第八章平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)1

第8章平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

本章要求掌握平面連桿機(jī)構(gòu)的組成及特點(diǎn)，平面連桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其演化和應(yīng)用，曲柄存在條件、傳動(dòng)角、死點(diǎn)、急回運(yùn)動(dòng)、行程速比系數(shù)等基本概念以及設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)的方法。重點(diǎn)：平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化；難點(diǎn)：曲柄存在條件的全面分析、平面多桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和平面四桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角的確定?！?-1概述一、連桿機(jī)構(gòu)的意義二、連桿機(jī)構(gòu)的分類三、平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)四、平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)一、連桿機(jī)構(gòu)的意義

由若干個(gè)構(gòu)件通過(guò)低副(Lower-pair)連接而組成的機(jī)構(gòu)稱為連桿機(jī)構(gòu)，又稱為低副機(jī)構(gòu)。抽油機(jī)中的連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)中的連桿機(jī)構(gòu)縫紉機(jī)中的連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機(jī)構(gòu)，人造衛(wèi)星太陽(yáng)能板的展開機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，折疊傘的收放機(jī)構(gòu)以及人體假肢等等，都是連桿機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是最常見的連桿機(jī)構(gòu)型式。這些機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是其原動(dòng)件1的運(yùn)動(dòng)都要經(jīng)過(guò)一個(gè)不直接與機(jī)架相聯(lián)的中間構(gòu)件2才能傳動(dòng)從動(dòng)件3，這個(gè)不直接與機(jī)架相聯(lián)的中間構(gòu)件稱為連桿，而把具有連桿的這些機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為連桿機(jī)構(gòu)。二、連桿機(jī)構(gòu)的分類所有構(gòu)件均在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，稱為平面連桿機(jī)構(gòu)。1、平面連桿機(jī)構(gòu)(planarlinkage)

所有構(gòu)件不全在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，稱為空間連桿機(jī)構(gòu)。2、空間連桿機(jī)構(gòu)(speciallinkage)三、平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1、平面連桿機(jī)構(gòu)屬于低副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副為面接觸，壓強(qiáng)小，承載能力大，耐沖擊，并且便于潤(rùn)滑，磨損小。2、其運(yùn)動(dòng)副元素多為平面或圓柱面，制造比較容易，而且靠其本身的幾何封閉來(lái)保證構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。

3、可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)軌跡要求。1）用于受力較大的挖掘機(jī)，破碎機(jī)2）用于實(shí)現(xiàn)各種不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求四、平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)1、當(dāng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜時(shí)累計(jì)誤差較大，影響其傳動(dòng)精度。2、慣性力不容易平衡，不適合于高速傳動(dòng)。3、不易精確地滿足各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。平面連桿機(jī)構(gòu)中，其構(gòu)件多呈桿狀，故常簡(jiǎn)稱為“桿”。連桿機(jī)構(gòu)又可根據(jù)機(jī)構(gòu)中所含桿數(shù)而命名，如：四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在連桿機(jī)構(gòu)的研究方面都有長(zhǎng)足的發(fā)展，不再限于單自由度四桿機(jī)構(gòu)的研究，也注重多自由度、多桿機(jī)構(gòu)的分析和綜合。例如：多自由的的機(jī)械手；四足、六足步行機(jī)等，已經(jīng)不限于運(yùn)動(dòng)學(xué)的范圍，還注重動(dòng)力學(xué)方面的研究。由于計(jì)算機(jī)的普及，很多智能化軟件為平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究奠定了基礎(chǔ)，連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用前景也很廣泛。平面連桿機(jī)構(gòu)中最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣的是四桿機(jī)構(gòu)，其他多桿機(jī)構(gòu)都是在它的基礎(chǔ)上擴(kuò)充而成的，本章重點(diǎn)討論四桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)?！?-2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型和應(yīng)用一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用二、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就是當(dāng)平面四桿機(jī)構(gòu)中的全部運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)的四桿機(jī)構(gòu)為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

構(gòu)件名稱連架桿：與機(jī)架相連的構(gòu)件稱為連架桿。連架桿機(jī)架連架桿連桿能繞其軸線轉(zhuǎn)360o的連架桿。僅能繞其軸線作往復(fù)擺動(dòng)的連架桿。曲柄搖桿連架桿機(jī)架：固定不動(dòng)的構(gòu)件稱為機(jī)架。連桿：不直接與機(jī)架相連的構(gòu)件稱為連桿。一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)2、雙曲柄機(jī)構(gòu)3、雙搖桿機(jī)構(gòu)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：若在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中一為曲柄，另一為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)雷達(dá)天線機(jī)構(gòu)攪拌機(jī)機(jī)機(jī)構(gòu)2、雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中若兩連架桿均為曲柄，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用慣性篩機(jī)構(gòu)在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)兩桿的長(zhǎng)度相等且平行，兩曲柄的轉(zhuǎn)向相同，稱為平行四邊形機(jī)構(gòu)。（1）平行四邊形機(jī)構(gòu)：平行四邊形機(jī)構(gòu)的應(yīng)用蒸汽機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置攝影升降機(jī)構(gòu)在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)兩桿的長(zhǎng)度相等，但不平行(BC與AD)，兩曲柄轉(zhuǎn)向相反（AB與CD），稱為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。（2）反平行四邊形機(jī)構(gòu)：車門開閉機(jī)構(gòu)3、雙搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿均為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用鶴式起重機(jī)機(jī)機(jī)構(gòu)等腰梯形機(jī)構(gòu)：在雙搖桿機(jī)構(gòu)中若兩搖桿長(zhǎng)度相等，則稱為等腰梯形機(jī)構(gòu)。汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)二、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化1、改變相對(duì)桿長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)副演化為移動(dòng)副曲柄滑塊機(jī)構(gòu)C3AB124e偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（e>0)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(e=0)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2、選用不同構(gòu)件為機(jī)架（1）變化鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABCD雙曲柄機(jī)構(gòu)(0~360°)(0~360°)(<360°)(<360°)1234ABDC雙搖桿機(jī)構(gòu)(0~360°)(0~360°)(<360°)1234ABCD(<360°)整周轉(zhuǎn)動(dòng)副曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)（2）變化單移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的機(jī)架曲柄滑塊機(jī)構(gòu)BA1234C曲柄搖塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)定塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)BA1234C擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)3A124CB導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)刨床機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(AB<BC)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(AB>BC)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）（3）變化雙移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的機(jī)架（帶二個(gè)滑塊）雙滑塊機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用

縫紉機(jī)針桿機(jī)構(gòu)橢圓儀機(jī)構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)偏心輪機(jī)構(gòu)3、擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副徑向尺寸§8-3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件二、壓力角和傳動(dòng)角三、急回運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)四、機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件由△B2C2D

a+d≤b+c(1)由△B1C1Db≤(d-a)+c或c≤(d-a)+b即a+b≤d+c(2)a+c≤b+d(3)a≤dC2A1a4b3cdBDa≤ca≤ba為最短桿鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件1、桿長(zhǎng)條件：最短桿和最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其它兩桿長(zhǎng)度之和。2、最短桿是連架桿或機(jī)架。（組成周轉(zhuǎn)副的兩桿中必一個(gè)是最短桿）滿足桿長(zhǎng)條件即：最短桿+最長(zhǎng)桿小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。若取最短桿為連架桿時(shí)：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。若取最短桿為機(jī)架時(shí)：雙曲柄機(jī)構(gòu)。若取最短桿為連桿時(shí)，即最短桿相對(duì)的桿為機(jī)架：雙搖桿機(jī)構(gòu)。不滿足桿長(zhǎng)條件即：最短桿加最長(zhǎng)桿大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)無(wú)論取哪桿為機(jī)架均無(wú)曲柄存在，只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型與尺寸之間的關(guān)系：2以最短桿為機(jī)架，則此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；以最短桿的相鄰構(gòu)件為機(jī)架，則此機(jī)構(gòu)為以最短桿為曲柄的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；且：13以最短桿的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架，則此機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。（1）如果最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其它兩桿長(zhǎng)度之和——滿足桿長(zhǎng)和條件（2）如果最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和大于其它兩桿長(zhǎng)度之和（不滿足桿長(zhǎng)和條件），則不論選哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，都為雙搖桿機(jī)構(gòu)。二、壓力角和傳動(dòng)角1、壓力角(pressureangle)從動(dòng)件CD受的力F的作用線與力作用點(diǎn)C的絕對(duì)速度vc

所夾銳角，稱為此位置的壓力角。

在不計(jì)摩擦力、重力、慣性力的條件下，機(jī)構(gòu)中驅(qū)使輸出件運(yùn)動(dòng)的力的方向線與輸出件上受力點(diǎn)的速度方向線所夾的銳角。vcF1ABCD234vcFF1F21ABCD234由力的分解：沿著速度方向的有效分力垂直于Ft的分力vcFF1F21ABCD234力F2只能使鉸鏈C、D產(chǎn)生壓軸力，希望它越小越好；力F1越大，推動(dòng)機(jī)構(gòu)的有效分力就越大，傳力效果就越好，即越小越好。因此，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)中的壓力角提出了限制，最大不能超過(guò)40°～50°，即：<[]=40°～50°vcFF1F21ABCD234越小，受力越好。越大，受力越好。2、傳動(dòng)角(transmissionangle）

壓力角的余角稱為機(jī)構(gòu)在此位置的傳動(dòng)角。

=90o-

ACBDvBFFvcaAB134Cb2vcABC12FFvB3B123AC機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，傳動(dòng)角隨機(jī)構(gòu)的位置不同而變化，為保證機(jī)構(gòu)的傳力效果，平面四桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角位置原動(dòng)件為AB當(dāng)為銳角時(shí)，傳動(dòng)角4vcABCDF123當(dāng)為鈍角時(shí)，傳動(dòng)角fF1vcDFCABF21234abcd在三角形ABD中：BD2=a2+d2-2adcos(1)在三角形BCD中：BD2=b2+c2-2bccos(2)(1)=(2)得：是隨各桿長(zhǎng)和原動(dòng)件轉(zhuǎn)角的變化而變化的。在三角形ABD中：BD2=a2+d2-2adcos(1)在三角形BCD中：BD2=b2+c2-2bccos(2)

設(shè)a、b、c、d各桿長(zhǎng)確定當(dāng)=0°時(shí)，即曲柄與機(jī)架重疊共線，cos=+1,取最小值。當(dāng)=180°時(shí)，即曲柄與機(jī)架拉直共線，cos=-1,取最大值。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin必出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架共線的兩個(gè)位置上，即為min或max時(shí)的兩個(gè)位置，比較這兩個(gè)位置傳動(dòng)角，即可求出最小傳動(dòng)角γmin。即：γ'min

=min

γ

"min=180°-max4vcABCDF123以AB為原動(dòng)件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄和機(jī)架處于兩共線位置時(shí)，連桿和輸出件的夾角最小和最大（）。B2DAC2B1C1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)γmin何時(shí)出現(xiàn)？FvcDB1C1342aAB1CbeC1A23B4導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)vB3F圖1B123AC圖2B4Ad12aC3evB3F三、急回運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)1、極位夾角2、急回運(yùn)動(dòng)(quick-returnmotion)1、極位夾角曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄與連桿兩次共線位置時(shí)曲柄之間所夾銳角稱為極位夾角。當(dāng)AB與BC兩次共線時(shí)，輸出件CD處于兩極限位置。搖桿在兩極限位置所夾角稱為擺角。極位夾角：當(dāng)搖桿處于兩極限位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲柄位置線所夾的銳角。B2C2B1C1A21C34BDabcd擺角極位夾角B2C2B1C1曲柄轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的時(shí)間搖桿點(diǎn)C的平均速度A21C34BDabcd擺角極位夾角v1v2))2、急回運(yùn)動(dòng)(quick-returnmotion)t1>t2v2>v1在曲柄等速回轉(zhuǎn)的情況下，搖桿往復(fù)擺動(dòng)速度快慢不同的運(yùn)動(dòng)，稱為急回運(yùn)動(dòng)。v2>v1為了衡量搖桿急回作用的程度，用行程速比系數(shù)表示.3、行程速比系數(shù)(coefficientoftravelspeedvariation)

k為了衡量搖桿急回作用的程度，把從動(dòng)件往復(fù)擺動(dòng)平均速度的比值（大于1）稱為行程速比系數(shù)，即由極為夾角θ為

四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)急回運(yùn)動(dòng)，取決于曲柄與連桿共線位置的夾角，即有無(wú)極位夾角，不論是何種機(jī)構(gòu)，只要機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中具有極位夾角，則該機(jī)構(gòu)就具有急回作用。角越大，則K值越大，說(shuō)明急回運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)也越顯著。四、機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置

指從動(dòng)件的傳動(dòng)角

=0°(或=90°)時(shí)機(jī)構(gòu)所處的位置。（不考慮構(gòu)件的重力、慣性力和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力的影響）1、死