機械設計基礎 課件 03平面連桿機構

《機械設計基礎》

課程內(nèi)容第一章機械設計概論第二章平面機構運動簡圖第三章平面連桿機構第四章凸輪機構第五章其他常用機構第六章齒輪機構第七章蝸桿傳動第八章輪系第九章帶傳動與鏈傳動第十章聯(lián)接第十一章軸第十二章軸承第十三章聯(lián)軸器離合器制動器第十四章機械創(chuàng)新設計第三章平面連桿機構第一節(jié)平面連桿機構概述第二節(jié)平面四面機構的基本形式及其演化第三節(jié)平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征【學習目標】通過本章的學習，掌握平面機構的基本類型；特性及其工作原理，掌握用作圖法設計平面四桿機構的原理及方法?！局R點】1.平面四桿機構基本形式2.平面機構的演化形式3.鉸鏈四桿機構存在曲柄的條件4.平面四桿機構的運動特性與傳力特性3-1平面連桿機構概述3-2四面機構的基本形式及其演化3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征一、平面連桿機構定義平面連桿機構是由若干構件通過低副聯(lián)接，且所有構件在相互平行平面內(nèi)運動的機構。平面連桿機構常以其所含的構件（桿）數(shù)來命名。如：由四個構件通過低副連接而成的平面連桿機構，則稱為平面四桿機構。3-1平面連桿機構概述二、平面連桿機構的特點1.運動副為移動副或轉(zhuǎn)動副，承載能力較大，便于潤滑，耐磨損。2.結構較簡單，工作可靠，制造成本低。3.可通過改變桿件的長度改變從動件的運動規(guī)律，實現(xiàn)多種運動形式的改變。4.機構的運動副較多，低副的間隙無法消除，并形成運動誤差積累，影響運動精度。5.因機構運動時產(chǎn)生的動不平衡難以避免，不適于高速運動場合。3-1平面連桿機構概述三、平面連桿機構的應用平面連桿機構常應用于機床、動力機械、工程機械、包裝機械、印刷機械和紡織機械中。如：牛頭刨床中的導桿機構，活塞式發(fā)動機和空氣壓縮機中的曲柄滑塊機構，包裝機中的執(zhí)行機構等。3-1平面連桿機構概述【中國空間站機械臂】——由中國航天科技集團公司第五研究院（簡稱航天科技集團五院）研制，是我國目前智能程度最高、規(guī)模與技術難度最大、系統(tǒng)最復雜的空間智能制造系統(tǒng)，空間站機械臂由核心艙機械臂（大臂）和“問天”實驗艙機械臂（小臂）組成。3-1平面連桿機構概述平面四桿機構可分為鉸鏈四桿機構和滑塊四桿機構。

鉸鏈四桿機構是平面四桿機構的基本形式，滑塊四桿機構是平面四桿機構的演化形式。第二節(jié)

平面四桿機構的基本形式及其演化3-2平面四面機構的基本形式及其演化一、平面四桿機構的基本形式鉸鏈四桿機構：構件間連接都是轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構。4-機架，1、3-連架桿，曲柄-2根據(jù)梁連架桿運動形式的不同，鉸鏈四桿機構共有三種基本型式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。1234ABCD圖3-1鉸鏈四桿機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化1.曲柄搖桿機構若鉸鏈四桿機構的兩個連架桿中一桿為曲柄另一個為搖桿，則稱之為曲柄搖桿機構。雷達天線俯仰角的調(diào)整機構。也可利用連桿的復雜運動實現(xiàn)所需的運動軌跡。攪拌器機構縫紉機踏板機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化砂輪機構曲柄搖桿機構的應用2.雙曲柄機構兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機構稱為雙曲柄機構。慣性篩機構

(a)慣性篩機構平行雙曲柄機構（或平行四邊形機構）：雙曲柄機構中相對的兩構件長度分別相等。

(b）雙曲柄機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化機構的運動特點：兩曲柄的轉(zhuǎn)動方向相同且角速度相等，而連桿做平動。

(b）機車驅(qū)動輪聯(lián)動機構反平行雙曲柄機構或反平行四邊形機構：兩曲柄的轉(zhuǎn)向相反且角速度不等。(c）攝影車座斗機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化運動不確定：在正平行雙曲柄機構中，當各構件共線時，可能出現(xiàn)從動曲柄與主動曲柄轉(zhuǎn)向相反的現(xiàn)象，而成為反平行雙曲柄機構。解決措施：可采用輔助曲柄或錯列機構等措施解決，如：機車聯(lián)動機構中采用三個區(qū)柄的目的就是為了防止其反轉(zhuǎn)。應用：在平行雙曲柄機構中，無論以哪個構件為機架都是雙曲柄機構。但如果選取較短構件為機架，則兩曲柄的轉(zhuǎn)動方向始終相同。反平行雙曲柄機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化a）反平行雙曲柄機構

b）車門啟閉機構3.雙搖桿機構兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構稱為雙搖桿機構。通常情況下，兩搖桿的擺角不等，常用于操縱機構、儀表機構等。具體應用1：輪式車輛的前輪轉(zhuǎn)向機構，該機構兩搖AB、CD桿長度相等，又稱為等腰梯形機構。3-2平面四面機構的基本形式及其演化具體應用2：鶴式起重機，其變幅機構ABCD采用雙搖桿機構。3-2平面四面機構的基本形式及其演化二、四桿機構的演化形式鉸鏈四桿機構在實際的工程應用中，常演化為其他型式的四桿機構：曲柄滑塊機構、導桿機構、搖塊機構和定塊機構等。1.曲柄滑塊機構（1）鉸鏈四桿機構中一個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副曲柄搖桿機構中的轉(zhuǎn)動副演化為移動副。圖3-6曲柄滑塊機構的演變3-2平面四面機構的基本形式及其演化具體應用：曲柄滑塊機構廣泛應用于活塞式內(nèi)燃機、自動送料裝置、沖床等機械。圖3-7曲柄滑塊機構的應用3-2平面四面機構的基本形式及其演化（2）鉸鏈四桿機構中二個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副

對心曲柄滑塊機構→雙滑道機構→正弦機構（直線滑道機構）（a）對心曲柄滑塊機構（b）雙滑塊機構（c）正弦機構圖3-8曲柄滑塊機構演化為正弦機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化

將圖3-9a曲柄滑2.導桿機構塊機構中的機架AC變更為AB，則該機構演化為導桿機構。（b）導桿機構導桿機構包括轉(zhuǎn)動導桿機構和擺動導桿機構兩種形式。導桿：對滑塊起導向作用圖3-9曲柄滑塊機構演化為導桿機構（a）曲柄滑塊機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化2.導桿機構圖3-11導桿機構的應用3-2平面四面機構的基本形式及其演化具體應用：導桿機構的傳力性能較好，常用于插床、牛頭刨床和送料裝置等。3-2平面四面機構的基本形式及其演化3.搖塊機構具體應用：該機構常用于搖擺式氣、液壓驅(qū)動裝置，如：自動貨車翻斗機構。

曲柄滑塊機構

搖塊機構

（b）自卸貨車翻斗機構3-2平面四面機構的基本形式及其演化4.定塊機構

曲柄滑塊機構

定塊機構具體應用：該機構常用于手動抽油機和手搖抽水泵。（b）手搖式抽水泵運動簡圖

（c）手搖式抽水泵3-2平面四面機構的基本形式及其演化第三節(jié)平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特性3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征整轉(zhuǎn)副：機構中能使被連接的兩個構件相對轉(zhuǎn)動360°的轉(zhuǎn)動副稱為整轉(zhuǎn)副。整轉(zhuǎn)副的存在是曲柄存在的必要條件。鉸鏈四桿機構的三種基本形式的區(qū)別：在于機構中有無曲柄和有幾個曲柄。一、鉸鏈四桿機構存在曲柄的條件1.整轉(zhuǎn)副存在的條件——長度條件最長桿長度：L_max，最短桿長度：L_min，其余兩桿的長度：L^'〖L〗^″構件能做整轉(zhuǎn)副的條件為：L_max+L_min≤L^'+L^″。如果L_max+L_min＞L^'+L^″，則機構不存在整轉(zhuǎn)副。3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征2.曲柄存在的條件（1）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和L_max+L_min≤L^'+L^″（2）連架桿好機架中必有一桿為最短桿。在鉸鏈四桿機構中，由以上推理可知：AB為曲柄、BC為連桿、CD為搖桿、AD為機架。圖3-153-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征3.鉸鏈四桿機構基本類型的判別方法（1）當最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和（L_max+L_min≤L^'+L^″）時：①若最短桿的相鄰桿為機架，則機構為曲柄搖桿機構；②若最短桿為機架，則機構為雙曲柄機構；③若最短桿的對邊桿為機架，則機構為雙搖桿機構。（2）當最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和（L_max+L_min>L^'+L^″）時，則無論取何桿為機架，機構均為雙搖桿機構。3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征3.鉸鏈四桿機構基本類型的判別方法解：（1）由于L_max+L_min=50+20<L^'+L^″=30+45，所以最短桿兩端的兩個轉(zhuǎn)動副A、D能整轉(zhuǎn)，而B、C則不能整轉(zhuǎn)。（2）以AB桿或CD桿（最短桿AD的鄰桿）為機架，機構為曲柄搖桿機構；以BC桿（最短桿AD的對邊桿）為機架，機構為雙搖桿機構；以CD桿桿最短桿為機架，機構為雙曲柄機構。例3-1圖例3-1鉸鏈四桿機構ABCD的各桿長度如圖3-15所示（設長度單位為mm）（1）試判斷四個轉(zhuǎn)動副中，哪些能整轉(zhuǎn)？哪些不能整轉(zhuǎn)？（2）說明機構分別以AB、BC、CD、和AD各桿為機架時，屬于哪種機構？3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征

二、平面四桿機構的運動特性1.極位、極位夾角、擺角極位：當曲柄為主動件時，從動件在做往復擺動或往復移動時的兩個極限位置。極位夾角：搖桿存在兩個極限位置時，此兩處曲柄之間所夾的銳角θ最大擺角：導桿對應兩個極位間的夾角

圖3-16曲柄搖桿機構的極位3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征

急回特性：從動件空回行程速度比工作行程速度快。行程速比系數(shù)K：回程平均速度與進程平均速度之比

極位夾角θ的計算公式為

極位夾角θ表示了急回程度的大小，θ越大，K值越大，機構的急回程度越強，極位夾角θ一般取k=1.1~1.3；對于對心曲柄滑塊機構，因θ=0，所以機構無急回特性。3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征2.急回特性1.壓力角和傳動角壓力角α：機構從動件上受力點的速度方向與該作用力方向之間所夾的銳角。作用：判斷機構傳動性能的優(yōu)劣。傳動角γ：壓力角α的余角作用：判斷機構傳力性能的優(yōu)劣3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征三、平面四桿機構的傳力特性在機構運轉(zhuǎn)時，壓力角和傳動角是隨機構的位置而變化的。最小傳動角γmin的選擇：對于一般工作機構，通常取γmin≥40°；對于顎式破碎機、沖床等大功率機械，最小傳動角應當取大一些，可取γmin≥50°；對于小功率的控制機構和儀表，γmin可略小于40°。曲柄搖桿機構的壓力角與傳動角

止點位置（或稱死點位置）：平面連桿機構在壓力角α=90°、傳動角γ＝0°的位置。當機構處于止點位置時，會出現(xiàn)“卡死”或運動不確定（即工作件在該位置可能向反方向轉(zhuǎn)動）的情況。對于具有極位的四桿機構，當主動件做往復運動時，機構具有兩個止點位置。

對于傳動機構而言，存在止點位置是不利的。圖3-18機構止點位置3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征2.止點位置

采取措施：一、利用從動件的慣性順利地通過死點位置，如縫紉機踏板機構中的大帶輪就相當于飛輪，利用慣性通過止點?？p紉機踏板機構3-3平面四桿機構存在曲柄的條件和基本特征

二、采用錯位排列地方式順利地通過止點位置

V型發(fā)動機多個活塞連桿機構止點位置相互錯開，可使曲軸順利通過止點位置，保證