī)構(gòu)，它能將活塞的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。（其它機(jī)構(gòu)）返回二、零件和構(gòu)件⒈零件所謂零件，是指機(jī)械中每一個(gè)單獨(dú)加工的單元體，或者說(shuō)，零件是一個(gè)制造單元。⒉構(gòu)件若由一個(gè)或幾個(gè)零件剛性地聯(lián)接在一起，作為一個(gè)整體而運(yùn)動(dòng)，則這一個(gè)整體就稱為一個(gè)構(gòu)件。這些剛性聯(lián)接在一起的零件之間不能產(chǎn)生任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)。顯然，從運(yùn)動(dòng)的觀念來(lái)看，構(gòu)件是一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。（說(shuō)明：構(gòu)件與零件）如內(nèi)燃機(jī)中的連桿就是由連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等剛性聯(lián)接在一起的，在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，這一剛性聯(lián)接體就是一個(gè)構(gòu)件，就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元。注意，一個(gè)不與其它任何零件剛性聯(lián)接的單獨(dú)的零件，也可以說(shuō)是一個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)件（如內(nèi)燃機(jī)的曲軸等）。返回三、運(yùn)動(dòng)副及其分類兩構(gòu)件直接接觸并能保持一定形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副。例如，活塞與氣缸的聯(lián)接（即兩者相配合）等，即構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)副。由于運(yùn)動(dòng)副中兩構(gòu)件間的接觸形式不同，運(yùn)動(dòng)副又分為低副和高副。1.低副兩構(gòu)件間以面接觸的運(yùn)動(dòng)副，稱為運(yùn)動(dòng)低副。低副又分為：1）轉(zhuǎn)動(dòng)副若運(yùn)動(dòng)副只允許兩構(gòu)件在接觸處有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱該運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副，也稱鉸鏈。如圖16-2所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2即為轉(zhuǎn)動(dòng)副。2）移動(dòng)副若運(yùn)動(dòng)副只允許兩構(gòu)件沿接觸面某一方向相對(duì)滑移，則稱該運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副。如圖16-3所示兩構(gòu)件即構(gòu)成移動(dòng)副。3）螺旋副兩構(gòu)件在接觸處只允許作螺旋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為螺旋副。如圖16-4所示絲杠與螺母組成的運(yùn)動(dòng)副。動(dòng)畫(huà)圖16-2、3、4返回返回2．高副兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。如圖16-5所示的凸輪1與從動(dòng)桿2、齒輪1與齒輪2構(gòu)成的聯(lián)接都是高副。四、機(jī)構(gòu)的組成

有了前述基本知識(shí)，我們可以討論機(jī)構(gòu)的組成了。雖然構(gòu)件是組成機(jī)構(gòu)的基本要素，但只有構(gòu)件，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)副，也不構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)，所以說(shuō)運(yùn)動(dòng)副也是組成機(jī)構(gòu)的要素。因此可以說(shuō)，機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而成的。第二節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖分析已有機(jī)械或設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí)，為了便于研究機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，工程上常用規(guī)定的符號(hào)和線條，繪出能夠表達(dá)各構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的圖形，這種圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中常將運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件用簡(jiǎn)單符號(hào)和線條來(lái)表示。常用運(yùn)動(dòng)副及構(gòu)件的代表符號(hào)如表16-1所示。如圖16-6a所示為一單缸內(nèi)燃機(jī)，b圖就是它的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。表16-1運(yùn)動(dòng)副、構(gòu)件的表示法返回圖16-6

返回第三節(jié)汽車常用平面連桿機(jī)構(gòu)

平面機(jī)構(gòu)是指機(jī)構(gòu)內(nèi)各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都在同一平面或互相平行的平面內(nèi)。平面連標(biāo)桿機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）聯(lián)接組成的機(jī)構(gòu)，各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都在同一平面或平行平面內(nèi)。平面連桿機(jī)構(gòu)的類型很多，應(yīng)用很廣，最簡(jiǎn)單的是由四個(gè)構(gòu)件組成的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。本節(jié)介紹幾種汽車最常用的平面連桿機(jī)構(gòu)。

如圖16-7所示，四個(gè)構(gòu)件之間都是用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接而成的，該機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。其中固定不動(dòng)的桿4稱為機(jī)架，與機(jī)架相聯(lián)的桿1和桿3稱為連架桿，聯(lián)接兩連架桿的桿2稱為連桿。當(dāng)連架桿能繞與機(jī)架相聯(lián)的固定鉸鏈整周回轉(zhuǎn)時(shí)，則稱該連架桿為曲柄，不能整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為搖桿。動(dòng)畫(huà)說(shuō)明1動(dòng)畫(huà)說(shuō)明2返回返回⒈曲柄搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)兩連架桿之一為曲柄，另一連架桿為搖桿則稱該四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)能將曲柄作整周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為搖桿的往復(fù)擺動(dòng)，或者將搖桿的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的整周轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖16-8是汽車中電動(dòng)風(fēng)窗刮水器構(gòu)造示意圖，電動(dòng)機(jī)11驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪傳動(dòng)副旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸輪9上的偏心銷釘帶動(dòng)拉桿8往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)拉桿3和7使刮片架1和5擺動(dòng)。刮水刷安裝在刮片架上。其中，構(gòu)件9、8、4及車身12（機(jī)架）構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。動(dòng)畫(huà)說(shuō)明圖16-8電動(dòng)風(fēng)窗刮水器示意圖

返回返回⒉雙曲柄機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿均為曲柄則稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若兩曲柄的長(zhǎng)度相等，連桿與機(jī)架的長(zhǎng)度也相等，則該機(jī)圖構(gòu)稱為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖16-9a所示。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，兩曲柄回轉(zhuǎn)方向相同，角速度相等。但當(dāng)主動(dòng)曲柄1回轉(zhuǎn)方向不變，而各構(gòu)件位于同一直線AD上時(shí)，從動(dòng)曲柄3的回轉(zhuǎn)方向不確定，有可能變?yōu)榉聪螂p曲柄機(jī)構(gòu)（如圖16-9b），這時(shí)兩曲柄回轉(zhuǎn)方向相反，角速度不等。為防止平行雙曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為反向雙曲柄機(jī)構(gòu)，可以利用從動(dòng)曲柄本身或附加質(zhì)量的慣性來(lái)導(dǎo)向，也可采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位配置的辦法使兩組平行雙曲柄機(jī)構(gòu)不同時(shí)處于可能反向的位置，以保證機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。返回圖16-9返回返回返回雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用較多，如圖16-10所示為機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)為防止轉(zhuǎn)化為反向雙曲柄機(jī)構(gòu)，采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位配置辦法解決。圖16-11所示的天平，是利用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)兩相對(duì)邊桿組相互平行的特性，來(lái)保證天平1和2始終保持水平位置。對(duì)于反向雙曲柄機(jī)構(gòu)應(yīng)用較少，如圖16-12所示為汽車車門開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，為反向雙曲柄機(jī)構(gòu)。當(dāng)主動(dòng)曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)BC使從動(dòng)曲柄CD向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證兩車門能同時(shí)開(kāi)閉至預(yù)定位置。返回返回⒊雙搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿都是搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。圖16-13所示是利用雙搖桿的自卸汽車。AD桿為車架，當(dāng)油缸活塞向右伸長(zhǎng)時(shí)，帶動(dòng)雙搖桿AB、CD向右擺動(dòng)，使車卸貨。如圖16-14所示為汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，應(yīng)用了兩個(gè)搖桿長(zhǎng)度相等的雙搖桿機(jī)構(gòu)——等腰梯形機(jī)構(gòu)。返回返回返回4．曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖16-15所示為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，它由滑塊、連桿、曲柄和機(jī)架四個(gè)構(gòu)件組成。它是最常見(jiàn)的含有一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)滑塊為主動(dòng)件時(shí)，此機(jī)構(gòu)可將滑塊的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍霓D(zhuǎn)動(dòng)，常應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)等機(jī)器中，如內(nèi)燃機(jī)的活塞連桿機(jī)構(gòu)；當(dāng)曲柄為主動(dòng)件時(shí)，則可將曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)移動(dòng)。常應(yīng)用于活塞式泵、沖床等各種機(jī)器設(shè)備中。動(dòng)畫(huà)演示返回在圖16-16中，當(dāng)曲柄AB旋轉(zhuǎn)到與連桿BC成一直線時(shí)，滑塊C的兩個(gè)極限位置C1和C2之間的距離S，稱為滑塊的行程。它與曲柄長(zhǎng)度r的關(guān)系為：S=2r，顯然，連桿的長(zhǎng)短并不影響行程的大小，只影響滑塊起始點(diǎn)的位置。第四節(jié)有關(guān)連桿機(jī)構(gòu)的一些特性

一、急回特性及行程速比系數(shù)圖16-17所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄AB為主動(dòng)件并作勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿CD為從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其最大擺角為Ψ。曲柄AB在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，有兩次與連桿BC共線，這時(shí)搖桿CD分別位于兩極限位置C1D和C2D

。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)所處的兩位置，稱為極位。在極位時(shí)，曲柄兩位置間所夾的銳角θ稱為極位夾角。圖16-17中，當(dāng)曲柄以等角速度ω1順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α1的角度時(shí)，搖桿CD從C1D擺至C2D，設(shè)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t1，而C點(diǎn)的平均速度為v1；當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)α2角度時(shí)，搖桿從C2D擺至C1D，其經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t2，C點(diǎn)的平均速度為v2。因此，由圖16-17中知道，α1=180°+θ，α1=180°-θ，所以α1>α2，而曲柄的角速度ω1為常數(shù)，所以t1>t2、v2>v1，可見(jiàn)，當(dāng)曲柄作等速回轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)的角速度不同，在擺回時(shí)具有較大的平均角速度，這就是搖桿的急回作用或者說(shuō)搖桿具有急回特性。而v2與v1的比值，稱為此四桿機(jī)構(gòu)的急回特性系數(shù)或稱為行程速比系數(shù)。以K表示。行程速比系數(shù)

K值的大小表示機(jī)構(gòu)的急回作用明顯程度。K值越大，急回作用越明顯。K值大小與極位夾角θ有關(guān)，二者有如下關(guān)系：

當(dāng)θ＝0時(shí)，K＝１，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性；當(dāng)θ＞0時(shí)，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)有急回特性。（16-1）（16-2）二、死點(diǎn)位置在圖16-17中，若以搖桿CD為主動(dòng)件時(shí)，當(dāng)搖桿CD在兩極限位置C1D、C2D，連桿BC與曲柄AB兩次重合為一直線時(shí)，若不計(jì)鉸鏈中摩擦和各桿的質(zhì)量，搖桿作用在曲柄的力一定是通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生力矩，不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡死”的現(xiàn)象。機(jī)構(gòu)處在連桿與從動(dòng)件曲柄重合為一直線的極限位置時(shí)，稱為死點(diǎn)位置。在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若以滑塊為原動(dòng)件，則當(dāng)滑塊處于兩極限位置時(shí)，連桿給曲柄的作用力也不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)構(gòu)也處于死點(diǎn)位置。為了保證機(jī)構(gòu)連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)法使機(jī)構(gòu)順利通過(guò)死點(diǎn)位置。工程上