第3章平面連桿機構

1、第第3章章平面連桿機構平面連桿機構能力目標能力目標 1.判斷鉸鏈四桿機構類型的能力；判斷鉸鏈四桿機構類型的能力； 2.識別各類滑塊機構的能力；識別各類滑塊機構的能力； 3.識別四桿機構基本特性的能力；識別四桿機構基本特性的能力； 4.設計平面連桿機構的能力。設計平面連桿機構的能力。 知識要素知識要素 1.鉸鏈四桿機構的基本類型、應用場合；鉸鏈四桿機構的基本類型、應用場合； 2.常見滑塊機構的基本類型、應用場合；常見滑塊機構的基本類型、應用場合； 3.四桿機構的基本特性；四桿機構的基本特性； 4.平面連桿機構的設計方法。平面連桿機構的設計方法。學習重點與難點學習重點與難點 1.各類機構的應用場合

2、和基本特性；各類機構的應用場合和基本特性； 2.平面連桿機構的設計方法。平面連桿機構的設計方法。 日 常 生 活 和日 常 生 活 和工業(yè)生產實踐中廣工業(yè)生產實踐中廣泛應用的各種機械泛應用的各種機械設備，都是人們按設備，都是人們按需要將各種機構需要將各種機構（零件）組合在一（零件）組合在一起，來完成各式各起，來完成各式各樣的任務以滿足人樣的任務以滿足人們生活和生產的需們生活和生產的需要。要。 圖圖3-13-1為為牛頭刨牛頭刨床床的實物外形圖。的實物外形圖。點擊播放點擊播放圖圖3-1 3-1 牛頭刨床實物圖牛頭刨床實物圖點擊播放點擊播放圖圖3-3 3-3 擺動導桿機構擺動導桿機構圖圖3-4 3-

3、4 擺動導桿機構運動簡圖擺動導桿機構運動簡圖 要合理和高效的使用牛頭刨床，就要充分理解和要合理和高效的使用牛頭刨床，就要充分理解和掌握牛頭刨床各組成機構的特性，調整好各機構的運掌握牛頭刨床各組成機構的特性，調整好各機構的運動狀態(tài)，來實現(xiàn)預定的運動要求以達到完成生產任務動狀態(tài)，來實現(xiàn)預定的運動要求以達到完成生產任務之目的。為了了解和掌握各種常用機構的運動狀況和之目的。為了了解和掌握各種常用機構的運動狀況和特性，就需要分析各種機構的組成和類型。特性，就需要分析各種機構的組成和類型。 本章主要介紹平面連桿機構的組成及其基本類型本章主要介紹平面連桿機構的組成及其基本類型，介紹平面連桿機構的設計方法。，

4、介紹平面連桿機構的設計方法。 平面連桿機構是將若干構件用低副（平面連桿機構是將若干構件用低副（轉動副轉動副和和移移動副動副）連接起來并作平面運動的機構，也稱低副機構。連接起來并作平面運動的機構，也稱低副機構。 由于低副為面接觸，故傳力時壓強低、磨損量小，由于低副為面接觸，故傳力時壓強低、磨損量小，且易于加工和保證精度，能方便地實現(xiàn)轉動、擺動和且易于加工和保證精度，能方便地實現(xiàn)轉動、擺動和移動這些基本運動形式及其相互間的轉換等。移動這些基本運動形式及其相互間的轉換等。 平面連桿機構的缺點是：由于低副中存在著間隙，平面連桿機構的缺點是：由于低副中存在著間隙，將不可避免地引起機構的運動誤差；此外，它

5、不容易將不可避免地引起機構的運動誤差；此外，它不容易實現(xiàn)精確復雜的運動規(guī)律。實現(xiàn)精確復雜的運動規(guī)律。 簡單的平面連桿機構是由四個構件用低副連接而簡單的平面連桿機構是由四個構件用低副連接而成的，簡稱成的，簡稱四桿機構四桿機構。它應用廣泛，是組成多桿機構。它應用廣泛，是組成多桿機構的基礎。的基礎。 2 2）轉變運動形式的傳動機構）轉變運動形式的傳動機構 如牛頭刨床如牛頭刨床的橫向進刀機構，擺動的橫向進刀機構，擺動轉動；縫紉機上的轉動；縫紉機上的踏板機踏板機構構點擊播放點擊播放，擺動，擺動轉動；轉動；平面連桿機構的應用：平面連桿機構的應用： 1 1）向較遠處傳遞運動的）向較遠處傳遞運動的操縱機構操縱

6、機構動畫動畫3-063-06 ，如自，如自行車手閘機構、車床和汽車上的離合器的操縱機構；行車手閘機構、車床和汽車上的離合器的操縱機構； 3 3）直接進行工作的執(zhí)行機構）直接進行工作的執(zhí)行機構 如汽車前窗的如汽車前窗的刮雨器機構，公共汽車的刮雨器機構，公共汽車的開門機構開門機構點擊播放點擊播放等。等。1.1.曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構2.2.雙曲柄機構雙曲柄機構3.3.雙搖桿機構雙搖桿機構 根據連架桿運動形式根據連架桿運動形式的不同，可分為三種基本形的不同，可分為三種基本形式。式。4 4機架機架1,31,3連架桿連架桿 定軸轉動定軸轉動2 2連桿連桿平面運動平面運動組成：組成：固定不動固定不動作整

7、周轉動作整周轉動曲柄曲柄作往復擺動作往復擺動搖桿搖桿連架桿連架桿1機架機架4 4連架桿連架桿3 3連桿連桿2 2基本型式基本型式鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構，其它四桿機構都是由它演變得到的，其它四桿機構都是由它演變得到的可動畫演示可動畫演示曲柄搖桿機構應用曲柄搖桿機構應用破碎機破碎機雷達天線俯仰機構雷達天線俯仰機構點擊播放點擊播放曲柄主動曲柄主動A AB BD DC C1 12 24 43 32 21 14 43 3縫紉機踏板機構縫紉機踏板機構3 31 12 24 4跑步器（跑步器（點擊播放點擊播放）雙曲柄機構雙曲柄機構鉸鏈四桿機構的兩個連架桿均為曲柄時，稱為雙曲柄機構圖圖3-10 3-10 雙曲

8、柄機構雙曲柄機構點擊播放點擊播放圖圖3-11 3-11 雙曲柄機構雙曲柄機構慣性篩慣性篩點擊播放動畫點擊播放動畫雙曲柄機構應用雙曲柄機構應用-插床機構插床機構 在雙曲在雙曲柄機構中，柄機構中，若相對的兩若相對的兩桿長度分別桿長度分別相等時，則相等時，則稱為稱為平行雙平行雙曲柄機構曲柄機構圖圖3-12 3-12 平行雙曲柄機構平行雙曲柄機構點擊播放點擊播放 圖圖3-13 3-13 機車車輪聯(lián)動機構機車車輪聯(lián)動機構點擊播放動畫點擊播放動畫點擊播放視頻點擊播放視頻圖圖3-14 3-14 天平機構天平機構點擊播放點擊播放圖圖3-15 3-15 車門啟閉機構車門啟閉機構點擊播放動畫點擊播放動畫引體向上訓

9、練器（引體向上訓練器（點擊播放點擊播放） 若鉸若鉸鏈四桿機鏈四桿機構的兩個構的兩個連架桿均連架桿均為搖桿，為搖桿，則稱為則稱為雙雙搖桿機構搖桿機構圖圖3-17 3-17 雙搖桿機構雙搖桿機構點擊播放點擊播放圖圖3-183-18港口起重機港口起重機點擊播放點擊播放圖圖3-19 3-19 飛機起落架飛機起落架點擊播放動畫點擊播放動畫剪板機剪板機點擊播放動畫點擊播放動畫 通過分析，可得出鉸鏈四桿機構曲通過分析，可得出鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件是：柄存在的條件是：（1 1）最短桿與最長桿的長度之和小于）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。（或等于其余兩桿長度之和。（桿長條件桿長條件）（

10、2 2）連架桿或機架中必有一桿為最短）連架桿或機架中必有一桿為最短桿。桿。判斷鉸鏈四桿機構是何種機構的方法判斷鉸鏈四桿機構是何種機構的方法: : 1 1、先判斷機構是否滿足桿長條件，如不、先判斷機構是否滿足桿長條件，如不滿足，則該機構是雙搖桿機構；滿足，則該機構是雙搖桿機構； 2 2、如滿足桿長條件，要看何桿為機架。、如滿足桿長條件，要看何桿為機架。 最短桿為機架，機構是最短桿為機架，機構是雙曲柄機構雙曲柄機構； 最短桿的鄰桿為機架，機構是最短桿的鄰桿為機架，機構是曲柄搖桿機曲柄搖桿機構；構； 最短桿的對桿為機架，機構是最短桿的對桿為機架，機構是雙搖桿機構雙搖桿機構。 凡含有移凡含有移動副的四

11、桿機動副的四桿機構，稱為滑塊構，稱為滑塊四桿機構，簡四桿機構，簡稱稱滑塊機構滑塊機構。按機構中滑塊按機構中滑塊的數目，可分的數目，可分為為單滑塊機構單滑塊機構和和雙滑塊機構。雙滑塊機構。點擊播放點擊播放點擊播放點擊播放單滑塊機構單滑塊機構雙滑塊機構雙滑塊機構點擊播放點擊播放對心曲柄滑塊機構的應用對心曲柄滑塊機構的應用- -內燃機內燃機對心曲柄滑塊機構的應用對心曲柄滑塊機構的應用自動送料機自動送料機點擊播放點擊播放偏置曲柄滑塊機構偏置曲柄滑塊機構點擊播放點擊播放點擊播放點擊播放對心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構 手動沖孔鉗手動沖孔鉗點擊播放點擊播放導桿機構導桿機構( (固定固定ABAB構件）構件）

12、3 31 14 4A A2 2B BC C3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構（固定（固定ACAC構件）構件）擺動導桿機構擺動導桿機構 L L1 1L L2 2轉動導桿機構轉動導桿機構 L L1 1L L2 2鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構 曲柄滑塊機構的演化曲柄滑塊機構的演化轉動導桿刨床轉動導桿刨床擺動導桿機構牛頭刨床擺動導桿機構牛頭刨床ABDCE123456ABDC1243C2C1點擊播放動畫點擊播放動畫點擊播放動畫點擊播放動畫3 31 14 4A A2 2B BC C應用實例應用實例B B2 23 34 4C C1 1A A自卸卡車的翻斗機構自卸卡車的翻斗機構應用

13、實例應用實例B B3 34 4C C1 1A A2 2應用實例應用實例4 4A A1 1B B2 23 3C C應用實例應用實例1 13 3C C4 4A AB B2 2A A1 1C C2 23 34 4B B 搖塊機構搖塊機構 （固定固定BCBC構件構件）3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構（固定（固定ACAC構件）構件）點擊播放點擊播放3 31 14 4A A2 2B BC C手動抽水機手動抽水機A AB BC C3 32 21 14 43 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構（固定（固定ACAC構件）構件） 定塊機構定塊機構（固定

14、（固定C滑塊）滑塊）點擊播放視頻點擊播放視頻B B2 2C C2 2B1C1當當ABAB與與BCBC兩次共線時，從動件兩次共線時，從動件CDCD處于兩極限位置。處于兩極限位置。動畫演示動畫演示工作行程工作行程01180極位夾角極位夾角：曲柄在搖桿處于兩極限位置時所夾的銳角曲柄在搖桿處于兩極限位置時所夾的銳角(C(C1 1ACAC2 2) )。1A211C34BD2 02180擺角極位夾角極位夾角以曲柄搖桿機構為例設：曲柄以設：曲柄以1 1等速轉動等速轉動擺角擺角：搖桿在兩極限位置間的夾角搖桿在兩極限位置間的夾角(C(C1 1DCDC2 2) )。返回行程返回行程-1801802112vvK 機

15、構的這種返回行程比工作行程速度快的特性，機構的這種返回行程比工作行程速度快的特性，稱為機構的急回特性。稱為機構的急回特性。 除曲柄搖桿機構外，除曲柄搖桿機構外，偏置曲柄滑塊機構、擺偏置曲柄滑塊機構、擺動導桿機構等也具有急動導桿機構等也具有急回特性。回特性。 在往復工作的機械在往復工作的機械（如插床、插齒機、刨（如插床、插齒機、刨床、搓絲機等）中，常床、搓絲機等）中，常利用機構的急回特性來利用機構的急回特性來縮短空行程的時間，以縮短空行程的時間，以提高勞動生產率。提高勞動生產率。圖圖3-343-34偏置曲柄滑塊機構偏置曲柄滑塊機構圖圖3-35 3-35 擺動導桿機構擺動導桿機構點擊播放點擊播放點

16、擊播放點擊播放 鉸鏈四桿機構運動時，原動件鉸鏈四桿機構運動時，原動件 1 通過連桿通過連桿 2 作用于作用于從動件從動件 3 上的力上的力 F 是沿著連桿是沿著連桿 BC 的方向；力的方向；力 F 的方向的方向線與力作用點線與力作用點 C 的速度的速度vc方向線之間所夾的銳角稱為壓方向線之間所夾的銳角稱為壓力角，用力角，用 表示。表示。 為 了 度為 了 度量方便，常量方便，常用 壓 力 角用 壓 力 角 的余角的余角 來來表示，表示， 稱稱為傳動角。為傳動角。 圖圖3-36 3-36 鉸鏈四桿機構的壓力角和傳動角鉸鏈四桿機構的壓力角和傳動角機構具有良好傳力性能的條件機構具有良好傳力性能的條件

17、 由圖由圖3-363-36可知，在機構運動過程中，傳動角可知，在機構運動過程中，傳動角 是變化的。是變化的。為了保證機構有良好的傳力性能，設計時，要求為了保證機構有良好的傳力性能，設計時，要求minmin ， 為許用傳動角。對一般機械來說，為許用傳動角。對一般機械來說， =40 =40；傳遞功率較；傳遞功率較大時，大時， =50 =50。曲柄搖桿機構的曲柄搖桿機構的minmin圖圖3-37 3-37 鉸鏈四桿機構的鉸鏈四桿機構的minmin圖圖3-383-38曲柄滑塊機構的曲柄滑塊機構的maxmax 圖圖3-39 3-39 擺動導桿機構的擺動導桿機構的maxmax 曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構中，

18、在以搖桿主動中，在以搖桿主動工 作 時 ， 當 曲 柄工 作 時 ， 當 曲 柄 AB與連桿與連桿 BC共線共線時，不論連桿上的時，不論連桿上的力力F多大，曲柄都多大，曲柄都不能轉動，機構所不能轉動，機構所處的這種位置，稱處的這種位置，稱為死點位置。為死點位置。圖圖3-403-40曲柄搖桿機構的死點位置曲柄搖桿機構的死點位置A AB BC CD D1 12 23 34 4P P鉆孔夾具鉆孔夾具工件工件A AB BC CD D1 12 23 34 4工件工件P PT TA AB BD DC C飛機起落架飛機起落架A AB BC CD DF F多缸內燃機多缸內燃機 死點位置有時也會成為死點位置有時

19、也會成為機構運動的阻礙，影響設備機構運動的阻礙，影響設備的正常工作，的正常工作，工程中常用的工程中常用的解決辦法是利用構件的慣性，解決辦法是利用構件的慣性，使機構通過死點位置使機構通過死點位置，如在，如在曲軸上安裝飛輪；曲軸上安裝飛輪；也可采用也可采用相同機構錯位排列，使兩邊相同機構錯位排列，使兩邊機構機構 的死點位置互相錯開的死點位置互相錯開的方法來度過死點位置的方法來度過死點位置，如，如右圖所示的多缸內燃機的聯(lián)右圖所示的多缸內燃機的聯(lián)動機構。動機構。連桿機構的設計，一般可歸納為兩類問題：連桿機構的設計，一般可歸納為兩類問題：按給定從動件的位置設計四桿機構，稱為位置設計。按給定從動件的位置設

20、計四桿機構，稱為位置設計。按給定點的運動軌跡設計四桿機構，稱為軌跡設計。按給定點的運動軌跡設計四桿機構，稱為軌跡設計。設計方法有圖解法、解析法和實驗法三種。設計方法有圖解法、解析法和實驗法三種。圖解法簡單直觀，本章主要介紹圖解法。圖解法簡單直觀，本章主要介紹圖解法。用作圖法設計四桿機構用作圖法設計四桿機構1 1、按給定連桿的位置設計四桿機構、按給定連桿的位置設計四桿機構1 1）給定連桿兩個位置）給定連桿兩個位置有唯一解。有唯一解。B1C1B2C2AD 將鉸鏈將鉸鏈A A、D D分別選在分別選在B B1 1B B2 2，C C1 1C C2 2連線的垂直平分線上任意位置都能滿連線的垂直平分線上任

21、意位置都能滿足設計要求。足設計要求。2 2）給定連桿上鉸鏈）給定連桿上鉸鏈BCBC的三組位置的三組位置有無窮多組解。有無窮多組解。ADB1C1B2C2B3C3AD2 2、按給定的行程速比系數按給定的行程速比系數K K設計四桿機構設計四桿機構1 1）曲柄搖桿機構）曲柄搖桿機構計算計算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);已知：已知：CDCD桿長，擺角桿長，擺角及及K K，設計，設計此機構。步驟如下：此機構。步驟如下：任取一點任取一點D D，作等腰三角形腰長，作等腰三角形腰長 為為CDCD，夾角為，夾角為; ;連接連接C C1 1C C2 2，作，作C C1 1PCPC1 1

22、C C2 2，作，作C C2 2P P使使作作P CP C1 1C C2 2的外接圓，則的外接圓，則A A點必在此圓上。點必在此圓上。通過分析，可知，通過分析，可知，L LAC1AC1L LBCBC-L-LABAB, L, LAC2AC2L LBCBC+L+LABAB，則，則90-PAC2C1L LABAB=( L=( LAC2AC2L LAC1AC1)/ 2, L)/ 2, LBCBC=( L=( LAC2AC2+L+LAC1AC1)/ 2)/ 2D CC1 1C C2 2P=90P=90, ,交于交于P;P;A A點的選擇是有條件的，否則會有無窮多解。點的選擇是有條件的，否則會有無窮多解。

23、2C1C2e2)2)曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構S90-oA已知已知K K，滑塊行程，滑塊行程S S，偏距，偏距e e，設計此機構設計此機構 。計算計算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C C1 1 C C2 2 S S作射線作射線C C1 1O O 使使C C2 2C C1 1O=90O=90, ,以以O O為圓心，為圓心，C C1 1O O為半徑作圓。為半徑作圓。作射線作射線C C2 2O O使使C C1 1C C2 2 O=90 O=90。90-作偏距線作偏距線e e，交圓弧于，交圓弧于A A，即為所求。，即為所求。通過分析，可知，通過分析，可知，L LAC1A

24、C1L LBCBC-L-LABAB, L, LAC2AC2L LBCBC+L+LABAB，則，則L LABAB=( L=( LAC2AC2L LAC1AC1)/ 2, L)/ 2, LBCBC=( L=( LAC2AC2+L+LAC1AC1)/ 2)/ 22 2、按給定的行程速比系數按給定的行程速比系數K K設計四桿機構設計四桿機構mnAC=C3)3)擺動導桿機構擺動導桿機構由于由于與導桿擺角與導桿擺角相等，設計此相等，設計此機構時，僅需要確定曲柄機構時，僅需要確定曲柄 ABAB。計算計算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任選任選C C作作mCnmCn，取取A A點，

25、取機架點，取機架ACAC。=A作角分線作角分線; ;設已知：機架長度設已知：機架長度ACAC，K K，設計此機構。設計此機構。BB過過A A點作極限位置點作極限位置CmCm的垂線的垂線ABAB，即是，即是曲柄曲柄ABAB。2 2、按給定的行程速比系數按給定的行程速比系數K K設計四桿機構設計四桿機構 在生產實際和日常生活在生產實際和日常生活中，為達到某一運動要求或中，為達到某一運動要求或動力要求，單一的四桿機構動力要求，單一的四桿機構就不能滿足需要。為此，常就不能滿足需要。為此，常以某個四桿機構為基礎，增以某個四桿機構為基礎，增添一些桿組或機構，組成多添一些桿組或機構，組成多桿機構。桿機構。

26、右圖所示為插齒機主機右圖所示為插齒機主機構，是由雙搖桿機構構，是由雙搖桿機構ABCD和曲柄滑塊機構和曲柄滑塊機構BEFG串聯(lián)串聯(lián)組成，前一機構的從動件組成，前一機構的從動件CE桿正好是后一機構桿正好是后一機構BEFG的的主動件。主動件。圖圖3-47 3-47 插齒機主機構插齒機主機構（改變運動特性）（改變運動特性）G G 下圖所示為手動沖床機構，是由雙搖桿機構下圖所示為手動沖床機構，是由雙搖桿機構ABCD和定塊機構和定塊機構DEFG串聯(lián)組成，前一機構的從動件串聯(lián)組成，前一機構的從動件D桿正桿正好是后一機構好是后一機構DEFG得主動件。得主動件。點擊播放點擊播放點擊播放點擊播放圖圖3-48 3-

27、48 手動沖床手動沖床（增力）（增力）圖圖3-49 3-49 手動沖床手動沖床（擴大行程）（擴大行程） 下圖所示為熱軋鋼料運輸機，是在曲柄搖桿機構下圖所示為熱軋鋼料運輸機，是在曲柄搖桿機構1-2-3-4基礎上添加桿組基礎上添加桿組5-6組成，組成，6為滑塊即運輸鋼料的為滑塊即運輸鋼料的平臺。利用六桿機構，即在搖桿（平臺。利用六桿機構，即在搖桿（3桿）上添加桿組后，桿）上添加桿組后，搖桿的擺動轉變?yōu)榛瑝K的移動，增大了行程。搖桿的擺動轉變?yōu)榛瑝K的移動，增大了行程。圖圖3-50 3-50 自重式訓練器自重式訓練器 圖圖3-493-49所示為自重式訓所示為自重式訓練器，除手持的開式運動鏈外，練器，除手

28、持的開式運動鏈外，其主要組成機構是曲柄搖桿機其主要組成機構是曲柄搖桿機構構ABCDABCD和雙曲柄機構和雙曲柄機構DEFGDEFG的組的組成的六桿機構，前一個機構的成的六桿機構，前一個機構的搖桿就是后一個機構的主動曲搖桿就是后一個機構的主動曲柄。柄。點擊播放點擊播放點擊播放點擊播放劃船器也是一個六桿機構劃船器也是一個六桿機構劃船器是一個六桿機構劃船器是一個六桿機構點擊播放點擊播放 經分析，一般用經分析，一般用一只手握住雨傘把，一只手握住雨傘把，另一只手向上推動滑另一只手向上推動滑塊至一定的位置即可塊至一定的位置即可打開雨傘，畫出長把打開雨傘，畫出長把雨傘機構運動簡圖如雨傘機構運動簡圖如右圖。構

29、件右圖。構件6是雨傘是雨傘把為機架，該機構有把為機架，該機構有5個活動構件，個活動構件， 6個轉個轉動副，動副，1個移動副，個移動副，自由度為：自由度為：F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3 =3 5 52 27 70=10=1 實例一實例一 畫出雨傘的機構運動簡圖并計算自由度畫出雨傘的機構運動簡圖并計算自由度 經分析可畫出折經分析可畫出折疊雨傘機構運動簡圖疊雨傘機構運動簡圖如右圖，該構件如右圖，該構件10為為機架，一共有機架，一共有9個活動個活動構件，構件， 12個轉動副，個轉動副，1個移動副。計算自由個移動副。計算自由度時可只算一半，度時可只算一半， 5個活動構件，個活動構件， 7個低個低副（副（6個轉動副，個轉動副，1個個移動副），自由度為：移動副），自由度為： F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3 =3 5 52 27 70=10=1 實例二實例二 右圖右圖 所示鉸鏈所示鉸鏈四桿機構中，已知四桿機構中，已知 LBC=50 mm LCD=35mm，L