第4章平面連桿機構(gòu)

06二月20231第2篇常用機構(gòu)第4章平面連桿機構(gòu)4.1鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化4.2平面連桿機構(gòu)的基本特性4.3平面四桿機構(gòu)的設(shè)計06二月20232基本要求:1）鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化形式。2）鉸鏈四桿機構(gòu)基本參數(shù)及運動特性。3）掌握鉸鏈四桿機構(gòu)基本形式的判斷。重點：1）鉸鏈四桿機構(gòu)的運動特性。2）鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件。3）鉸鏈四桿機構(gòu)基本形式的判斷。

難點：1)鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件。2)

平面四桿機構(gòu)的設(shè)計。06二月20233概述

構(gòu)件之間只有低副連接的機構(gòu)稱為平面連桿機構(gòu)。

最常見的平面連桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)。由四個構(gòu)件通過低副連接而成的平面連桿機構(gòu)稱為平面四桿機構(gòu)。應(yīng)用1,應(yīng)用2,應(yīng)用3

所有低副均為轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu),它是平面四桿機構(gòu)中最基本的形式,其他形式的四桿機構(gòu)都是在它的基礎(chǔ)上演化而成的。例如含有一個或兩個移動副稱滑塊四桿機構(gòu)。

連桿機構(gòu)中的構(gòu)件稱為桿。06二月20234(1)平面連桿機構(gòu)中的運動副都是低副,構(gòu)件接觸面為平面或圓柱面,因而壓強小,便于潤滑,磨損較輕,可以承受較大的載荷；

(2)構(gòu)件形狀簡單,加工方便,容易獲得較高的制造精度；

(3)構(gòu)件之間的接觸是由構(gòu)件本身的幾何約束來保持的,工作可靠性好；

(4)利用平面連桿機構(gòu)中的連桿可滿足多種運動軌跡的要求,適應(yīng)性強。平面連桿機構(gòu)的主要優(yōu)點06二月20235平面連桿機構(gòu)的主要缺點(1)低副中有間隙存在,引起機構(gòu)的運動誤差；

(2)連桿機構(gòu)運動時產(chǎn)生的慣性力難以平衡,不適宜高速的場合。

(3)設(shè)計復(fù)雜，只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律。

由于連桿機構(gòu)具有以上特點,因此它廣泛用于各種機械、儀表中。06二月202364.1鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化機架：固定件。連架桿：與機架用轉(zhuǎn)動副相連的桿件?！ㄝS轉(zhuǎn)動連桿：不與機架直接連接的桿件。周轉(zhuǎn)副：二構(gòu)件相對運動為整周轉(zhuǎn)動。擺動副：二構(gòu)件相對運動不為整周轉(zhuǎn)動?；靖拍钋鹤髡苻D(zhuǎn)動的連架桿。搖桿：非整周轉(zhuǎn)動的連架桿?！矫孢\動06二月202374.1.1鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型

根據(jù)連架桿運動形式的不同,鉸鏈四桿機構(gòu)分為三種基本形式:曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。

在鉸鏈四桿機構(gòu)的兩個連架桿中,一個為曲柄,另一個為搖桿,則此四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。1.曲柄搖桿機構(gòu)

運動特點:當(dāng)曲柄為主動件做等速轉(zhuǎn)動時,搖桿為從動件做變速往復(fù)擺動。06二月20238攪拌機構(gòu)衛(wèi)星天線縫紉機

曲柄搖桿機構(gòu)的主要用途是改變運動形式?；剞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動：衛(wèi)星天線調(diào)整機構(gòu)；也可將擺動轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動或?qū)崿F(xiàn)所需的運動軌跡：腳踏縫紉機和攪拌器攪拌機構(gòu)。刮雨器06二月202392.雙曲柄機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)中的兩個連架桿均為曲柄時,稱為雙曲柄機構(gòu)。A14B2CD3

其運動特點是:當(dāng)主動曲柄做勻速轉(zhuǎn)動時,從動曲柄做周期性的變速轉(zhuǎn)動。

慣性篩：當(dāng)曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時,另一曲柄CD變速回轉(zhuǎn),通過桿CE帶動滑塊E上的篩子,使其具有所需的加速度。利用加速度產(chǎn)生的慣性力使物料顆粒在篩上往復(fù)運動,達(dá)到分篩的目的。06二月202310

在雙曲柄機構(gòu)中,若相對的兩桿長度分別相等,則稱為平行雙曲柄機構(gòu)。

當(dāng)兩曲柄轉(zhuǎn)向相同時,它們的角速度時時相等,連桿也始終與機架平行,四根桿形成一平行四邊形,故又稱平行四邊形機構(gòu)。B1A24C3D天平06二月202311

反平行四邊形機構(gòu)：機架AD與連桿BC不平行，曲柄反轉(zhuǎn)。

應(yīng)用于車門啟閉機構(gòu)：車門1、2同時啟閉。機車車輪--平行四邊形機構(gòu)06二月2023123.雙搖桿機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)中,兩連架桿均為搖桿的四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。

圖示的鶴式起重機便是雙搖桿機構(gòu)的應(yīng)用實例：主動搖桿AB帶動從動搖桿CD，使M點水平移動。A1B234CD

雙搖桿機構(gòu)中的兩搖桿可分別作主動件。該機構(gòu)能實現(xiàn)不同的往復(fù)擺動之間的轉(zhuǎn)換。06二月202313

飛機起落架收放機構(gòu)也為雙搖桿機構(gòu)：飛機起飛后，需將輪5收起；飛機著陸前，要把輪5放下。這些動作是由主動搖桿1通過連桿2、從動搖桿3帶動著陸輪5予以實現(xiàn)的。A4B3251DC06二月2023144.鉸鏈四桿機構(gòu)具有曲柄的條件由△AC2D有：a+b≤c+d(1)

若1和4能繞A整周相對轉(zhuǎn)動，則存在兩個共線位置。根據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊的幾何定理，有由△AC1D有：(b-a)+d≥c即a+c≤b+d(2)(b-a)+c≥d即a+d≤b+c(3)(1)+(2)得2a+b+c≤2d+b+c即a≤d(1)+(3)得2a+b+d≤2c+b+d即a≤c(2)+(3)得2a+d+c≤2b+d+c即a≤b(1)最短桿具有兩個周轉(zhuǎn)副條件06二月202315

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—桿長之和條件。結(jié)論:鉸鏈四桿機構(gòu)最短桿具有兩個周轉(zhuǎn)副條件為

（2）鉸鏈四桿機構(gòu)具有曲柄的條件06二月202316鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本形式的具體判別06二月202317

對鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本形式的具體判別，除了桿長之和條件外，還與固定不同桿作機架有關(guān)，可根據(jù)以上綜合歸納為：(1)當(dāng)最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其他兩桿的長度之和時，最短桿具有兩個周轉(zhuǎn)副。abcdABCD①最短桿相鄰桿為機架時，是曲柄搖桿機構(gòu)；06二月202318③最短桿的對面桿為機架時，是雙搖桿機構(gòu)(2)當(dāng)最短桿與最長桿的長度之和大于其他兩桿的長度之和時，只能是雙搖桿機構(gòu)。②最短桿為機架時，是雙曲柄機構(gòu)；06二月202319鉸鏈四桿機構(gòu)的主要基本形式06二月202320例4-1

圖示鉸鏈四桿機構(gòu)中，已知：a＝50，b＝100，d＝150。試問CD桿長度c取何值以及如何固定機架，可以獲得曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)？abcdABCD解：

(1)設(shè)c為為最短桿，根據(jù)桿長之和的條件則有c+150≤50+100

解得c≤0不可能。(2)a為為最短桿，滿足桿長之和的條件:c+50≤150+100

解得150≤c≤200②設(shè)d為為最長桿，則有150+50≤c+100

解得100≤c≤150①設(shè)c為為最長桿，則有06二月202321綜合，即得c的取值范圍為 100≤c≤200a為為最短桿，滿足桿長之和的條件。abcdABCD固定b或d—曲柄搖桿機構(gòu)；固定a—雙曲柄機構(gòu)；固定c—雙搖桿機構(gòu)。（3）a為為最短桿，不滿足桿長之和的條件：當(dāng)c的取值范圍為

c

＜100或c＞200只能是雙搖桿機構(gòu)。06二月2023224.1.2.鉸鏈四桿機構(gòu)的演化

1．變更構(gòu)件長度——曲柄滑塊機構(gòu)

若CD增至無窮大，曲柄搖桿機構(gòu)會演變?yōu)槭裁礃樱?/p>

改變鉸鏈四桿機構(gòu)中某些運動副的形式、改變構(gòu)件的形狀和相對尺寸或改變機架位置等幾方面以后派生出其他形式的轉(zhuǎn)化機構(gòu)。06二月202323搖桿演化為直線運動的滑塊，機構(gòu)演化為曲柄滑塊機構(gòu)

應(yīng)用：曲柄滑塊機構(gòu)用途很廣,主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運動的場合。如沖壓機構(gòu)、內(nèi)燃機和壓縮機等。ABgC沖壓機構(gòu)06二月202324單滑塊四桿機構(gòu)具有周轉(zhuǎn)副的條件

圖(a)所示為一偏置曲柄滑塊機構(gòu)（e≠0）。如果構(gòu)件1為最短桿，具有周轉(zhuǎn)副的條件是l1+e≤l2如果構(gòu)件2為最短桿，具有周轉(zhuǎn)副的條件是

當(dāng)e=0時，如圖(b)所示，對心滑塊四桿機構(gòu)，上兩式也適用。單滑塊四桿機構(gòu)最短桿上具有兩個周轉(zhuǎn)副。l2+e≤l106二月2023252．變更機架——導(dǎo)桿機構(gòu)

如在圖a所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，分別以不同的構(gòu)件作為機架演化而成各種不同的導(dǎo)桿機構(gòu)。

1）轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)

當(dāng)以構(gòu)件1（曲柄）為機架，則得轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)（圖b），此時構(gòu)件2和構(gòu)件4都能作整周旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用：簡易刨床的主運動機構(gòu)06二月2023262）曲柄搖塊機構(gòu)

當(dāng)以構(gòu)件2為機架時，則得曲柄搖塊機構(gòu)或稱扣頭機構(gòu)(圖c)。例汽車自動卸料機構(gòu)06二月2023273）移動導(dǎo)桿機構(gòu)（定塊機構(gòu)）

當(dāng)以構(gòu)件3為機架(圖d)，則得移動導(dǎo)桿機構(gòu)或稱定塊機構(gòu)。手動壓水機構(gòu)06二月2023284）擺動導(dǎo)桿機構(gòu)

當(dāng)以構(gòu)件1為機架，且l1＞l2，則得的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。

擺動導(dǎo)桿機構(gòu)應(yīng)用：牛頭刨床的主運動機構(gòu)06二月2023293．?dāng)U大轉(zhuǎn)動副——偏心輪機構(gòu)

偏心輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于剪床、沖床、顎式破碎機、內(nèi)燃機等機械中。12C3AeB1406二月2023304．平面多桿機構(gòu)

將多個平面四桿機構(gòu)組合在一起，形成平面多桿機構(gòu)。如圖所示的慣性篩機構(gòu)。

06二月202331四桿機構(gòu)的幾種形式06二月202332四桿機構(gòu)的幾種形式(續(xù))06二月2023334.2平面連桿機構(gòu)的基本特性8.2.1急回特牲

圖（a）所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)曲柄為原動件，以等角速度逆時針轉(zhuǎn)動，曲桿轉(zhuǎn)一周，搖桿CD往復(fù)擺動一次。曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中，有兩次與連桿BC共線，使從動件CD相應(yīng)地處于兩個極限位置C1D和C2D。從動件搖桿在兩個極限位置的夾角稱為擺角ψ，此時原動件曲柄AB相應(yīng)的兩個位置之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。06二月202334

當(dāng)曲柄AB由AB1位置轉(zhuǎn)過φ1角至AB2位置時，搖桿CD自C1D擺至C2D，設(shè)其所需時間為t1，則點C的平均速度即為v1=C1C2/t1

，當(dāng)曲柄由AB2位置繼續(xù)轉(zhuǎn)過φ2至AB1位置時，搖桿自C2D擺回至C1D，設(shè)其所需時間為t2，則點C的平均速度即為v2=C1C2/t2。由于φ1=180°+θ,φ2=180°-θ，φ1＞φ2，可知t1＞t2，則v1

＜v2。((這種特性稱為機構(gòu)的急回特性。06二月202335

在機構(gòu)設(shè)計中，通常根據(jù)工作要求預(yù)先選定行程速比系數(shù)k，再由下式確定機構(gòu)的極位夾角θ。曲柄搖桿機構(gòu)有急回特性的條件是：極位夾角不等于零。

06二月202336

為了縮短非工作時間，提高勞動生產(chǎn)率，許多機械要求有急回特性。設(shè)計時可按其對急回特性要求的不同程度確定K值，并求出，然后根據(jù)值確定各構(gòu)件的尺寸，實例。

06二月2023374.2.2傳力特性1.壓力角和傳動角

圖示的曲柄搖桿機構(gòu)中,如不考慮構(gòu)件的重力、摩擦力和慣性力等,則連桿BC為二力桿,曲柄驅(qū)動力通過BC桿作用于搖桿CD上C點的力

F是沿BC方向的,F可分解成兩個分力Ft和Fn：

在生產(chǎn)實際中,不僅要求連桿機構(gòu)能實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律,而且希望傳力性能良好(運動輕便、效率較高)。因此需要研究和認(rèn)識機構(gòu)的傳力特性。

顯然，當(dāng)α愈大時，徑向壓力Fn愈大，而切向作用力Ft愈小，當(dāng)α=90°時，切向作用力Ft=0，從動件CD所得到的驅(qū)動力矩將為零。式中Ft是使從動件轉(zhuǎn)動的有效分力；而Fn是有害分力。06二月202338

不計摩擦?xí)r的力F與著力點的速度vC方向之間所夾的銳角為α，稱為壓力角。

常用壓力角α的余角γ來判斷連桿機構(gòu)的傳力性能，γ角稱為傳動角。α越小，γ越大，則F的有效分力Fcosα亦越大，機構(gòu)傳力性能越好；反之，α越大，γ越小，機構(gòu)傳力越困難。因此，傳動角r的理想值應(yīng)保持在接近最大值90°附近。為了保證機構(gòu)傳動性能良好，設(shè)計時通常應(yīng)使最小傳動角γmin≥40°，傳遞大功率時，γmin≥50°。06二月2023392.死點位置

當(dāng)機構(gòu)的連桿與從動桿成延長一直線或重疊一直線時，從動件上的傳動γ=0°（或壓力角α=90°），推動力對從動件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這樣的位置稱為機構(gòu)的死點位置。

如果從動件是作整周轉(zhuǎn)動的曲柄，則在它的每一個整周轉(zhuǎn)動中將出現(xiàn)兩個死點位置。從動件AB06二月202340

對于傳動機構(gòu)，為了保證其正常運轉(zhuǎn)，設(shè)計時必須考慮機構(gòu)順利通過死點的問題。通?？刹捎冒惭b飛輪加大慣性或機構(gòu)錯位排列的方法。06二月202341

工程上有時也利用機構(gòu)的死點位置來滿足某些工作要求。如圖所示的夾具機構(gòu)。當(dāng)去掉力F后，構(gòu)件AB在工件反力的作用下，無論工件反力有多大，夾具都不會自行松脫。

飛機起落架,當(dāng)機輪著陸時,搖桿(從動件)和連桿共線,機構(gòu)處于死點位置,即使輪子上受到很大的力,構(gòu)件BC也不會使CD桿轉(zhuǎn)動(起落架不會折回),使飛機著陸可靠。ABCDF06二月2023424.3平面四桿機構(gòu)的設(shè)計

平面連桿機構(gòu)的設(shè)計主要是根據(jù)給定的運動條件選機構(gòu)的形式,確定各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題歸納為兩類:(1)按照給定的運動規(guī)律(位置、速度、加速度)設(shè)計四桿機構(gòu)；

(2)按照給定的點的運動軌跡設(shè)計四桿機構(gòu)。對于上述兩類基本問題的設(shè)計方法有圖解法、實驗法和解析法。圖解法直觀,實驗法簡便,解析法精確。重點介紹圖解法。06二月2023434.3.1按給定連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)

圖示鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD，其連桿BC能實現(xiàn)預(yù)定的三個位置B1C1、B2C2、B3C3。因為活動鉸鏈B是繞A作圓周運動，故A在B1、B2、B3兩兩連線中垂線交點處。只要利用這些中垂線求出鉸鏈A的位置，則連架桿AB就可以確定了。同理可確定鉸鏈D及桿CD和AD的長度。這時有惟一解。06二月20234443.2按照給定的行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)

設(shè)已知搖桿CD的長度lCD，擺角ψ，行程速比系數(shù)k。試設(shè)計該機構(gòu)。（

分析：假設(shè)該機構(gòu)已經(jīng)設(shè)計出來了，如圖(a)所示。當(dāng)搖桿處于兩極限位置時，曲柄和連桿兩次共線，∠C1AC2即為極位夾角θ。若過點C1、C2以及曲柄回轉(zhuǎn)中心A作一個輔助圓K，則該圓上的弦C1C2所對的圓周角為θ。所以圓弧C1AC2上的任意點均可作為曲柄的回轉(zhuǎn)中心。C1C2B1B206二月202345

設(shè)計如下：

(1)由公式θ=180°(k-1)／(k+1)算出極位夾角θ；

(2)任選一點D，并按搖桿CD的長度lCD和擺角ψ畫出搖桿的兩個極限位置DC1和DC2。

(3)連C1、C2，作∠C1C2N=90°-θ；作C1M⊥C1C2，得C2N與C1M之交點P。以C2P為直徑作圓，則圓弧C1PC2上任一