平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)-第19講

1、第八章平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章學(xué)習(xí)任務(wù)：平面多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)，平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 驅(qū)動(dòng)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(jì)。 8.1平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí) 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(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，稱之為 連桿。按照兩連架桿運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副 (b) C 3 2 B 圖8-5轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)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(dòng)軌跡是以 D為圓心，以 搖桿長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)，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(wú)窮大，則弧形槽變成直槽， 轉(zhuǎn)動(dòng)副也就轉(zhuǎn)化為移動(dòng)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(dòng)副中心在定參考系中的移動(dòng)方位 線不通過(guò)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(dòng)中心至滑塊上轉(zhuǎn)動(dòng) 副中心的移動(dòng)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(dòng) 副中心移動(dòng)方位線通過(guò)曲柄回轉(zhuǎn)中心，稱為對(duì)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(dòng)副A演變成移動(dòng)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(dòng)副變成移動(dòng)副，得到如圖 ;若將轉(zhuǎn)動(dòng)副 的曲柄移動(dòng)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(dòng)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(gè)移動(dòng)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(dòng)可逆性，即無(wú)論哪一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變。 但選取不同構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)等。 I鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) H含有一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu) 山含有兩個(gè)移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí) 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(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)（如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等），通常是做整周轉(zhuǎn) 動(dòng)的，故要求機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，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(lái)分析曲柄存在條件。 如圖8-8所示，四桿機(jī)構(gòu)各桿的長(zhǎng)度分別為 a、b、c、d。如果轉(zhuǎn)動(dòng)副A為周轉(zhuǎn)副，則AB 桿應(yīng)能繞A正周轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)AB桿與BC桿兩次共線時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)桿的桿長(zhǎng)之和應(yīng)小于或等于其余兩桿的桿長(zhǎng)之和（通常稱此條件為桿 長(zhǎng)和條件）。 上述條件表明：當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿的長(zhǎng)度滿足桿長(zhǎng)和條件時(shí)，其最短桿與相鄰二構(gòu)件分別組 成的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副都是能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)副不是 周轉(zhuǎn)副”即

8、只能是 擺動(dòng)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(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其他兩桿長(zhǎng)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(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架，則無(wú)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(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和大于其他兩桿長(zhǎng)度之和，則不 論選定哪一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，均無(wú)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(shí)，還應(yīng)注意四構(gòu)件組成封閉多 邊形的條件，即最長(zhǎng)桿的桿長(zhǎng)應(yīng)小于其他三桿長(zhǎng)度之和。 對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。 例8-1在圖8-10示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，