第三講-平面連桿機(jī)構(gòu)

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 何俊 馮鑒 范志勇 西南交通大學(xué)機(jī)械工程系平面連桿機(jī)構(gòu)第三章 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)3.1 概述3.2 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化3.3 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性3.4 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一節(jié) 概述一、連桿機(jī)構(gòu) Linkages用低副連接的機(jī)構(gòu)123ABC4機(jī)架連桿coupler 連架桿A1B2C3D4四桿機(jī)構(gòu)* four-bar linkage mechanism五桿機(jī)構(gòu)六桿機(jī)構(gòu)二、連桿機(jī)構(gòu)的類型 空間連桿機(jī)構(gòu)、平面連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一節(jié) 概述優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動(dòng)作要

2、求；2.構(gòu)件間接觸面上的比壓小、易潤(rùn)滑、磨損輕、適用于傳遞較大載荷的場(chǎng)合；3.機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的元素形狀簡(jiǎn)單、易于加工制造和保證精度。1.只能近似地滿足給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡要求，且設(shè)計(jì)比較復(fù)雜；2. 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力難以平衡，高速時(shí)會(huì)引起較大的振動(dòng)，因此常用于速度較低的場(chǎng)合。 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)三、連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)四、學(xué)科研究現(xiàn)狀 運(yùn)動(dòng)副易加工，承載能力大，易潤(rùn)滑，不易磨損； 連桿上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡多樣化； 運(yùn)動(dòng)副累積誤差大，效率低； 慣性力難以平衡，不宜用于高速； 準(zhǔn)確設(shè)計(jì)難；單自由度多自由度；四桿多桿；運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)+動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)+計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；平面連桿機(jī)構(gòu)+空間連桿機(jī)構(gòu)。第一節(jié) 概述

3、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化一、平面四桿機(jī)構(gòu)的組成要素鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) four-bar mech結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：四個(gè)運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成AD：（固定構(gòu)件）機(jī)架 A1B2C3D4AB、CD：連架桿 曲柄：能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿（狹義曲柄） 搖桿：只能在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)連架桿BC：連桿 運(yùn)動(dòng)副 周轉(zhuǎn)副：組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件能整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 擺轉(zhuǎn)副：組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件不能作整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式:基本型式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的。名詞解釋：曲柄作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；連桿作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；連架桿與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件；搖桿作定軸擺動(dòng)的構(gòu)件；周轉(zhuǎn)副能作3600

4、相對(duì)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)副；擺轉(zhuǎn)副只能作有限角度擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。曲柄連桿搖桿機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化二、四桿機(jī)構(gòu)的功能 靠連架桿實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（或傳動(dòng)函數(shù)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 靠非連架桿實(shí)現(xiàn)給定的剛體位置和剛體上點(diǎn)的軌跡導(dǎo)引機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)三、四桿機(jī)構(gòu)的基本形式運(yùn)動(dòng)變換：轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：構(gòu)件1為曲柄，構(gòu)件3為搖桿應(yīng)用實(shí)例：雷達(dá)天線機(jī)構(gòu)、縫紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)等雷達(dá)天線機(jī)構(gòu)A1B2C3D4縫紉機(jī)踏扳機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) Crank-rocker Mechanism第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化 2、雙曲柄機(jī)構(gòu) double crank m

5、echanism 振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：二連架桿均為曲柄應(yīng)用實(shí)例：慣性振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)變換：轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 通常二轉(zhuǎn)速不相等機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化特例1：平行四邊形機(jī)構(gòu)平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定問(wèn)題特點(diǎn)：二曲柄等速應(yīng)用1火車牽引機(jī)構(gòu)應(yīng)用2自動(dòng)搬運(yùn)車貨物搬運(yùn)機(jī)構(gòu)（叉車）應(yīng)用3裝載機(jī)Solution:1、在從動(dòng)曲柄上加飛輪。 2、錯(cuò)位排列 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化特例2：反平行四邊形機(jī)構(gòu)車門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：二曲柄轉(zhuǎn)向相反機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：二連架桿均為搖桿3. 雙搖桿機(jī)構(gòu) double rocker mechanism應(yīng)用實(shí)例：1、鑄

6、造用大型造型機(jī)的翻箱機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)變換：擺動(dòng)擺動(dòng)實(shí)例動(dòng)畫(huà)2、翻臺(tái)機(jī)構(gòu) 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例：基本型鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 雙曲柄機(jī)構(gòu) 平行四邊形機(jī)構(gòu) 反平行四邊形機(jī)構(gòu) 雙搖桿機(jī)構(gòu) 等腰梯形機(jī)構(gòu)特例等腰梯形機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化四、四桿機(jī)構(gòu)的演化型式1、改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1B24AC3h=2lAB偏心輪機(jī)構(gòu) eccentric mechanism4C231BA B副擴(kuò)大機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化3D3Dr1B2C34AD1B2C4A鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲線導(dǎo)軌曲柄滑塊機(jī)構(gòu)變3構(gòu)件形狀r e

7、 01B24AC31B24AC3e對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu) slider-crank mechanism偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu) offset S-C2、改變構(gòu)件形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化3、選不同構(gòu)件作機(jī)架機(jī)構(gòu)倒置A41A4曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1B2C32作機(jī)架3B2C曲柄搖塊機(jī)構(gòu) 液壓作動(dòng)筒車箱舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化1BA21BA2AA41B2C3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1B24C3直動(dòng)滑桿機(jī)構(gòu) prismatic guide mech.C41BA21BA21BA23手動(dòng)唧筒機(jī)構(gòu)3作機(jī)架應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)C234A41B2C3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作機(jī)架 A41B

8、2C3導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) whitworth mech.lBC lAB，導(dǎo)桿AC整周轉(zhuǎn)動(dòng)C234C234C234C234AB123C4lBC lAB，導(dǎo)桿AC擺動(dòng)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) crank shaper mech.AB1第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB321B321B4A32正弦機(jī)構(gòu)4A1B321B321B321B321B321B321B321B321B321B

9、321B321B321 作機(jī)架1雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu) double slider mech.十字滑塊聯(lián)軸器半聯(lián)軸器4十字滑塊3半聯(lián)軸器2應(yīng)用：縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)14AD23作機(jī)架雙搖桿機(jī)構(gòu)34A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B32正弦機(jī)構(gòu)3 作機(jī)架雙滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)4AD1234AD1231作機(jī)架雙曲柄機(jī)

10、構(gòu)4AD23作機(jī)架曲柄搖桿機(jī)構(gòu)橢圓規(guī)實(shí)例第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4、運(yùn)動(dòng)副元素的逆換23C4AB123C4AB1 3, 4包容 關(guān)系互換擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)的演化： 1 .改變構(gòu)件形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸； 2 .改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸； 3 . 選不同構(gòu)件作機(jī)架； 4 .運(yùn)動(dòng)副元素逆換。 不同類型的四桿機(jī)構(gòu)，其傳遞和變換運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)不同，傳遞和變換力的特性不同。正確選擇平面四桿機(jī)構(gòu)的類型，可以達(dá)到不同的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞和變換的要求。第二節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性不同的四桿機(jī)構(gòu)具有不同的運(yùn)動(dòng)特性和傳力特性；同一種四桿機(jī)構(gòu)，不同的運(yùn)動(dòng)尺寸具

11、有不同的運(yùn)動(dòng)和傳力特性。一運(yùn)動(dòng)特性1、廣義曲柄定義2、狹義曲柄定義機(jī)構(gòu)中能對(duì)相連的構(gòu)件作周轉(zhuǎn)的構(gòu)件（曲柄不一定是連架桿）能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿實(shí)例：搖頭風(fēng)扇機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3、狹義曲柄存在條件CBC”B”ABCDabcd設(shè)adB過(guò)B:B過(guò)B:a+db+c即 a+bd+c b(d-a)+c或 c(d-a)+b即 a+cd+b 得：ab, ac, ad, 即a最短；設(shè)d t2 , v2 v1 急回特性 行程速比系數(shù)K advance-to return-time ratio急回特性的應(yīng)用例插床的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)慢快K=1, 無(wú)急回特性牛頭刨工作要求5、急回特性 quick-return characteris

12、tics 或！實(shí)物動(dòng)畫(huà)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性運(yùn)動(dòng)特性機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性運(yùn)動(dòng)特性3BC21C1C23BC213B21C23B1C3BC213BC212C3B13BC213BC213BC213BC213BC213BC2133BC23B21C2C3B13BC2113BC23BC213BC213BC213BC213BC21B213C23B1C3BC24ADC2C13可行域可行域非可行域非可行域 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)可行域及非可行域 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)連續(xù)性要求不可能在非可行域運(yùn)動(dòng)；不可能從一個(gè)可行域躍入另一個(gè)可行域。 可行域與桿長(zhǎng)有關(guān) 可行域的確定rmax = lAB + lBCrmin = l

13、BC - lABrmaxrmin6、運(yùn)動(dòng)連續(xù)性 continuity of motion機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、傳動(dòng)角和壓力角 pressure/transmission angle 衡量機(jī)構(gòu)傳力性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)：輸出同樣的功率，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副中傳遞的力（運(yùn)動(dòng)副的反力）應(yīng)當(dāng)最??；當(dāng)不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副摩擦?xí)r，用傳動(dòng)角來(lái)衡量?！盋BC”B”ABCDabcd作用在從動(dòng)件CD上受力點(diǎn)C的力為P。P正交分解為Pt 和Pn，壓力角：輸出件的受力方向與受力點(diǎn)的速度方向的所夾的銳角。 Pt =Pcos = Psin Pn =Psin = Pcos 傳動(dòng)角：輸出件的受力方向與受力點(diǎn)到其轉(zhuǎn)動(dòng)中心連線所夾的銳角。 + =90第

14、三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性傳力特性機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性傳力特性機(jī)構(gòu)的傳力性能要求：minmin可能出現(xiàn)的位置：曲柄與機(jī)架共線。重疊共線時(shí)：拉直共線時(shí)：或?qū)ζ们瑝K機(jī)構(gòu)：maxminaBbACeb)bmin1機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)maxminaBbACeb)aBbACa)Abb minmin問(wèn)題討論：標(biāo)出下列機(jī)構(gòu)在圖示位置的壓力角傳動(dòng)及最小傳動(dòng)角min.d)aCABb 00; 900.e)e) 00; 900.第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性傳力特性機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2、死點(diǎn) dead point 死點(diǎn)：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)傳動(dòng)角=00 的位置。在此處，主動(dòng)件不能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。B1C1B2C24ABCD23

15、1=00=00BACB1C=00C2B2=00 克服死點(diǎn)的措施 利用慣性力 相同機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列GGEFEF蒸汽機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性傳力特性機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)=002、折疊家具機(jī)構(gòu)=00 死點(diǎn)的利用實(shí)體動(dòng)畫(huà)3、夾具夾緊機(jī)構(gòu)第三節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的工作特性傳力特性機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)按行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)1、工程要求：設(shè)計(jì)滿足給定的行程速比系數(shù)K的四桿機(jī)構(gòu)，給定搖桿長(zhǎng)，從動(dòng)件行程2、要點(diǎn)：掌握極位夾角及其與K的關(guān)系3、思路：A, C1, C2三點(diǎn)所在圓和 角之關(guān)系。900- 4、問(wèn)題A C1, AC2, AB, BC長(zhǎng)度 關(guān)系。AC1=BC-ABAC2=BC+

16、ABAB=(AC2-AC1)2根據(jù)條件，只有D, C1, C2確定，A點(diǎn)待定。如何確定A點(diǎn)?B1C11B2C24ABCD231oA機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)r=B2C2r=EF900- 5、作圖方法 B2C2o已知：LCD, , K。求：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)其它三桿長(zhǎng)度LAB, LBC, LAD。比例尺C1DAEFBC未知桿長(zhǎng)lAB = AB ul mmlBC = BC ul mmlAD = AD ul mm 6、問(wèn)題討論 無(wú)其它條件，有無(wú)窮多解； 有其它條件，如最小傳動(dòng)角 要求時(shí)，要檢驗(yàn)最小傳動(dòng)角。 無(wú)窮多解為簡(jiǎn)單解析計(jì)算提供了機(jī)會(huì)。如確定A點(diǎn)一個(gè)特殊位置，用AC1C2求解。第四節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)按行程速比系數(shù)K

17、設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)按兩連架桿的位置設(shè)計(jì)1、 工程要求：實(shí)現(xiàn)兩連架桿的一系列對(duì)應(yīng)位置。即，已知機(jī)架長(zhǎng)lAD和兩連架桿對(duì)應(yīng)位置，設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)（求其它三桿長(zhǎng)）問(wèn)題。2、 方法：反轉(zhuǎn)法ABCDABCD轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，使DC成為機(jī)架，成為剛體導(dǎo)引。倒置123123-12-13B3b3B2b2B1b1e3C3e2e1C2C1AD3、 設(shè)計(jì)思路先自定一動(dòng)鉸鏈B或連架桿AB的長(zhǎng)度。已知二固定鉸鏈和一個(gè)活動(dòng)鉸鏈B，求另一活動(dòng)鉸鏈C。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四節(jié) 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)按兩連架桿的位置設(shè)計(jì)dB1B2B3C1ADB2B3b12b23123123a4、 圖解法機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)未知桿長(zhǎng)lBC = lB1C1 mlCD = lC1D m 問(wèn)題討論 給定AB桿后只有確定解； 兩組對(duì)應(yīng)位置問(wèn)題無(wú)窮多解，可加其它條件; 四組對(duì)應(yīng)位置問(wèn)題干桿AB不能任意給定。 注意問(wèn)題 二連架