四桿機構(gòu)（機械設(shè)計基礎(chǔ)課件）

§4.1鉸鏈四桿機構(gòu)§4.2鉸鏈四桿機構(gòu)的其他形式§4.3平面四桿機構(gòu)的工作特性§4.4平面四桿機構(gòu)運動設(shè)計第4章平面連桿機構(gòu)

平面連桿機構(gòu):由若干構(gòu)件用平面低副（轉(zhuǎn)動副、移動副等）連接而成的機構(gòu)，又稱平面低副機構(gòu)。其作用是傳遞運動和動力，或變換運動形式。

概述

概述平面連桿機構(gòu)的優(yōu)點由于是低副，面接觸，承受壓強小、磨損較輕，承載能力較高結(jié)構(gòu)簡單，易加工，構(gòu)件之間的接觸由構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠可實現(xiàn)多種運動形式及其轉(zhuǎn)換，滿足多種運動規(guī)律的要求利用平面連桿機構(gòu)中的連桿可滿足多種運動軌跡的要求平面連桿機構(gòu)的缺點由于低副中存在間隙，機構(gòu)存在運動誤差，精度不高。主動件勻速運動時，從動件通常為變速運動，存在慣性力，不適用于高速場合。

平面連桿機構(gòu)廣泛用于各種機械和儀器設(shè)備中，如汽車車門開啟機構(gòu)，火車輪，開窗戶支撐、公共汽車開關(guān)門、折疊傘等,但是不宜用于高速場合。汽車車門開啟機構(gòu)平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用：B′

C′

BA21D1C34平面四桿機構(gòu)的設(shè)計本章主要內(nèi)容演化機構(gòu)基本類型有曲柄存在的條件鉸鏈四桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)的設(shè)計；本章重點平面連桿機構(gòu)的運動特性及傳力性能；已知連桿平面的位置設(shè)計四桿機構(gòu)；按給定的兩連架桿對應(yīng)位置設(shè)計四桿機構(gòu)；本章難點4.1鉸鏈四桿機構(gòu)構(gòu)件間連接都是轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構(gòu)，稱為鉸鏈四桿機構(gòu)。是平面四桿機構(gòu)的基本形式。固定不動的構(gòu)件稱為機架；機架直接鉸鏈的兩個構(gòu)建稱為連架桿；不直接與機架鉸鏈的構(gòu)件稱為連桿。連架桿如果能做整圈運動就稱為曲柄，否則為搖桿。14324.1.1鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式根據(jù)其兩個連桿架的運動形式不同，可分為：曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)1、曲柄搖桿機構(gòu)在兩連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿。應(yīng)用舉例：攪拌機、雷達天線、縫紉機腳踏板機構(gòu)、走步機、送料機構(gòu)

一般曲柄主動，將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為搖桿的擺動，也可搖桿主動，曲柄從動。運動特點：4.1鉸鏈四桿機構(gòu)雷達天線機構(gòu)例2：雷達天線俯仰角的曲柄搖桿機構(gòu)曲柄1緩慢地勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿2使搖桿3在一定的角度范圍內(nèi)搖動，從而調(diào)整天線俯仰角的大小。牛頭刨床橫向進給機構(gòu)、攪拌機、縫紉機腳踏板、雨刮器、自行車、走步機、送料機構(gòu)應(yīng)用舉例：曲柄搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例汽車刮雨器4.1鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例4.1鉸鏈四桿機構(gòu)攪拌器曲柄搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例走步機4.1鉸鏈四桿機構(gòu)2.雙曲柄機構(gòu)—在鉸鏈四桿機構(gòu)中，兩個連架桿都是曲柄。應(yīng)用舉例：慣性篩、插床機構(gòu)運動特點：通常主動曲柄做等速轉(zhuǎn)動，從動曲柄變速回轉(zhuǎn)4.1鉸鏈四桿機構(gòu)慣性篩機構(gòu)CABDE慣性篩

應(yīng)用：慣性篩機構(gòu)，當原動曲柄AB等速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄CD作變速轉(zhuǎn)動，并通過連桿CE使篩子作往復(fù)運動。慣性篩、插床機構(gòu)應(yīng)用舉例：

雙曲柄機實際應(yīng)用插床機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)應(yīng)用實例4.1鉸鏈四桿機構(gòu)實例：火車輪、攝影平臺、

播種機料斗機構(gòu)、天平特例：平行雙曲柄機構(gòu)AB=CD特征：兩曲柄的長度相同和轉(zhuǎn)速相等及連桿作平動。BC=ADABCDB’C’123ADBCE45F機車車輪機構(gòu)反向平行機構(gòu)ABCDB1C1EFE1F1

當四桿機構(gòu)中雖然對邊桿長相等但不平行時，從動曲柄的轉(zhuǎn)向發(fā)生反轉(zhuǎn)，則成為逆平行四邊形機構(gòu)。

車門開閉機構(gòu)即為其應(yīng)用實例。特例：逆平行雙曲柄機構(gòu)耕地料斗DCABABDCG3ADBCE45FH1267攝影機升降機構(gòu)車門啟閉雙曲柄機構(gòu)應(yīng)用實例4.1鉸鏈四桿機構(gòu)3.雙搖桿機構(gòu)—兩連桿架均只能在不足一周的范圍內(nèi)運動，即兩連架桿都是搖桿。起重機、飛機起落架、汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)用舉例：4.1鉸鏈四桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例起重機4.1鉸鏈四桿機構(gòu)飛機起落架汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例4.1鉸鏈四桿機構(gòu)風(fēng)扇搖頭雙搖桿機構(gòu)應(yīng)用實例4.1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件：(1)最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿長度之和；(2)連桿架或機架最少有一根是最短桿。4.1鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的判別準則：2.若機構(gòu)滿足桿長之和條件，則(1)最短桿的鄰邊為機架——曲柄搖桿機構(gòu)(2)最短桿為機架——雙曲柄機構(gòu)(3)最短桿的對邊為機架——雙搖桿機構(gòu)1.若機構(gòu)不滿足桿長之和條件則只能成為雙搖桿機構(gòu)不滿足條件（1）滿足條件（1）最短桿為機架最短桿的相鄰桿為機架最短桿的相對桿為機架雙曲柄機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)4.1鉸鏈四桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)30505520ABCD例4-1鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD的各桿長如圖所示。請根據(jù)基本類型判別準則，說明機構(gòu)分別以AB、BC、CD、AD各桿為機架時屬于何種機構(gòu)。4.1鉸鏈四桿機構(gòu)解：最短桿AD=20，最長桿CD=55，其余AB=30，BC=50。

因為AD+CD=20+55=75AB+BC=30+50=80>75

滿足曲柄存在第一個條件1）以AB或CD為機架時，即最短桿AD為連桿架，曲柄搖桿機構(gòu)；2）以BC為機架時，即最短桿為連桿，雙搖桿機構(gòu)；3）以AD為機架時，即最短桿為機架，雙曲柄機構(gòu)；4.2鉸鏈四桿機構(gòu)的其他形式4.2.1曲柄滑塊機構(gòu)改變構(gòu)件的形狀及相對尺寸的演化曲柄搖桿曲柄滑塊4.2鉸鏈四桿機構(gòu)的演化CABD2341AB2341C1)曲柄滑塊機構(gòu)——將轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副的演化AB2341eC改變構(gòu)件的形狀及相對尺寸的演化曲柄搖桿曲柄滑塊下圖為鉸鏈四桿機構(gòu)的演化。AB2341C對心曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)AB2341eC應(yīng)用舉例活塞-連桿-曲柄機構(gòu)、自動送料裝置、偏心輪內(nèi)燃機

自動送料裝置

偏心輪機構(gòu)(a)曲柄滑塊機構(gòu)BA1234C(b)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)234CBA1在曲柄滑塊機構(gòu)中，導(dǎo)路是固定不動的，若將導(dǎo)路做成導(dǎo)桿4，使之能繞A點轉(zhuǎn)動，并使AB桿固定，就變成導(dǎo)桿機構(gòu)。當AB<BC時，導(dǎo)桿可做整周回轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)，當AB>BC時，導(dǎo)桿4只能做不足一周的回轉(zhuǎn)，稱為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。演變2)導(dǎo)桿機構(gòu)（選用曲柄滑塊機構(gòu)中不同的構(gòu)件為機架演變而成的機構(gòu)）(c)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)4C231AB

在曲柄滑塊機構(gòu)中，將與滑塊鉸接的構(gòu)件作機架，使滑塊只能搖擺不能移動，則演變?yōu)榍鷵u塊機構(gòu)。3)曲柄搖塊機構(gòu)c)曲柄搖塊機構(gòu)A1234CB曲柄滑塊機構(gòu)BA1234C演變

曲柄搖塊機構(gòu)在自卸卡車翻斗裝置中的實際應(yīng)用。當壓力油進入油缸3（搖塊）時推動活塞桿4（導(dǎo)桿），使車廂（即構(gòu)件1）繞軸線B擺起，實現(xiàn)自動卸料。自卸卡車翻斗裝置21AB43C（d）定塊機構(gòu)A1234CB演變曲柄滑塊機構(gòu)BA1234C

在曲柄滑塊機構(gòu)中，若取滑塊為機架，則將演化成為定塊機構(gòu)。5).定塊機構(gòu)

抽水泵是定塊機構(gòu)的一應(yīng)用實例。當桿2往復(fù)擺動時桿1(導(dǎo)桿)作往復(fù)移動，使水從桿4（固定件——定塊）中抽出來。手動抽水泵4.2鉸鏈四桿機構(gòu)的其他形式§4.3平面四桿機構(gòu)的工作特性要求：1、熟悉鉸鏈四桿機構(gòu)壓力角、傳動角、行程速度變化系數(shù)和死點位置等概念。重點:

鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件。難點：曲柄搖桿機構(gòu)主要特性(急回、壓力角和傳動角、死點位置)。1.急回特性曲柄搖桿中，曲柄轉(zhuǎn)一周有兩次與連桿BC共線，該兩位置鉸鏈中心A與C的距離AC1、AC2分別最短和最長，因而，C1D、C2D分別為搖桿CD兩個極限位置，簡稱極位。搖桿在兩極限位置的夾角

稱為搖桿的擺角。擺角

B2C2B1C1AD21C34Babcd

1曲柄由AB1順時針轉(zhuǎn)到AB2時，曲柄轉(zhuǎn)角

1=180+，搖桿由極位C1D擺到極位C2D，搖桿擺角；曲柄順時針再轉(zhuǎn)過

2=180-時，搖桿由位置C2D擺回到位置C1D，其擺角仍

。搖桿來回擺動擺角相同，但對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角卻不等(1

2)。當曲柄勻速轉(zhuǎn)動時,對應(yīng)時間不等(t1>t2)，即搖桿往復(fù)擺動快慢不同。擺角

B2C2B1C1AD21C34Babcd

1

1

2

令搖桿自C1D擺至C2D為工作行程，這時鉸鏈C平均速度V1=C1C2/t1；搖桿自C2D擺回C1D為空回行程，這時C點平均速度V2=C1C2/t2，V1<V2，表明搖桿具有急回運動特性。牛頭刨床、往復(fù)式運輸機等機械利用該急回特性縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。擺角

B2C2B1C1AD21C34Babcd

1

1

2

急回運動特性可用行程速度變化系數(shù)K表示，即—為搖桿處于兩極限位置對應(yīng)曲柄所夾銳角，稱極位夾角。極位夾角擺角

B2C2B1C1AD21C34Babcd

1

1

2

整理后，得極位夾角計算公式：分析可知：

越大，K值越大，急回運動性質(zhì)越顯著，機構(gòu)運動平穩(wěn)性越差。設(shè)計時，應(yīng)據(jù)工作要求，恰當選擇K值。一般機械中1<K<2。極位夾角擺角

B2C2B1C1AD21C34Babcd

1

1

2

（2）曲柄滑塊機構(gòu)

偏置的曲柄滑塊機構(gòu)：

有急回特性。對心的曲柄滑塊機構(gòu)：

無急回特性。（3）擺動導(dǎo)桿機構(gòu)：

有急回特性。2.壓力角與傳動角——反映傳力特性的參數(shù)

越小，F(xiàn)t越大，機構(gòu)傳力性能越好。理想

=0，壓力角反映機構(gòu)傳力效果好壞一個重要參數(shù)。設(shè)計必須控制最大壓力角不超過許用值。1）壓力角

：

在不計摩擦力、重力、慣性力的條件下，機構(gòu)中驅(qū)使輸出件運動的力的方向線與輸出件上受力點的速度方向線所夾的銳角。vcFFtFn

1ABCD234

1Ft=Fcos----有效分力Fn=Fsin----無效分力F2）傳動角

：壓力角的余角。衡量機構(gòu)傳力性能好壞。vcFFtFn

1ABCD234

1

越大（

則越?。┦芰υ胶谩＠硐?/p>

=90

，設(shè)計時應(yīng)使

min[]（[]為許用傳動角,通常取[]

＞40

；在傳遞力矩較大時，則取[]＞50

）。3.機構(gòu)最小傳動角位置的確定①曲柄搖桿機構(gòu)：曲柄與機架共線的兩個位置之一。②偏置曲柄滑塊機構(gòu)：曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位于與偏距方向相反的一側(cè)。③對心曲柄滑塊機構(gòu)：曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。④以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)：滑塊對導(dǎo)桿的作用始終垂直于導(dǎo)桿，其傳動角

恒為90°，即=min=min=90°，表明導(dǎo)桿機構(gòu)具有最好的傳力性能。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性對于曲柄滑塊機構(gòu)，當主動件為曲柄時，最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架垂直的位置。對于擺動導(dǎo)桿機構(gòu)由于在任何位置時主動曲柄通過滑塊傳給從動桿的力的方向，與從動桿上受力點的速度方向始終一致，所以傳動角等于90度。曲柄搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)在曲柄與機架共線的兩位置出現(xiàn)最小傳動角。VCγγmin對心曲柄滑塊機構(gòu)ABC1234αB0C0αmax滑塊回程D()C1

max

43AaB1Cb2e

1

1B1γmin偏置曲柄滑塊機構(gòu)對于曲柄滑塊機構(gòu)，當主動件為曲柄時，最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架垂直的位置。導(dǎo)桿機構(gòu)

1

2D1

1AC

B1B2D2對于擺動導(dǎo)桿機構(gòu)由于在任何位置時主動曲柄通過滑塊傳給從動桿的力的方向，與從動桿上受力點的速度方向始終一致，所以傳動角等于90度。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5.2死點死點的位置在從動曲柄與連桿共線的兩個位置之一時，出現(xiàn)機構(gòu)的傳動角g=0，壓力角a=90的情況，這時連桿對從動曲柄的作用里恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，不能推動曲柄轉(zhuǎn)動，機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。死點位置的利弊利：工程上利用死點進行工作。

弊：機構(gòu)有死點，從動件將出現(xiàn)卡死或運動方向不確定現(xiàn)象，對傳動機構(gòu)不利度過死點的方法增大從動件的質(zhì)量、利用慣性度過死點位置。采用機構(gòu)錯位排列的方法

死點位置死點：機構(gòu)的傳動角為零的位置。

1.曲柄搖桿機構(gòu)：搖桿為主動件，曲柄為從動件時，曲柄與連桿共線的位置。

2.曲柄滑塊機構(gòu):滑塊為主動件。

3.擺動導(dǎo)桿機構(gòu)：導(dǎo)桿為主動件。四桿機構(gòu)是否有死點：取決于從動件是否與連桿共線。

搖桿CD為原動件，曲柄AB為從動件，則當搖桿擺到極限位置C1D和C2D時，連桿BC與曲柄AB共線，從動件傳動角γ＝0。此時，連桿加給曲柄的力經(jīng)過鉸鏈中心A，此力對A點不產(chǎn)生力矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。稱此位置為：“死點”?！八傈c”位置使機構(gòu)從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定現(xiàn)象。Fγ＝0B2C1γ＝0DCBAB1C24.6平面四桿機構(gòu)的設(shè)計一、設(shè)計概論

一個設(shè)計過程：已知條件→構(gòu)件尺寸

兩類基本問題：實現(xiàn)給定運動規(guī)律；

實現(xiàn)給定運動軌跡；

三種設(shè)計方法：圖解法解析法實驗法已知條件：運動條件、幾何條件、動力條件。簡明易懂，精確性差。精確度好，計算繁雜。形象直觀，過程復(fù)雜。一、按給定的行程速度變化系數(shù)K設(shè)計四桿機構(gòu)設(shè)計急回運動四桿機構(gòu)，需先給定行程速度變化系數(shù)K，后據(jù)機構(gòu)在極限位置幾何關(guān)系，結(jié)合輔助條件確定機構(gòu)運動簡圖尺寸參數(shù)。1)曲柄搖桿機構(gòu)①計算極位夾角

θ＝180°(K-1)/(K+1);已知：CD桿長l3

，擺角φ及K，設(shè)計此機構(gòu)。(設(shè)計實質(zhì)：確定鉸鏈中心A點的位置，定出其它三桿的尺寸。)步驟：②任取一點D，由搖桿長l3及擺角φ作搖桿兩個極限位置C1D、C2D。作等腰三角形，腰長CD，夾角為φ;③連接C1C2。作C2P⊥C1C2，作C1P使∠C2C1P=90°－θ,交于P;④作△PC1C2的外接圓，則A點必在此圓上。

90°-θPE

φ

θ

θC1C2DAB1B2⑤在此圓周上任取一點A為曲柄的固定鉸鏈中心，連接AC1、AC2，得∠C1PC2=∠C1AC2=θ。⑥設(shè)曲柄為l1

，連桿為l2

，因極限位置曲柄與連桿共線，得:

AC1=l1+l2,AC2=l2-l1=>l1=(AC1－AC2)/2

l2=(AC1+AC2)/2由圖得AD=l4

90°-θPE

φ

θ

θC1C2DAB1B2因A點為△C1PC2外接圓上任意一點，若僅按行程速度變化系數(shù)K設(shè)計，可得無窮多解。欲獲得良好的傳動質(zhì)量，可按最小傳動角最優(yōu)或其他輔助條件來確定A點的位置。

90°-θPE

φ

θ

θC1C2DAB1B22)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)分析：由于極位夾角θ與導(dǎo)桿擺角φ相等，設(shè)計此機構(gòu)時，僅需要確定曲柄a。①計算θ＝180°(K-1)/(K+1)；②任選固定鉸鏈中心D，以夾角φ作出導(dǎo)桿兩極限位置Dm、Dn。③作擺角φ的角分線AD，并在線上取AD=d，得固定鉸鏈中心A的位置。④過A點作導(dǎo)桿極限位置的垂線AB，既得曲柄長度:a=dsin(φ/2)。mnφ=θDAd已知：機架長度d，K，設(shè)計此機構(gòu)。aB

B１ｍB２ｎＡＤφ=θ3)曲柄滑塊機構(gòu)已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計此機構(gòu)。①計算:θ＝180°(K-1)/(K+1);②作C1C2＝H④以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。⑥以A為圓心，AC1為半徑作弧交于E,得：⑤作偏距線e，交圓弧于A，即為所求。eE2θ2aHC1C290°-θo90°-θA2aAB134Cb作射線C2O使∠C1C2O=90°－θ。③作射線C1O使∠C2C1O=90°－θ,

2.