第2章-平面連桿機(jī)構(gòu)

第2章平面連桿機(jī)構(gòu)

平面連桿機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件用低副(轉(zhuǎn)動副和移動副)連接組成的平面機(jī)構(gòu)，有時也稱為平面低副機(jī)構(gòu)。命名:

根據(jù)所含有構(gòu)件的數(shù)目。稱為四桿機(jī)構(gòu)，多桿機(jī)構(gòu)(五桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu))。

本章主要研究平面四桿機(jī)構(gòu)的類型、基本性質(zhì)和設(shè)計方法。

優(yōu)點：能夠?qū)崿F(xiàn)多種運動形式的轉(zhuǎn)換，也可以實現(xiàn)各種預(yù)定的運動規(guī)律和復(fù)雜的運動軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動作要求；面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損，適用于傳遞較大載荷的場合；機(jī)構(gòu)中運動副的元素形狀簡單、易于加工制造和獲得較高的制造精度。缺點：只能近似地滿足給定的運動規(guī)律和軌跡要求，且設(shè)計比較復(fù)雜；運動構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力難以平衡，高速時會引起較大的振動，因此常用于速度較低的場合。構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)較多時，效率較低。

§2-1平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其應(yīng)用

平面四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)(全轉(zhuǎn)動副)含有移動副的平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

雙曲柄機(jī)構(gòu)

雙搖桿機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)顎式破碎機(jī)簡圖FFrFFrFrFrFrFr攪拌機(jī)容器轉(zhuǎn)動，攪拌頭按某種軌跡運動，以完成攪拌工作。曲柄連桿搖桿連桿曲線——連桿上點的軌跡一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)——全部用轉(zhuǎn)動副相連的平面四桿機(jī)構(gòu)。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件為機(jī)架；與機(jī)架相連的構(gòu)件為連架桿，連架桿中，能繞機(jī)架的固定鉸鏈作整周轉(zhuǎn)動的稱為曲柄，僅能在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的稱為搖桿；連接兩連架桿且不與機(jī)架直接相連的構(gòu)件稱為連桿。tu2-112341,3連架桿——與機(jī)架相連的構(gòu)件機(jī)架——相對固定的構(gòu)件連桿2——作一般平面運動的構(gòu)件曲柄——整周轉(zhuǎn)動的連架桿搖（擺）桿——往復(fù)擺動的連架桿鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)2.雙曲柄機(jī)構(gòu)3.雙搖桿機(jī)構(gòu)曲柄——整周轉(zhuǎn)動的連架桿搖（擺）桿——往復(fù)擺動的連架桿曲柄搖桿機(jī)構(gòu)１.

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作者：潘存云教授ABC1243DABDC1243雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)曲柄主動縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)2143搖桿主動3124實例：ABCD1234當(dāng)兩個連架桿AB、CD均為曲柄時雙曲柄機(jī)構(gòu)2.雙曲柄機(jī)構(gòu)1)定義:兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。2)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)(對邊相等)，是雙曲柄機(jī)構(gòu)中應(yīng)用較多的類型。3)轉(zhuǎn)折點(運動不確定狀態(tài))：在以長邊為機(jī)架的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)中，當(dāng)四個鉸鏈中心處于同一直線上時，從動曲柄的回轉(zhuǎn)方向可能不再與主動曲柄轉(zhuǎn)動方向相同，而是相反。4)轉(zhuǎn)折點的消除方法。圖2－9、10。142313Tu2-9-101adba=c,b=d;平行雙曲柄機(jī)構(gòu)c13兩曲柄轉(zhuǎn)向相同，且1=31會出現(xiàn)另一種運動的可能即將出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點!!平行雙曲柄機(jī)構(gòu)變成反向雙曲柄機(jī)構(gòu)?？捎萌缦路椒ń鉀Q：1。靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1。靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1。靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1?？勘旧碣|(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄Tu2-10可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄可用如下方法解決：2.加一輔助曲柄可用如下方法解決：3，加一輔助連桿。3.雙搖桿機(jī)構(gòu)1定義：兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。2

雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：

港口起重機(jī)CBADE?港口起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)實例：鶴式吊CBADE?當(dāng)兩連架桿AB、CD均為搖桿時雙搖桿機(jī)構(gòu)鶴式吊CBADE?鶴式吊CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBEAD?CBE1ADCBE1ADE2CBE1ADE2E3CBE1ADE2E3E4CBE1ADE2E3E4E5CBE1ADE2E3E4E5E6CBE1ADE2E3E4E5E6E7CBE1ADE2E3E4E5E6CBE1ADE2E3E4E5CBE1ADE2E3E4CBE1ADE2E3CBE1ADE2CBE1AD曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特點是：既能將曲柄的整周轉(zhuǎn)動變換為搖桿的往復(fù)擺動，又能將搖桿的往復(fù)擺動變換為曲柄的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。雙曲柄機(jī)構(gòu)的特點是：能將等角速度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘淖兘撬俣绒D(zhuǎn)動。

例如：攪拌機(jī)、縫紉機(jī)等。例如：慣性篩、挖掘機(jī)（平行四邊形機(jī)構(gòu)）、車門啟閉機(jī)構(gòu)（反平行四邊形機(jī)構(gòu)）等。雙搖桿機(jī)構(gòu)的特點是：兩個連架桿均為搖桿。例如：起重機(jī)、電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)等。作者：潘存云教授偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)↓∞

二、含一個移動副的四桿機(jī)構(gòu)1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副，使轉(zhuǎn)動副變成移動副。根據(jù)滑塊往復(fù)移動的導(dǎo)路中心線是否通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可分為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。特點：可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和往復(fù)移動的變換。應(yīng)用：活塞式內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)、沖床等機(jī)械等。2.曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)41232413應(yīng)用實例：回轉(zhuǎn)式油泵（轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)），牛頭刨床的主體機(jī)構(gòu)（擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）。

取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的不同構(gòu)件為機(jī)架而獲得的。取構(gòu)件1為機(jī)架，構(gòu)件2為主動件，若，導(dǎo)桿4作整周運動，稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；若，導(dǎo)桿4作往復(fù)擺動，稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

1234牛頭刨床應(yīng)用實例:作者：潘存云教授ABDC1243C2C1小型刨床作者：潘存云教授ABDCE123456取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿2為機(jī)架。當(dāng)曲柄1為原動件繞機(jī)架2上的鉸鏈中心轉(zhuǎn)動時，滑塊3繞機(jī)架2上的鉸鏈中心擺動，故稱該機(jī)構(gòu)為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)或稱為擺動滑塊機(jī)構(gòu)。

3.搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu)4應(yīng)用于各種擺動式原動機(jī)和工作機(jī)中。擺缸式液壓泵、卡車車箱自動翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)。4123213作者：潘存云教授應(yīng)用實例B234C1A自卸卡車舉升機(jī)構(gòu)ACB1234應(yīng)用實例B34C1A2應(yīng)用實例4A1B23C應(yīng)用實例13C4AB2應(yīng)用實例A1C234Bφ搖塊機(jī)構(gòu)314A2BC取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊3為機(jī)架。當(dāng)曲柄1轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)桿4可在固定滑塊3中往復(fù)移動，故該機(jī)構(gòu)稱為移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（或定塊機(jī)構(gòu)）。應(yīng)用實例：手壓抽水機(jī)、抽油泵等。41231234作者：潘存云教授通過選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架可以獲得不同機(jī)構(gòu)314A2BC直動滑桿機(jī)構(gòu)手搖唧筒

通過選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的方法稱為機(jī)構(gòu)的倒置，得到的機(jī)構(gòu)稱為原機(jī)構(gòu)的倒置機(jī)構(gòu)。BC3214A導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)314A2BC曲柄滑塊機(jī)構(gòu)314A2BC搖塊機(jī)構(gòu)314A2BCABC3214作者：潘存云教授偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)

正弦機(jī)構(gòu)s=lsinφ↓∞

→∞φl三、含兩個移動副的四桿機(jī)構(gòu)

橢圓儀機(jī)構(gòu)選擇雙滑塊機(jī)構(gòu)中的不同構(gòu)件作為機(jī)架可得不同的機(jī)構(gòu)作者：潘存云教授1234正弦機(jī)構(gòu)3214四、具有偏心輪的四桿機(jī)構(gòu)

當(dāng)曲柄較短時，往往由于工藝、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面的需要，將轉(zhuǎn)動副的曲柄銷半徑擴(kuò)大到超過曲柄長度，這樣就使曲柄成為偏心輪。

由于偏心輪的偏心距等于曲柄長度，所以偏心輪機(jī)構(gòu)與原機(jī)構(gòu)性質(zhì)相同。偏心輪機(jī)構(gòu)的偏心距較小，當(dāng)偏心輪為主動件時，從動件滑塊或搖桿的位移較小，但傳力很大，特別適合沖床、破碎機(jī)等機(jī)械。作者：潘存云教授偏心輪機(jī)構(gòu)五、四桿機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展

某些多桿機(jī)構(gòu)可看作是由幾個四桿機(jī)構(gòu)擴(kuò)展組成的，但有些則不能。

圖2-19所示手動沖床由雙搖桿機(jī)構(gòu)（1，2，3，4）及搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（3，4，5，6）串聯(lián)組成。圖2-20所示篩料機(jī)構(gòu)由雙曲柄機(jī)構(gòu)（1，2，3，6）及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（3，4，5，6）串聯(lián)組成。

但習(xí)題1-6圖所示鋸木機(jī)機(jī)構(gòu)就不能分解成幾個四桿機(jī)構(gòu)。§2－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性

平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性包括運動特性和傳力特性。一.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件整轉(zhuǎn)副：兩構(gòu)件能相對轉(zhuǎn)動360°的轉(zhuǎn)動副。具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)才可能存在曲柄。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件1.最短桿與最長桿的長度之和，小于或等于其他兩桿長度之和；2.連架桿和機(jī)架中必有一個是最短桿。

①鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若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，則取最短桿的相鄰桿為機(jī)架時，得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；取最短桿為機(jī)架時，得雙曲柄機(jī)構(gòu)；取與最短桿相對的桿為機(jī)架時，得雙搖桿機(jī)構(gòu)。②鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若最短桿與最長桿的長度之和大于其余兩桿長度之和，則不論取何桿為機(jī)架時均無曲柄存在，而只能得雙搖桿機(jī)構(gòu)。推論：圖2-13具有整轉(zhuǎn)副的條件曲柄——整周轉(zhuǎn)動的連架桿搖（擺）桿——往復(fù)擺動的連架桿注意觀察運動鏈各構(gòu)件間的運動關(guān)系。ACDB該機(jī)構(gòu)具有兩個整轉(zhuǎn)副A,B(能整周轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動副）兩個擺動副C,D(只能作擺動的轉(zhuǎn)動副）ACDB具有兩個整轉(zhuǎn)副的條件adcb各桿長a,b,c,d.ACDBadcba+b

c+d曲柄與連桿拉直共線ACDBadcba+bc+dc

d+b-adc+b-ac+ad+b；d+ac+b曲柄與連桿重疊共線ACDBadcbc+a

d+b；d+ac+bACDBadcba+bc+d以上各式兩兩相加得：

a

b

；a

c

；a

d。ACDBadcba+bc+dc+a

d+b；d+ac+bACDBadcba

b

；ac

；a

d。1，具有兩個整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件為機(jī)構(gòu)中的最短桿；2，最短桿與最長桿之和小于或等于其它兩桿之和。ACDBadcbACDBadcb1，具有兩個整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件為機(jī)構(gòu)中的最短桿；2，最短桿與最長桿之和小于或等于其它兩桿之和(稱為桿長之和條件）。機(jī)構(gòu)具有兩個整轉(zhuǎn)副的條件獲得鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本型式的方法ADCB

若以BC構(gòu)件為機(jī)架，觀察各轉(zhuǎn)動副的運動性質(zhì)A,B仍為整轉(zhuǎn)副C,D仍為擺動副ACDBACDB運動副的性質(zhì)不隨機(jī)架變更而改變

——低副運動的可逆性。ACDBAD（或BC）為機(jī)架得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ACDBAB為機(jī)架得雙曲柄機(jī)構(gòu)ACDBDC為機(jī)架得雙搖桿機(jī)構(gòu)二、急回特性急回運動:當(dāng)曲柄AB為原動件時,從動件搖桿在空回行程時產(chǎn)生急回。

—搖桿的擺角，—極位夾角。

CBADd

急回運動

極位夾角

行程速度變化系數(shù)Ktu2-4CBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdACDBacbdCBADdCBADdC2ADd機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)極位B2ADdC2B2v2BADdv2C2BADdv2C2C2BADdv2C2BADdv2C2ADdv2C12機(jī)構(gòu)的近極位C2B2B1CBADdC2v22V1CBADdC2v22V1CBADdC2v22V1CBADdC2v22V1ACDacbdC2v22V1CBADdC2v22V1BADdC2v22V11B2B1機(jī)構(gòu)的近極位機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)極位C1BADdC2v22V11B2B1C1搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角——極位夾角ADdC2v22（t2）V11（t1）B2B1C1因為1（t1）

>2（t2）；所以v2>v1，兩速度之比：k=v2/v1=（s/t2）/（s/t1）=t1/t2=(1800+)/(1800-).K為行程速比系數(shù)，或稱行程速度變化系數(shù)?；￠LSADdC2v22（t2）V11（t1）B2B1C1為描述從動搖桿的急回特性，在此引入行程速比系數(shù)K，即：K=180+180-K值的大小反映了急回運動特性的顯著程度。K值的大小取決于極位夾角，角越大，K值越大，急回運動特性越明顯；反之，則愈不明顯。當(dāng)時，K=1，機(jī)構(gòu)無急回特性。

若在設(shè)計機(jī)構(gòu)時先給定K值，則

:在生產(chǎn)實際中，常利用機(jī)構(gòu)的急回運動來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率，如牛頭刨床、往復(fù)式運輸機(jī)等。

三、壓力角和傳動角(描述傳力性能)壓力角愈小，機(jī)構(gòu)的傳力效果愈好。所以，衡量機(jī)構(gòu)傳力性能，可用壓力角作為標(biāo)志。

壓力角：從動件受力方向與受力點線速度方向之間所夾的銳角。傳動角:壓力角的余角即連桿與從動件間所夾的銳角。

在連桿機(jī)構(gòu)中，為度量方便，常用壓力角的余角即連桿與從動件間所夾的銳角(傳動角)檢驗機(jī)構(gòu)的傳力性能。

傳動角愈大，機(jī)構(gòu)的傳力性能愈好，反之則不利于機(jī)構(gòu)中力的傳遞。機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中，傳動角是變化的，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)最小傳動角的位置正好是傳力效果最差的位置，也是檢驗其傳力性能的關(guān)鍵位置。

設(shè)計要求：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，以曲柄為原動件時，其最小傳動角發(fā)生在曲柄與機(jī)架兩次共線位置之一。

ABCDACDBl1l3l2l4tu2-7ACDBl1l3l2l4CBADCBADCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADdCBADd搖桿運動區(qū)搖桿非運動區(qū)CBADd作用在從動件CD上的力FFCBADdVcFF’F”F沿C點速度Vc方向的投影F’——有效分力F沿從動件DC方向的投影F”——無效分力CBADdVcFF’F”CBADdVcFF’F”F’=FCos;,F’F”=FSin;,F”

的值可衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞。CBADdVcFF’F”壓力角——從動件受力方向與受力點速度方向所夾的銳角。CBADdVcFF’F”壓力角——從動件受力方向與受力點速度方向所夾的銳角。與壓力角互余的角——稱為傳動角。傳力性能好。CBADd機(jī)構(gòu)的，隨機(jī)構(gòu)的位置變化。機(jī)構(gòu)的最小傳動角min在哪里?CBADd與對應(yīng)，當(dāng)B、D間的距離達(dá)到極值時，有極值。C''B''ADd''minabc''AB與AD內(nèi)共線時有min，其對應(yīng)的壓力角''，傳動角'’。C''B''ADd''minabc''min，=arcCos{[b2+c2-(d-a)2]/(2bc)}min，

=''C'B'ADd'maxabc'AB與AD外共線時有max，其對應(yīng)的壓力角'，傳動角'。C'B'ADd'maxabc'max=arcCos{[b2+c2-(d+a)2]/(2bc)}'=1800-max

B'C'ADd'maxabc'max=arcCos{[b2+c2-(d+a)2]/(2bc)}'=1800-max

C''B''ADd''minabc''min，=arcCos{[b2+c2-(d-a)2]/(2bc)}min，

=''外共線內(nèi)共線取′與〞兩者中的較小值為最小傳動角

min='，''minB'C'ADd'maxabc'C''B''ADd''minabc''外共線內(nèi)共線最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一。四、死點位置機(jī)構(gòu)傳動角γ=0（即α=90°

）的位置稱為死點位置。機(jī)構(gòu)處于死點位置時，從動件會出現(xiàn)卡死（機(jī)構(gòu)自鎖）或運動方向不確定的現(xiàn)象。

ADBCFVBtu2-5-6ADBCCD為主動件!!FVBADBCCD為主動件!!FVB=0當(dāng)連桿BC與從動件曲柄AB共線時，壓力角=900，傳動角=0，機(jī)構(gòu)不能運動，此位置稱為死點位置。ADBCFVB機(jī)構(gòu)在死點位置時，如果發(fā)生運動，其從動件運動方向不定。ADCB縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)ADCB縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)ADCB縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)ADCB縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)DCBADCBADCBADCBADCBAADCBADCBADCBACBDDCBADCBADCBADCBACBDDAABCDD連桿BC與從動件曲柄AB共線，壓力角=900，傳動角=0，機(jī)構(gòu)位于兩個死點位置?？枯喌膽T性或手動脫離死點位置。死點位置的功能分合閘機(jī)構(gòu)——搬動手柄使觸頭接上。觸頭FACBD彈簧拉力死點位置的功能ABCD彈簧拉力FFQFB在力的作用下手柄不會自動松脫?！?-3平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計類型：1.實現(xiàn)給定的運動規(guī)律：給定行程速比系數(shù)以實現(xiàn)