平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

第8章平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)8-1連桿機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)特點(diǎn)8-2平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用8-3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)8-4平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)8-5多桿機(jī)構(gòu)8-1連桿機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)特點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛連桿機(jī)構(gòu):若干構(gòu)件用低副連接成的機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：⑴機(jī)構(gòu)中所有運(yùn)動(dòng)副都是低副，又稱為低副機(jī)構(gòu)。其運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤(rùn)滑好、磨損小，加工制造容易；⑵易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)的平面運(yùn)動(dòng)基本型式及其轉(zhuǎn)換，在原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的條件下，可使從動(dòng)件獲得不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。⑶在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上各點(diǎn)的軌跡是不同形狀的曲線（稱為連桿曲線），連桿曲線的形狀多樣可用于滿足一些特定工作的需要。連桿機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)：⑴傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，易產(chǎn)生較大的誤差累積，同時(shí)也使機(jī)械效率降低。⑵連桿及滑塊所產(chǎn)生的慣性力難以用一般平衡方法加以消除，因而連桿機(jī)構(gòu)不宜用于高速機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)可分平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu),一般機(jī)械中應(yīng)用較多的是平面連桿機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)即指所有構(gòu)件在同一平面或相互平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件多呈桿狀，故常稱其構(gòu)件為桿。根據(jù)機(jī)構(gòu)所含桿的數(shù)目分為四桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)等。其中四桿機(jī)構(gòu)是連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。8-2平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用1、四桿機(jī)構(gòu)的基本型式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式即四個(gè)構(gòu)件用四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接成的平面機(jī)構(gòu)ABCDAD為機(jī)架AB、CD稱為連架桿BC為連桿連架桿中能繞機(jī)架整周回轉(zhuǎn)的稱為曲柄，只能在一定范圍內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)的稱為搖桿。⑴曲柄搖桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿，一個(gè)是曲柄，另一個(gè)是搖桿。若以曲柄為原動(dòng)件,可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)。若以搖桿為原動(dòng)件,可將搖桿的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。⑵雙曲柄機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中兩個(gè)連架桿都是曲柄。機(jī)構(gòu)中當(dāng)主動(dòng)曲柄AB作等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄CD作變角速轉(zhuǎn)動(dòng)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)兩桿平行且長(zhǎng)度相等，則稱為平行四邊形機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是曲柄以相同速度通向轉(zhuǎn)動(dòng)；連桿作平動(dòng)。若兩相對(duì)桿的長(zhǎng)度相等但不平行，稱為逆平行四邊形機(jī)構(gòu)。逆平行四邊形機(jī)構(gòu)當(dāng)以長(zhǎng)邊為機(jī)架時(shí)，兩曲柄沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)以短邊為機(jī)架時(shí)，其性能與一般雙曲柄機(jī)構(gòu)相似。正平行四邊形機(jī)構(gòu)當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，機(jī)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)不確定位置。使機(jī)構(gòu)越過(guò)運(yùn)動(dòng)不確定位置可利用從動(dòng)件的慣性、利用輔助連桿或輔助曲柄。⑶雙搖桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿都是搖桿。在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，若兩搖桿長(zhǎng)度相等并最短,則構(gòu)成等腰梯形機(jī)構(gòu)。2、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化曲柄搖桿機(jī)構(gòu)選取不同構(gòu)件為機(jī)架分別演化得到鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的不同類型。⑴改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)副的尺寸ABCDββ滑塊與機(jī)架以移動(dòng)副相連構(gòu)成的單滑塊四桿機(jī)構(gòu)成為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。根據(jù)滑塊的移動(dòng)導(dǎo)路中線是否通過(guò)曲柄的固定鉸鏈中心可分對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。e進(jìn)一步可演化為如圖所示的雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)。⑵改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副B擴(kuò)大移動(dòng)副D⑶選用不同構(gòu)件為機(jī)架ABCABC取AB敢為機(jī)架ABCABC取BC桿為機(jī)架取滑塊為機(jī)架

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)滑塊處于連桿的位置

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)滑塊與機(jī)架以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連直動(dòng)滑桿（定塊）機(jī)構(gòu)滑塊本身為機(jī)架ABC圖示導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，機(jī)架AB是機(jī)構(gòu)中的最短桿，工作時(shí)BC桿和導(dǎo)桿AC均能繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)到桿機(jī)構(gòu)。若BC桿最短，工作時(shí)BC桿能繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，而導(dǎo)桿AC只能作來(lái)回?fù)u擺運(yùn)動(dòng)，稱擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu).ABC⑷運(yùn)動(dòng)副元素的逆轉(zhuǎn)對(duì)于移動(dòng)副來(lái)說(shuō)，將移動(dòng)副兩元素的包容關(guān)系進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，并不影響兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。8-3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)1、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的前提是其運(yùn)動(dòng)副中必有周轉(zhuǎn)副存在。設(shè)AB為曲柄，則在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中能夠越過(guò)圖示曲柄與機(jī)架共線的兩個(gè)位置。根據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊（極限時(shí)趨近于等于）b+c≥a+dd-a+b≥cd-a+c≥db+c≥a+dd+b≥a+cd+c≥a+d兩兩相加b≥ac≥ad≥a轉(zhuǎn)動(dòng)副A為周轉(zhuǎn)副的條件是：⑴最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于等于其余兩桿的長(zhǎng)度之和；lmin+lmax≤l'+l〃⑵組成周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿。當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)滿足長(zhǎng)度和條件時(shí)，有最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是周轉(zhuǎn)副，其余的轉(zhuǎn)動(dòng)副是擺動(dòng)副。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件⑴滿足lmin+lmax≤l'+l〃⑵最短桿是連架桿或機(jī)架。若兩對(duì)邊構(gòu)件長(zhǎng)度分別相等Y平行雙曲柄機(jī)構(gòu)Nlmin+lmax≤l'+l〃N雙搖桿機(jī)構(gòu)Y最短桿為機(jī)架Y雙曲柄機(jī)構(gòu)最短桿的鄰邊構(gòu)件為機(jī)架曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最短桿是曲柄NY最短桿的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架NN雙搖桿機(jī)構(gòu)判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的方法和步驟推論：桿長(zhǎng)不等的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，以最短桿的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架是雙搖桿機(jī)構(gòu)。例：判斷圖示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型。解：圖示機(jī)構(gòu)lmin=80、lmax=150lmin+lmax=80+150=230l'+l"=120+100=220lmin+lmax>l'+l"機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)解：圖示機(jī)構(gòu)以最短桿的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架。機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)例：圖示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，已知BC、CD、AD構(gòu)件長(zhǎng)度如圖所示.欲使該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，試確定AB桿的取值范圍。解：機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，則機(jī)架AD是最短桿的相鄰構(gòu)件。⑴AB桿為機(jī)構(gòu)中的最短桿lAB+150≤120+100lAB+lAD≤lBC+lCDlAB≤700<lAB≤70⑵CD桿是機(jī)構(gòu)中的最短桿①AD是最長(zhǎng)桿lCD+lAD≤lBC+lAB100+150≤120+lABlAB≥130150>lAB≥130②AB桿最長(zhǎng)lCD+lAB≤lBC+lAD100+lAB≤120+150lAB≤170150≤lAB≤170綜上所述，AB桿的取值范圍為AB∈(0,70]、AB∈[130,170]2、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)和行程速度變化系數(shù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以曲柄為原動(dòng)件，當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，從動(dòng)搖桿處于兩極限位置，稱極位。AB、BC共線時(shí)：AC1=BC-ABAC2=AB+BCABCDC1C2B1B2θ機(jī)構(gòu)在兩個(gè)極位時(shí)，原動(dòng)曲柄兩個(gè)位置之間所夾的銳角θ稱為機(jī)構(gòu)的極位夾角。設(shè)曲柄以等角速ω1順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)。AB1→AB2AB2→AB1α1=180°+θα2=180°-θφt1=α1/ω1t2=α2/ω1v1=C1C2/t1(v2=C1C2/t2(v1<v2α1>α2t1>t2α1α2平面四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件空回行程的平均速度大于工作行程平均速度的特性稱為四桿機(jī)構(gòu)的急回特性。結(jié)論：四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)急回運(yùn)動(dòng)取決于有無(wú)極位夾角，只要存在極位夾角θ>0°,機(jī)構(gòu)就有急回運(yùn)動(dòng)，且θ角越大，行程速度變化系數(shù)k越大，機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)特性越顯著。用行程速度變化系數(shù)來(lái)表征機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)的急回程度。急回機(jī)構(gòu)的急回方向與原動(dòng)件的回轉(zhuǎn)方向有關(guān)，在有急回要求的設(shè)備上應(yīng)明顯標(biāo)出原動(dòng)件的正確回轉(zhuǎn)方向。對(duì)于有急回運(yùn)動(dòng)要求的機(jī)械在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先確定行程速度變化系數(shù)k，求出θ角后，在涉及各桿的尺寸。ABCHB1C1B2C2θ曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以曲柄為原動(dòng)件，當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，從動(dòng)滑塊處于兩極限位置。偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處于兩極位時(shí)，機(jī)構(gòu)的極位夾角θ>0°，機(jī)構(gòu)有急回運(yùn)動(dòng)。而滑塊兩極限位置間的距離稱為其行程H。思考題：對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以曲柄為原動(dòng)件，機(jī)構(gòu)有急回運(yùn)動(dòng)嗎？其從動(dòng)滑塊的行程為多少？對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于極位夾角θ=0°，故機(jī)構(gòu)沒(méi)有急回運(yùn)動(dòng)。而滑塊的行程H=2lAB擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)以曲柄為原動(dòng)件，當(dāng)曲柄與從動(dòng)導(dǎo)桿垂直時(shí)，機(jī)構(gòu)處于兩個(gè)極限位置。ABCC1C2θθ>0°,有急回運(yùn)動(dòng)。φ擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)恒有：θ≡φ雙曲柄機(jī)構(gòu)由于從動(dòng)曲柄不存在極限位置，因此沒(méi)有急回運(yùn)動(dòng)。一般雙曲柄機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)曲柄等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從動(dòng)曲柄作周期性變角速轉(zhuǎn)動(dòng)，其從動(dòng)曲柄角速度逐漸增大區(qū)間與逐漸減小區(qū)間的平均角速度之比也可稱為行程速度變化系數(shù)。3、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和死點(diǎn)⑴壓力角和傳動(dòng)角ABCDF若不考慮各運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力及各構(gòu)件的自重、慣性力的影響，則連桿為二力桿。vα原動(dòng)件通過(guò)連桿作用在從動(dòng)件上的力的方向，與從動(dòng)件受力點(diǎn)速度方向之間所加的銳角稱機(jī)構(gòu)的壓力角α。壓力角的余角稱傳動(dòng)角γ。

γ+α=90°γABCDFvαγFtFnFt=Fcosα

Fn=Fsinα壓力角越小，傳動(dòng)角越大，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，壓力角、傳動(dòng)角是變化的.為保證機(jī)構(gòu)傳力性能良好，應(yīng)使

γmin≥40°~50°受力很小或不常使用的操縱機(jī)構(gòu)允許較小傳動(dòng)角ABCDFvγ注意：當(dāng)BC、CD的夾角為銳角時(shí)，γ=∠BCD當(dāng)BC、CD的夾角為鈍角時(shí)，γ