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1、第八章平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計 本章學(xué)習(xí)任務(wù):平面多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)知識,平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計方法。 驅(qū)動項(xiàng)目的任務(wù)安排:完善項(xiàng)目中平面機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計。 8.1平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識 8.1.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式 如圖8-1所示,所有運(yùn)動副均為轉(zhuǎn)動副的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),它是平面四桿 機(jī)構(gòu)的基本型式,其他型式的四桿機(jī)構(gòu)都可看成是在它的基礎(chǔ)上演變而成的。在此機(jī)構(gòu)中,構(gòu)件4 為機(jī)架,與機(jī)架相連的構(gòu)件1和3稱為連架桿。在連架桿中,能繞其軸線回轉(zhuǎn)360 者稱為曲柄;僅能繞其軸線往復(fù)擺動的,稱為搖桿。不與機(jī)架相連的構(gòu)件(圖 8-1中構(gòu)件 2)作平面復(fù)雜運(yùn)動,稱之為 連桿。按照兩連架桿運(yùn)動形式的不同,可將
2、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為 三種型式: (1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)兩連架桿中,其一為曲柄,而另一個是搖桿。如圖8-2所示的雷 達(dá)天線機(jī)構(gòu)就是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 圖8-1 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式 圖8-2雷達(dá)天線機(jī)構(gòu) (2) 雙曲柄機(jī)構(gòu) (3) 雙搖桿機(jī)構(gòu) 兩連架桿均為曲柄,如圖 兩連架桿均為搖桿,如圖 8-3所示的慣性篩機(jī)構(gòu)。 8-4所示的汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 圖8-3慣性篩機(jī)構(gòu) 8-4 汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 8.1.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演變 除上述鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)以外,還有其他型式的四桿機(jī)構(gòu),且這些四桿機(jī)構(gòu)可由上述基本型 式演變而成。 1.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副 (b) C 3 2 B 圖8-5轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副 B (e) 在圖8-5(
3、a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中,搖桿3上的點(diǎn)C的運(yùn)動軌跡是以 D為圓心,以 搖桿長Icd為半徑所作的圓弧,若將它改為圖 8-5(b)所示形式,則機(jī)構(gòu)運(yùn)動的特性完全一 樣。實(shí)際上,由于構(gòu)件 3僅在部分環(huán)形槽內(nèi)運(yùn)動,因此若將環(huán)形槽的多余部分除去,則得圖 8-5(c)所示的弧形滑道的連桿機(jī)構(gòu)。若此弧形槽的半徑增至無窮大,則弧形槽變成直槽, 轉(zhuǎn)動副也就轉(zhuǎn)化為移動副,構(gòu)件3也就由搖桿變成了 滑塊,這樣,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就演變成如 圖8-5( d)所示的滑塊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中的滑塊3上的轉(zhuǎn)動副中心在定參考系中的移動方位 線不通過連架桿1的回轉(zhuǎn)中心,稱為 偏置滑塊機(jī)構(gòu)。圖中e為連架桿轉(zhuǎn)動中心至滑塊上轉(zhuǎn)動 副中心的移動方位
4、線的垂直距離,稱之為 偏距;在圖8-5(e)所示的機(jī)構(gòu)中,滑塊上的轉(zhuǎn)動 副中心移動方位線通過曲柄回轉(zhuǎn)中心,稱為對心滑塊機(jī)構(gòu)。 進(jìn)行類似演變,可在滑塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)動副A演變成移動副,得到如圖8-6( a) 所示的雙滑塊機(jī)構(gòu);也可將構(gòu)件2與3之間的轉(zhuǎn)動副變成移動副,得到如圖 ;若將轉(zhuǎn)動副 的曲柄移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(又稱正弦機(jī)構(gòu)) 示的正切機(jī)構(gòu)。 B變成移動副,則可得到圖 8-6( b)所示 8-6( c)所 (a) (b) (c) 圖8-6具有兩個移動副的平面連桿機(jī)構(gòu) 2.取不同構(gòu)件為機(jī)架 低副機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動可逆性,即無論哪一個構(gòu)件為機(jī)架,機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對運(yùn)動不變。 但選取不同構(gòu)件為機(jī)架時,卻可得
5、到不同型式的機(jī)構(gòu)。這種采用不同構(gòu)件為機(jī)架的演變方式稱 為機(jī)構(gòu)的倒置。 圖8-7所示原先為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),進(jìn)行倒置變換, 分別得到雙曲柄機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu);曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)、定 塊機(jī)構(gòu);雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)及擺動導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)等。 I鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) H含有一個移動副的四桿機(jī)構(gòu) 山含有兩個移動副的四桿機(jī)構(gòu) 2 B d i/F B /C / / A 3 M八丿D 4 4 (a)曲柄搖桿機(jī)構(gòu) (a)曲柄滑塊機(jī)構(gòu) (a)曲柄移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) C J 1 -7 C 7 7 i |3 3 A彳4 A V A4 -A zC A *d 4 (b)雙曲柄機(jī)構(gòu) (b
6、)曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) (b)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu) 圖8-7取不同的構(gòu)件為機(jī)架 8.1.3平面連桿機(jī)構(gòu)的共性知識 1平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件 在工程實(shí)際中,用于驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動的原動機(jī)(如電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等),通常是做整周轉(zhuǎn) 動的,故要求機(jī)構(gòu)的主動件能作整周轉(zhuǎn)動,即要求機(jī)構(gòu)中存在曲柄。下面僅以鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為 例來分析曲柄存在條件。 如圖8-8所示,四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度分別為 a、b、c、d。如果轉(zhuǎn)動副A為周轉(zhuǎn)副,則AB 桿應(yīng)能繞A正周轉(zhuǎn)動。當(dāng)AB桿與BC桿兩次共線時,分別得到如圖 8-8( a)所示和如圖8-8 (b)所示的 ADC,由這三角形的邊長關(guān)系可得: (a)( b) 圖8-8平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄條件 a b
7、 c d (8-1) 以及 c b a d a c b d (8-2) d b a c a d b c (8-3) 將上述三式分別兩兩相加, 則得: a b, a c, a d(8-4) 即桿AB應(yīng)為最短桿之一。 分析以上不等式,可以得出平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件為: 1)連架桿與機(jī)架中必有一桿為四桿機(jī)構(gòu)中的最短桿; 2)最短桿與最長桿的桿長之和應(yīng)小于或等于其余兩桿的桿長之和(通常稱此條件為桿 長和條件)。 上述條件表明:當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度滿足桿長和條件時,其最短桿與相鄰二構(gòu)件分別組 成的兩轉(zhuǎn)動副都是能作整周轉(zhuǎn)動的周轉(zhuǎn)副”最短與相鄰二構(gòu)件互為曲柄,而四桿機(jī)構(gòu)的其 他二轉(zhuǎn)動副不是 周轉(zhuǎn)副”即
8、只能是 擺動副”。 在上節(jié)中,曾討論曲柄搖桿機(jī)構(gòu)選取不同構(gòu)件為機(jī)架,可得到不同型式的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),現(xiàn) 根據(jù)上述討論,可更明確地將前節(jié)所得到的結(jié)論敘述如下: 1)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,如果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, 且其一,以最短桿的相鄰構(gòu)件為機(jī)架,則最短桿為曲柄,另一連架桿為搖桿,即該機(jī)構(gòu)為曲柄搖 桿機(jī)構(gòu);其二,以最短桿為機(jī)架,則兩連架桿均為曲柄,該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu);其三,以最短桿 的對邊構(gòu)件為機(jī)架,則無曲柄存在,該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 2在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,如果最短桿與最長桿的長度之和大于其他兩桿長度之和,則不 論選定哪一個構(gòu)件為機(jī)架,均無曲柄存在,該機(jī)構(gòu)只能是雙搖桿機(jī)構(gòu)。 應(yīng)當(dāng)指出的是,在運(yùn)用上述結(jié)論判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型時,還應(yīng)注意四構(gòu)件組成封閉多 邊形的條件,即最長桿的桿長應(yīng)小于其他三桿長度之和。 對于圖8-9(a)中所示的滑塊機(jī)構(gòu),同樣可得到桿AB成為曲柄的條件為: 1)a為最短桿; 2) a e d。 對于圖8-9( b)所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),一樣可得到桿 AB成為曲柄的條件為: (a) 圖8-9其他四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件 1)a為最短桿; 2)a e d。 這種機(jī)構(gòu)稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。如果d為最短桿,且滿足d e a,則成為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。 例8-1在圖8-10示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,
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