《機(jī)械基礎(chǔ)》第9章 平面連桿機(jī)構(gòu)

9.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成、基本類型及其演化9.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)思考題

9.1.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成

圖9-1(a)所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，桿4是固定不動的，稱為機(jī)架。與機(jī)架相連的桿1和桿3稱為連架桿，如果桿1(或桿3)能繞鉸鏈A(或鉸鏈D)作整周的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則此連架桿稱為曲柄；如果不能作整周的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而只能來回?fù)u擺一個(gè)角度，則此連架桿就稱為搖桿。

不與機(jī)架直接相連的桿2稱為連桿。圖9-1(b)為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的示意簡圖。9.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成、基本類型及其演化圖9-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)9.1.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，機(jī)架和連桿總是存在的，因此可按曲柄存在情況分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的兩連架桿，如果一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，那么該機(jī)構(gòu)就稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

圖9-2中，圖(a)為剪板機(jī)，通過原動機(jī)驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，通過連桿帶動搖桿往復(fù)擺動，實(shí)現(xiàn)剪切工作。圖(b)為鄂式破碎機(jī)，圖(c)為攪拌機(jī)，圖(d)為雷達(dá)俯仰角度的擺動裝置。

它們都是在曲柄AB連續(xù)回轉(zhuǎn)的同時(shí)，搖桿CD往復(fù)擺動，來完成剪切、礦石粉碎、攪拌、雷達(dá)天線的俯仰擺動等動作。圖9-2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例圖9-3所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，取曲柄AB為主動件，當(dāng)曲柄AB作連續(xù)等速整周轉(zhuǎn)動時(shí)，從動搖桿CD將在C1C2范圍內(nèi)作變速往復(fù)擺動。由此可見，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)能將主動件的整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成從動件的往復(fù)擺動。圖9-3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)搖桿為主動件時(shí)，可將搖桿的往復(fù)擺動經(jīng)連桿轉(zhuǎn)換為曲柄的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。在圖9-4所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)中，當(dāng)腳踏板(相當(dāng)

于搖桿)作往復(fù)擺動時(shí)，通過連桿帶動曲軸(相當(dāng)于曲柄)作連續(xù)運(yùn)動，使縫紉機(jī)實(shí)現(xiàn)縫紉工作。

議一議：在用腳踏縫紉機(jī)時(shí)，有時(shí)會出現(xiàn)腳踏不動的情形，是由什么原因造成的？你是如何解決的呢？

圖9-4縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

2.雙曲柄機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿均為曲柄，則該機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。兩曲柄可分別為主動件。

圖9-5所示的慣性篩中，ABCD為雙曲柄機(jī)構(gòu)，工作時(shí)以曲柄AB為主動件作等速轉(zhuǎn)動，通過連桿BC帶動從動曲柄CD，作周期性的變速運(yùn)動，再通過E點(diǎn)的連接，使篩子作變速往復(fù)運(yùn)動。

慣性篩就是利用從動曲柄的變速轉(zhuǎn)動，使篩子具有一定的加速度，篩面上的物料由于慣性來回抖動，達(dá)到篩分物料的目的。圖9-5慣性篩如圖9-6所示，在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，當(dāng)兩曲柄長度不相等時(shí)，主動曲柄作等速轉(zhuǎn)動，從動曲柄隨之作變速轉(zhuǎn)動，即從動曲柄在每一周中的角速度有時(shí)大于主動曲柄的角速度，有時(shí)小于主動曲柄的角速度。圖9-6雙曲柄機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)中，常見的還有等長雙曲柄機(jī)構(gòu)。

在等長雙曲柄機(jī)構(gòu)中，當(dāng)兩曲柄的長度相等且平行時(shí)，稱為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的兩曲柄的旋轉(zhuǎn)方向相同，角速度也相等，如圖9-7(a)所示。

若雙曲柄機(jī)構(gòu)對邊都相等，但互不平行，則稱其為反向雙曲柄機(jī)構(gòu)。反向雙曲柄的旋轉(zhuǎn)方向相反，且角速度也不相等，如圖9-7(b)所示。圖9-7等長雙曲柄機(jī)構(gòu)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)和反向雙曲柄機(jī)構(gòu)應(yīng)用很廣，如圖9-8所示的機(jī)車車輪聯(lián)動裝置中，車輪相當(dāng)于曲柄，保證了各車輪同速同向轉(zhuǎn)動。此機(jī)車聯(lián)動裝置中還增設(shè)一個(gè)曲柄EF作為輔助構(gòu)件，以防止平行雙曲柄機(jī)構(gòu)ABCD變成反向雙曲柄機(jī)構(gòu)。圖9-8機(jī)車車輪聯(lián)動裝置圖9-9所示的的攝影平臺升降機(jī)構(gòu)和圖9-10所示的播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)都是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

圖9-11所示的車門啟閉機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動曲柄AB轉(zhuǎn)動時(shí)，通過連桿BC使從動曲柄CD朝反向轉(zhuǎn)過，從而保證兩扇車門能同時(shí)開啟和關(guān)閉。圖9-9攝影平臺升降機(jī)構(gòu)圖9-10播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)圖9-11車門啟閉機(jī)構(gòu)

3.雙搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿均為搖桿時(shí)，則該機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

圖9-12所示的汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)中,當(dāng)駕駛員踩下踏板時(shí)，主動搖桿AB向右擺動，由連桿BC帶動從動搖桿CD也向右擺動，從而對離合器產(chǎn)生作用。

又如,圖9-13所示的載重車自卸翻斗裝置，也是應(yīng)用了雙搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)卸貨的。圖9-12汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)圖9-13載重車自卸翻斗裝置

看一看：載重車的卸貨過程及雙搖桿機(jī)構(gòu)在卸貨中的作用。

圖9-14所示的起重機(jī)中，在雙搖桿AB和CD的配合下，起重機(jī)能將起吊的重物沿水平方向移動，實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)。圖9-14起重機(jī)在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，兩桿均可作為主動件。主動搖桿往復(fù)擺動時(shí)，通過連桿帶動從動搖桿往復(fù)擺動，如圖9-15所示。圖9-15雙搖桿機(jī)構(gòu)9.1.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化

除了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的上述三種基本類型外，在生產(chǎn)實(shí)際中還廣泛采用其他形式的平面四桿機(jī)構(gòu)。這些平面四桿機(jī)構(gòu)一般是通過改變鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)某些構(gòu)件的形狀、相對長度或選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架等方式演化而來的。

1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖9-16所示的壓力機(jī)，當(dāng)曲柄AB連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，經(jīng)連桿BC帶動滑塊實(shí)現(xiàn)加壓工作。若以滑塊為主動件，經(jīng)連桿可轉(zhuǎn)換為從動曲柄的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。1—滑塊；2—工件圖9-16壓力機(jī)

析一析：內(nèi)燃機(jī)(見圖9-17)和自動送料裝置(見圖9-18)的工作原理。1—連桿；2—曲輪(曲柄)；3—活塞(滑塊)圖9-17內(nèi)燃機(jī)圖9-18自動送料裝置圖9-19所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來。桿AB曲柄，作連續(xù)整周回轉(zhuǎn)，通過連桿BC帶動滑塊C作往復(fù)直線運(yùn)動，滑塊C移動的距離等于曲柄長度r的兩倍，即

H=2r圖9-19曲柄滑塊機(jī)構(gòu)當(dāng)要求滑塊的行程H很小時(shí)，曲柄的長度必須很小。此時(shí)，常將曲柄做成偏心輪，偏心輪的偏心距e替代了曲柄的長度，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演變成偏心輪機(jī)構(gòu)?；瑝K的行程等于偏心距的兩倍，即H=2e，如圖9-20所示。1—偏心輪；2—連桿；3—滑塊；4—機(jī)架圖9-20偏心輪機(jī)構(gòu)

2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

若將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(見圖9-21(a))中的構(gòu)件1作為機(jī)架，就演化成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(見圖9-21(b))。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可分轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖9-21導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

1)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖9-21(b)所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果機(jī)架1為最短桿，則它的相鄰桿2與導(dǎo)桿4均能繞機(jī)架作連續(xù)轉(zhuǎn)動，故稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

2)擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖9-21(b)所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果機(jī)架1不是最短桿，則它的相鄰構(gòu)件導(dǎo)桿4只能繞機(jī)架擺動，故稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

圖9-22所示為插床機(jī)構(gòu)，其中構(gòu)件1、2、3、4組成轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，導(dǎo)桿4繞A點(diǎn)回轉(zhuǎn)，帶動構(gòu)件5及插刀6往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)切削。圖9-22插床機(jī)構(gòu)圖9-23所示為牛頭刨床機(jī)構(gòu)，其中構(gòu)件1、2、3、4組成擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，

導(dǎo)桿4繞A點(diǎn)擺動，帶動構(gòu)件5及刨刀6往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刨削。圖9-23牛頭刨床中的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

3)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)

若將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(見圖9-21(a))中的構(gòu)件2作為機(jī)架，就演化成曲柄搖塊機(jī)構(gòu)(圖9-21(c))，此機(jī)構(gòu)中原滑塊只能繞機(jī)架原位擺動。這種機(jī)構(gòu)常應(yīng)用于擺缸式內(nèi)燃機(jī)或液壓驅(qū)動裝置。

圖9-24所示的自卸翻斗裝置就應(yīng)用了曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。桿1(車廂)可繞車架2上的B點(diǎn)擺動。桿4(活塞桿)、液壓缸3(搖塊)可繞車架上C點(diǎn)擺動，當(dāng)液壓缸中的壓力油推動活塞桿運(yùn)動時(shí)，迫使車廂繞B點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，物料便自動卸下。

圖9-25所示的擺動式油缸也應(yīng)用了曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。1—桿；2—車架；3—液壓缸；4—活塞桿圖9-24自卸翻斗裝置1—曲柄；2—機(jī)架；3—擺動油缸；4—連桿圖9-25擺動式油缸

4)移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

若將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(見圖9-21(a))中的構(gòu)件3作為機(jī)架，就演化成移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(見圖9-21(d))，此機(jī)構(gòu)中滑塊固定不動。

圖9-26所示的抽水機(jī)就應(yīng)用了移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)搖動手柄1時(shí)，在桿2的支撐下，活塞桿4即在固定滑塊3(唧筒)內(nèi)上下往復(fù)移動，以達(dá)到抽水的目的。1—手柄；2—桿；3—固定滑塊；4—活塞桿圖9-26抽水機(jī)9.2.1曲柄存在的條件

從鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的三種基本形式可知，它們的根本區(qū)別在于連架桿是否為曲柄。而連架桿能否成為曲柄，則取決于機(jī)構(gòu)中各桿的長度關(guān)系和選擇哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架。即要使連架桿成為能整周轉(zhuǎn)動的曲柄，各桿必須滿足一定的長度條件，這就是所謂的曲柄存在的條件。9.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)圖9-27所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，AB為曲柄，

BC為連桿，

CD為搖桿，AD為機(jī)架，它們的長度分別用a、b、c、d來表示，在AB轉(zhuǎn)動一周中，曲柄AB與機(jī)架AD兩次共線。借助這兩個(gè)位置，可找出一些鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系。圖9-27曲柄搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)連桿在B1點(diǎn)時(shí)，形成△AC1D。根據(jù)三角形兩邊之和必大于第三邊的定理，得

b-a+c>d

(9-1)

當(dāng)連桿在B2點(diǎn)時(shí)，形成△AC2D,得

d+c>b+a

(9-2)

d+b>c+a

(9-3)考慮到四桿位于同一直線時(shí)，則式(9-1)、(9-2)、(9-3)可寫成如下形式：

b+c≥d+a

(9-4)

d+c≥b+a

(9-5)

d+b≥c+a

(9-6)

將式(9-4)~式(9-6)分別兩兩相加，則得c≥a,

b≥a,

d≥a，即AB桿為最短桿。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，要使連架桿AB為曲柄，它必須是四桿中的最短桿，且最短桿與最長桿長度之和應(yīng)小于其余兩桿長度之和?？紤]到更一般的情形，可將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄的存在條件概括為：①連架桿與機(jī)架中必有一個(gè)最短桿；②最短桿與最長桿長度之和必小于或等于其余兩桿長度之和。上述兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足，否則機(jī)構(gòu)中無曲柄存在。根據(jù)曲柄條件，還可作出如下推論：

(1)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿長度與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和，則可能有以下三種情況：

①以最短桿的相鄰桿為機(jī)架，最短桿為曲柄，而與機(jī)架相連的另一桿為搖桿，則該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。②以最短桿為機(jī)架，則其相鄰兩桿均為曲柄，故該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

③以最短桿相對桿為機(jī)架，則無曲柄存在，因此該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

(2)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿長度與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和，則無論以哪一桿為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。9.2.2急回特性

圖9-28所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，設(shè)等速轉(zhuǎn)動的曲柄AB為主動件，它在回轉(zhuǎn)一周的過程中，與連桿BC有兩次共線位置AB1和AB2，此時(shí)從動件搖桿CD分別位于左、右兩個(gè)極限位置C1D和C2D，其夾角ψ稱為搖桿的擺角。主動曲柄與連桿在兩共線位置時(shí)所夾的銳角θ稱為極位夾角。圖9-28曲柄搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)曲柄等速轉(zhuǎn)動時(shí)，搖桿來回?cái)[動的速度是不同的，其空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，這種性質(zhì)為機(jī)構(gòu)的急回特性。為了表達(dá)這個(gè)特征的相對程度，設(shè)該值稱為從動件的行程速比系數(shù)K。K的大小表示急回的程度。K與θ有關(guān)，當(dāng)θ=0時(shí)，K=1，說明該機(jī)構(gòu)無急回特性；當(dāng)θ>0時(shí)，該機(jī)構(gòu)具有急回特性，并且θ越大，K值越大，急回特性越明顯。θ與K的關(guān)系為

θ=180°×圖9-29曲柄搖桿機(jī)構(gòu)9.2.3死點(diǎn)位置

如圖9-29所示，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若取搖桿為主動件，當(dāng)搖桿在兩個(gè)極限位置時(shí)，連桿與曲柄共線，通過連桿加于曲柄的力F經(jīng)過鉸鏈中心A，該力對A點(diǎn)的力矩為零，故不能推動曲柄轉(zhuǎn)動，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。這種位置稱為死點(diǎn)。

平面四桿機(jī)構(gòu)是否存在死點(diǎn)位置，取決于從動件是否與連桿共線。凡是從動件與連桿共線的位置都是死點(diǎn)。對機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動來說，死點(diǎn)是有害的，因?yàn)樗傈c(diǎn)位置常使機(jī)構(gòu)從動件無法運(yùn)動或出現(xiàn)運(yùn)動不確定現(xiàn)象。如圖9-29所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)(曲柄搖桿機(jī)構(gòu))，當(dāng)踏板CD為主動件并作往復(fù)擺動時(shí)，機(jī)構(gòu)在兩處有可能出現(xiàn)死點(diǎn)位置，致使曲柄AB不轉(zhuǎn)或出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了保證機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可在曲柄軸上裝飛輪，利用其慣性作用使機(jī)構(gòu)順利地通過死點(diǎn)位置。在工程上，有時(shí)也利用死點(diǎn)進(jìn)行工作，如圖9