04-1-鉸鏈機(jī)構(gòu)和滑塊機(jī)構(gòu)

第2篇常用機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)是由兩個以上構(gòu)件以機(jī)架為基礎(chǔ)，由運(yùn)動副以一定方式聯(lián)接而成的，并具有確定相對運(yùn)動的構(gòu)件系統(tǒng)。本篇敘述連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、輪系和間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)等常用機(jī)構(gòu)，及其組合機(jī)構(gòu)的類型、工作原理、運(yùn)動特性、應(yīng)用特點(diǎn)和運(yùn)動設(shè)計等有關(guān)問題。2021/5/241第4章平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)是由平面低副（轉(zhuǎn)動副和移動副）聯(lián)接而成的機(jī)構(gòu)。由于低副機(jī)構(gòu)是面接觸，壓強(qiáng)低，磨損小，構(gòu)成運(yùn)動副的圓柱面或平面制造方便，容易獲得較高的精度。它們常用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動、擺動或移動等運(yùn)動形式之間的相互轉(zhuǎn)換和動力傳遞，在實際中應(yīng)用極為廣泛。但是，這種機(jī)構(gòu)運(yùn)動副磨損后的間隙不能自動補(bǔ)償，容易累積運(yùn)動誤差。另外，它們也不能用于準(zhǔn)確地實現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動。2021/5/242由低副所聯(lián)接的兩個構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，不會因為哪個構(gòu)件是否固定而改變，這一特性稱為低副運(yùn)動可逆性。機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的任務(wù)是，根據(jù)原動件已知運(yùn)動規(guī)律，確定其它構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、軌跡、速度和加速度等運(yùn)動參數(shù)。在連桿機(jī)構(gòu)的原動件運(yùn)動規(guī)律保持不變的情況下，通過改變各個構(gòu)件之間的相對長度，就可以使連桿上點(diǎn)的軌跡曲線或從動件實現(xiàn)不同的運(yùn)動規(guī)律要求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計的任務(wù)是，根據(jù)機(jī)構(gòu)給定的構(gòu)件尺寸參數(shù)和運(yùn)動規(guī)律，確定未知構(gòu)件的運(yùn)動尺寸。2021/5/243教學(xué)目標(biāo)：1.知識目標(biāo)⑴掌握運(yùn)動副分類、結(jié)構(gòu)和相對運(yùn)動特點(diǎn)。⑵熟悉基本平面四桿機(jī)構(gòu)的類型。⑶掌握平面四桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的幾何條件和機(jī)架條件。⑷熟悉平面連桿機(jī)構(gòu)型式的演化途徑。⑸掌握平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性。⑹熟悉平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計的圖解法。⑺了解平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和設(shè)計解析法的基本知識。⑻了解多桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實例。2021/5/2442.能力目標(biāo)⑴具有判別平面四桿機(jī)構(gòu)基本類型的能力。⑵能通過運(yùn)動副變換和機(jī)架變換實現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)型式演化。⑶能夠分析和應(yīng)用平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性。⑷具有圖解設(shè)計平面連桿機(jī)構(gòu)的能力。⑸具有應(yīng)用平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計解析法的初步能力。2021/5/2454.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用平面連桿機(jī)構(gòu)中最基本的是由四個構(gòu)件組成的四桿機(jī)構(gòu)。四桿機(jī)構(gòu)分為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)（機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副都是轉(zhuǎn)動副——鉸鏈）和滑塊四桿機(jī)構(gòu)（機(jī)構(gòu)含有1個或2個移動副）。在轉(zhuǎn)動副中，根據(jù)兩個構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，將它分為周轉(zhuǎn)副（一個構(gòu)件相對于另一個構(gòu)件能做整周轉(zhuǎn)動）和擺轉(zhuǎn)副（一個構(gòu)件相對于另一個構(gòu)件只能做小于360°擺動）根據(jù)兩個構(gòu)件中是否有一個構(gòu)件與機(jī)架固定聯(lián)接的情況，將它分為固定鉸鏈（一個構(gòu)件與機(jī)架固定聯(lián)接）和活動鉸鏈（兩個構(gòu)件都是活動的）。2021/5/246在四桿機(jī)構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件稱為機(jī)架；兩端都是以活動鉸鏈與其它構(gòu)件聯(lián)接的是連桿，它在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時作平面復(fù)雜運(yùn)動；有一端是以固定鉸鏈與機(jī)架聯(lián)接的是連架桿。如果連架桿與機(jī)架聯(lián)接的固定鉸鏈?zhǔn)侵苻D(zhuǎn)副，則該連架桿稱為曲柄，如果連架桿與機(jī)架聯(lián)接的固定鉸鏈?zhǔn)菙[轉(zhuǎn)副，則該連架桿稱為搖桿，如圖4-1所示。2021/5/247曲柄的常見結(jié)構(gòu)形式如圖4-2所示。在組成移動副的兩個構(gòu)件中，習(xí)慣上將長度較短的構(gòu)件稱為滑塊，將較長的構(gòu)件稱為導(dǎo)桿或?qū)Р郏鐖D4-3所示。2021/5/2484.1.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)等三種基本型式。1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（兩個連架桿：曲柄、搖桿）2021/5/2492.雙曲柄機(jī)構(gòu)（兩個連架桿都是曲柄）2021/5/24103.雙搖桿機(jī)構(gòu)（兩個連架桿都是搖桿）2021/5/2411討論：構(gòu)件具有兩個周轉(zhuǎn)副的條件和鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別⑴構(gòu)件具有兩個周轉(zhuǎn)副的條件：在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，機(jī)構(gòu)有無周轉(zhuǎn)副及其配置狀態(tài)（周轉(zhuǎn)副是否固定鉸鏈），決定了機(jī)構(gòu)的類型。在圖4-7所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動一周的過程中，曲柄必定與連桿有兩個共線的位置。根據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊的幾何定理，經(jīng)過整理得到以下不等式。2021/5/2412桿長之和條件：曲柄是最短桿；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。2021/5/2413⑵鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別：由于曲柄實際上就是以周轉(zhuǎn)副與機(jī)架聯(lián)接的連架桿。因此，在判定一個鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型時：①如果機(jī)構(gòu)滿足桿長之和條件，則在最短桿上有兩個周轉(zhuǎn)副。其次，判定周轉(zhuǎn)副是否配置為固定鉸鏈（這與機(jī)架的選取有關(guān)）。如果有一個周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)有一個曲柄，是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；如果有兩個周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)有兩個曲柄，是雙曲柄機(jī)構(gòu)；如果沒有周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)沒有曲柄，是雙搖桿機(jī)構(gòu)。②當(dāng)機(jī)構(gòu)不滿足桿長之和條件時，機(jī)構(gòu)沒有周轉(zhuǎn)副。這時不論選取哪一構(gòu)件作為機(jī)架，都是雙搖桿機(jī)構(gòu)。2021/5/2414能力訓(xùn)練案例4-1:如圖4-8所示的鉸鏈四桿系統(tǒng)中，各桿長度為：a=50、b=100、d=150。試問：CD桿長度c取什么值時，以及如何選取機(jī)架，可分別獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)或雙搖桿機(jī)構(gòu)?2021/5/2415解：⑴機(jī)構(gòu)存在周轉(zhuǎn)副時，應(yīng)滿足桿長之和條件。現(xiàn)分三種情況來討論：①設(shè)為AB最短桿，AD為最長桿，則有即②設(shè)CD為最長桿，則有即③設(shè)CD為最短桿，則有即因此，CD桿不可能為最短桿。2021/5/2416綜上分析，可知：⑴當(dāng)CD桿的長度為，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長之和條件，最短桿AB其上的鉸鏈A、B為周轉(zhuǎn)副。當(dāng)取AD桿或BC桿作機(jī)架時，周轉(zhuǎn)副A或周轉(zhuǎn)副B是固定鉸鏈，則獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；取AB桿作機(jī)架時，周轉(zhuǎn)副A與B都是固定鉸鏈，則獲得雙曲柄機(jī)構(gòu)；取CD桿為機(jī)架時（擺轉(zhuǎn)副C和D是固定鉸鏈），周轉(zhuǎn)副A與B都是活動鉸鏈，則獲得雙搖桿機(jī)構(gòu)。⑵當(dāng)桿長度范圍為或時，不滿足桿長之和條件，機(jī)構(gòu)沒有周轉(zhuǎn)副，因而不存在曲柄。所以，取任何一桿為機(jī)架，都只能獲得雙搖桿機(jī)構(gòu)。2021/5/24174.1.2滑塊四桿機(jī)構(gòu)滑塊四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副中包括移動副和轉(zhuǎn)動副。根據(jù)其中移動副的數(shù)目，分為單滑塊四桿機(jī)構(gòu)和雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)兩類(圖4-9)。2021/5/24181．單滑塊四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件具有兩個周轉(zhuǎn)副的條件在圖4-10（a）所示的單滑塊四桿運(yùn)動鏈中，如果構(gòu)件1是最短桿，那么它與相鄰構(gòu)件間作整周轉(zhuǎn)動的幾何條件是如果構(gòu)件2是最短桿，那么它與相鄰構(gòu)件間作整周轉(zhuǎn)動的幾何條件是單滑塊四桿機(jī)構(gòu)的最短桿上有兩個周轉(zhuǎn)副。2021/5/2419根據(jù)對機(jī)架的選取不同：如果最短桿上有一個周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)就有一個曲柄，是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)或擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；如果有兩個周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)就有兩個構(gòu)件可以繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動，是轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；如果沒有周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈時，機(jī)構(gòu)沒有繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動的構(gòu)件，是移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（也稱為定塊機(jī)構(gòu)）。2021/5/24202.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)⑴曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：當(dāng)曲柄較短時，常將它制成偏心輪的形式。將曲柄上轉(zhuǎn)動副的半徑擴(kuò)大到超過曲柄的長度時，曲柄就演化成偏心輪（其轉(zhuǎn)動中心與幾何中心不重合）。因此，偏心輪可簡化為長度等于其轉(zhuǎn)動中心到幾何中心距離的兩轉(zhuǎn)動副構(gòu)件。2021/5/2421⑵曲柄搖塊機(jī)構(gòu)：對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件長度，如果取構(gòu)件2作為機(jī)架，則周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈，得到曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。

2021/5/2422⑶擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)：在圖4-10（b）的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，假設(shè)構(gòu)件長度，則最短桿2上有兩個周轉(zhuǎn)副與。如果選取構(gòu)件1作為機(jī)架，則周轉(zhuǎn)副是固定鉸鏈，得到擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。2021/5/24233.轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）⑴轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)：在圖4-10（b）的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件長度，則最短桿1上有兩個周轉(zhuǎn)副A與B。如果選取構(gòu)件1作為機(jī)架，則兩個周轉(zhuǎn)副A與B都是固定鉸鏈，連架桿2和4可以繞機(jī)架1作整周轉(zhuǎn)動，這是轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。2021/5/2424⑵移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）：在圖4-10（b）的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，如果取構(gòu)件3（滑塊）作為機(jī)架，得到移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）。2021/5/24254.1.3運(yùn)動副變換在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以通過運(yùn)動副變換，演化出多種多樣的平面連桿機(jī)構(gòu)型式。如圖4-14所示，如果鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副變換成移動副（即用滑塊代替搖桿3，圖4-14（b）），并且將搖桿的長度無限增大（即鉸鏈移到無窮遠(yuǎn)處），則得到如圖4-14（c）所示的單滑塊四桿機(jī)構(gòu)（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）。2021/5/24262021/5/2427從表4-1可以歸納如下：⑴曲柄搖桿機(jī)構(gòu)通過機(jī)架變換，獲得雙曲柄機(jī)構(gòu)或雙搖桿機(jī)構(gòu)（表4-1第Ⅰ列機(jī)構(gòu)簡圖）；也可以通過轉(zhuǎn)動副變成移動副，獲得曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。⑵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過機(jī)架變換，獲得轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)和移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（表4-1第Ⅱ列機(jī)構(gòu)簡圖），其中轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是由機(jī)架是否最短桿來決定的。⑶曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過也可以通過轉(zhuǎn)動副變成移動副，獲得雙滑塊機(jī)構(gòu)（表4-1第Ⅲ列機(jī)構(gòu)簡圖）。⑷曲柄滑塊機(jī)構(gòu)還可以通過擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副，獲得偏心輪機(jī)構(gòu)（圖4-11）。2021/5/2428能力訓(xùn)練案例4-2：試分析圖4-16(a)所示的單滑塊機(jī)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)的類型。2021/5/2429解：機(jī)構(gòu)中原動件2是偏心輪，它與機(jī)架1構(gòu)成中心在的轉(zhuǎn)動副（固定鉸鏈），與從動件3構(gòu)成中心在的轉(zhuǎn)動副（活動鉸鏈）。構(gòu)件4與機(jī)架1構(gòu)成中心在的轉(zhuǎn)動副（固定鉸鏈）。構(gòu)件3與4構(gòu)成移動副，其導(dǎo)路過點(diǎn)并繞其擺動。⑴若將構(gòu)件3表示成導(dǎo)桿，將構(gòu)件4表示成滑塊，則得到曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，如圖4-16(b)所示。⑵若將構(gòu)件3表示成滑塊，將構(gòu)件4表示成導(dǎo)桿，則得到擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖4-16(c)所示。2021/5/2430思考和實訓(xùn)習(xí)題4-14:在某鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知兩連架桿的長度a=80、c=120、連桿長度b=150，試討論：當(dāng)機(jī)架長度d是什么范圍時，可以獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)或雙搖桿機(jī)構(gòu)。提示：⑴d是最長