機械設(shè)計平面連桿機構(gòu)

1、14第二章平面連桿機構(gòu)案例導(dǎo)入：通過雷達(dá)天線、汽車雨刮器、攪拌機等實際應(yīng)用的機構(gòu)分析引入四桿機構(gòu)的概念，介 紹四桿機構(gòu)的組成、基本形式和工作特性。第一節(jié)鉸鏈四桿機構(gòu)一、鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式1.鉸鏈四桿機構(gòu)的組成如圖1-14所示，鉸鏈四桿機構(gòu)是由轉(zhuǎn)動副將各構(gòu)件的頭尾聯(lián)接起的封閉四桿系統(tǒng)，并使其中一個構(gòu)件固定而組成。被固定件4稱為機架，與機架直接鉸接的兩個構(gòu)件1和3稱為連架桿，不直接與機架鉸接的構(gòu)件2稱為連桿。連架桿如果能作整圈運動就稱為曲柄，否則就稱為搖桿。2.鉸鏈四桿機構(gòu)的類型鉸鏈四桿機構(gòu)根據(jù)其兩個連架桿的運動形式的不同，可以分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種基本形式。(1)

2、曲柄搖桿機構(gòu)。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果有一個連架桿做循環(huán)的整周運動而另一連架桿作搖動，則該機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。如圖2-1所示曲柄搖桿機構(gòu)，是雷達(dá)天線調(diào)整機構(gòu)的原理圖，機構(gòu)由構(gòu)件AB、BC、固連有天線的CD及機架DA組成，構(gòu)件AB可作整圈的轉(zhuǎn)動，成曲柄；天線3作為機構(gòu)的另一連 架桿可作一定范圍的擺動，成搖桿；隨著曲柄的緩緩轉(zhuǎn)動， 天線仰角得到改變。 如圖2-2所示汽車刮雨器，隨著電動機帶著曲柄AB轉(zhuǎn)動，刮雨膠與搖桿CD一起擺動，完成刮 雨功能。如圖2-3所示攪拌器，隨電動機 帶曲柄AB轉(zhuǎn)動，攪拌爪與連桿一起作往 復(fù)的擺動，爪端點E作軌跡為橢圓的運動，實現(xiàn)攪拌功能。(2)雙曲柄機構(gòu)。在鉸鏈四桿機構(gòu)

3、中，15兩個連架桿均能做整周的運動，則該機構(gòu) 稱為雙曲柄機構(gòu)。如圖2-4所示慣性篩的圖 2-4 慣性篩工作機構(gòu)16工作機構(gòu)原理，是雙曲柄機構(gòu)的應(yīng)用實例。由于從動曲柄3與主動曲柄1的長度不同，故當(dāng)主動曲柄1勻速回轉(zhuǎn)一周時，從動曲柄3作變速回轉(zhuǎn)一周，機構(gòu)利用這一特點使篩子6作加速往復(fù)運動， 提高了工作性能。 當(dāng)兩曲柄的長度相等且平行布置時， 成了平行 雙曲柄機構(gòu)， 如圖2-5a)所示為正平行雙曲柄機構(gòu)，其特點是兩曲柄轉(zhuǎn)向相同和轉(zhuǎn)速相 等及連桿作平動，因而應(yīng)用廣泛?；疖囼?qū)動輪聯(lián)動機構(gòu)利用了同向等速的特點；路燈檢 修車的載人升斗利用了平動的特點，如圖2-6a、b)所示。如圖2-5b)為逆平行雙曲柄機構(gòu)

4、，具有兩曲柄反向不等速的特點，車門的啟閉機構(gòu)利用了兩曲柄反向轉(zhuǎn)動的特點，如圖2-6c)所示。(3)雙搖桿機構(gòu)。兩根連架桿均只能在不足一周的 范圍內(nèi)運動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。如圖2-7所示為港口用起重機吊臂結(jié)構(gòu)原理。其中，ABCD構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)，AD為機架，在主動搖桿AB的驅(qū)動 下，隨著機構(gòu)的運動連桿BC的外伸端點M獲得近似 直線的水平運動，使吊重Q能作水平移動而大大節(jié)省 了移動吊重所需要的功率。圖2-8所示為電風(fēng)扇搖頭機構(gòu)原理，電動機外殼作為其中的一根搖桿AB，蝸輪作為連桿BC,構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)ABCD。蝸桿隨扇 葉同軸轉(zhuǎn)動，帶動BC作為主動件繞C點擺動，使搖b)圖 2-5 平行雙曲柄機

5、構(gòu)圖 2-6平行雙曲柄機構(gòu)的應(yīng)用17桿AB帶電動機及扇葉一起擺動，實現(xiàn)一臺電動機同時驅(qū)動扇葉和搖頭機構(gòu)。圖2-9所示的汽車偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用了等腰梯形雙搖桿機構(gòu)。該機構(gòu)的兩根搖桿AB、CD是等長的， 適當(dāng)選擇兩搖桿的長度， 可以使汽車在轉(zhuǎn)彎時兩轉(zhuǎn)向輪軸線近似相交于其它兩 輪軸線延長線某點P,汽車整車?yán)@瞬時中心P點轉(zhuǎn)動，獲得各輪子相對于地面作近似的純滾動，以減少轉(zhuǎn)彎時輪胎的磨損。二、鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件1.鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件鉸鏈四桿機構(gòu)的三種基本類型的區(qū)別在于機構(gòu)中是否存在曲柄，存在幾個曲柄。機構(gòu)中是否存在曲柄與各構(gòu)件相對尺寸的大小以及哪個構(gòu)件作機架有關(guān)?？梢宰C明，鉸鏈 四桿

6、機構(gòu)中存在曲柄的條件為：條件一：最短桿與最長桿長度之和不大于其余兩桿長度之和。條件二：連架桿或機架中最少有一根是最短桿。2.鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的判別準(zhǔn)則(1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機構(gòu)；(2)滿足條件一而且以最短桿作機架的是雙曲柄機構(gòu)；(3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機構(gòu)；(4)不滿足條件一是雙搖桿機構(gòu)?！緦嵱?xùn)例2-1】鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD如圖2-10所示。 請根據(jù)基本類型判別準(zhǔn)則，說明機構(gòu)分別以AB、BC、CD、AD各桿為機架時屬于何種機構(gòu)。解：經(jīng)測量得各桿長度標(biāo)于圖2-10，分析題目給出鉸鏈四桿機構(gòu)知，最短桿為AD =20,最長桿為CD - 55，其余兩桿AB

7、- 30、BC - 50。因為AD+CD - 20+55 - 75AB+BC 30+50 80Lmin+Lmax故滿足曲柄存在的第一個條件。BVA1)以AB或CD為機架時，即最短桿AD成連架桿，故30為曲柄搖桿機構(gòu)；V2OJ2)以BC為機架時，即最短桿成連桿，故機構(gòu)為雙搖桿Ab圖 2-1018圖 2-12 曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用機構(gòu)；3）以AD為機架時，即以最短桿為機架，機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)。第二節(jié) 平面四桿機構(gòu)的其它形式一、曲柄滑塊機構(gòu)在圖2-11a）所示的鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD中，如果要求C點運動軌跡的曲率半徑較 大甚至是C點作直線運動，則搖桿CD的長度就特別長，甚至是無窮大，這顯然給布置 和制造帶

8、來困難或不可能。為此，在實際應(yīng)用中只是根據(jù)需要制作一個導(dǎo)路，C點做成一個與連桿鉸接的滑塊并使之沿導(dǎo)路運動即可，不再專門做出CD桿。這種含有移動副的四桿機構(gòu)稱為滑塊四桿機構(gòu)，當(dāng)滑塊運動的軌跡為曲線時稱為曲線滑塊機構(gòu)， 當(dāng)滑塊 運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機構(gòu)。直線滑塊機構(gòu)可分為兩種情況：如圖2-11b）所示為偏置曲柄滑塊機構(gòu)，導(dǎo)路與曲柄轉(zhuǎn)動中心有一個偏距e;當(dāng)e = 0即導(dǎo)路通過曲柄轉(zhuǎn)動中心時，稱為對心曲柄滑塊機構(gòu)，如圖2-11c）所示。由于對心曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，受力情況好，故在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。因此，今后如果沒有特別說明，所提 的曲柄滑塊機構(gòu)即意指對心曲柄滑塊機構(gòu)。應(yīng)該指出，滑塊的

9、運動軌跡不僅局限于圓弧和直線，還可以是任意曲線，甚至可以 是多種曲線的組合，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鉸鏈四桿機構(gòu)簡單演化的范疇，也使曲柄滑塊機構(gòu) 的應(yīng)用更加靈活、廣泛。圖2-12所示為曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用。圖2-12a）所示為應(yīng)用于內(nèi)燃機、空壓機、蒸a)19汽機的活塞一連桿一曲柄機構(gòu)，其中活塞相當(dāng)于滑塊。圖2-12b）所示為用于自動送料裝置的曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄每轉(zhuǎn)一圈活塞送出一個工件。當(dāng)需要將曲柄做得較短時結(jié)構(gòu) 上就難以實現(xiàn)，通常采用圖2-12c）所示的偏心輪機構(gòu)，其偏心圓盤的偏心距e就是曲柄的長度。這種結(jié)構(gòu)減少了曲柄的驅(qū)動力，增大了轉(zhuǎn)動副的尺寸，提高了曲柄的強度和剛 度，廣泛應(yīng)用于沖壓機床、破碎機等承受

10、較大沖擊載荷的機械中。、導(dǎo)桿機構(gòu)在對心曲柄滑塊機構(gòu)中，導(dǎo)路是固定不動的，如果將導(dǎo)路做成導(dǎo)桿4鉸接于A點，使之能夠繞A點轉(zhuǎn)動，并使AB桿固定，就變成了導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖2-13所示。當(dāng)ABVBC時，導(dǎo)桿能夠作整周的回轉(zhuǎn)，稱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖2-13a=所示。當(dāng)ABBC時導(dǎo)桿4只能作不足一周的回轉(zhuǎn)，稱擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖2-13b）所示。 i）圖 2-13 導(dǎo)桿機構(gòu)圖 2-14 導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用20導(dǎo)桿機構(gòu)具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場合得到應(yīng)用。如圖2-14a）所示為插床的工作機構(gòu)，如圖2-14b）所示為牛頭刨床的工作機構(gòu)。三、搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)在對心曲柄滑塊機構(gòu)中，將與滑塊鉸接的構(gòu)件

11、固定成機架，使滑塊只能搖擺不能移 動，就成為搖塊機構(gòu)，如圖2-15a）所示。搖塊機構(gòu)在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如圖2-15b）所示為搖塊機構(gòu)在自卸貨車上的應(yīng)用，以車架為機架AC,液壓缸筒3圖 2-15 搖塊機構(gòu)及其應(yīng)用圖 2-16 定塊機構(gòu)及其應(yīng)用21與車架鉸接于C點成搖塊，主動件活塞及活塞桿2可沿缸筒中心線往復(fù)移動成導(dǎo)路，帶動車箱1繞A點擺動實現(xiàn)卸料或復(fù)位。將對心曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊固定為機架，就成 了定塊機構(gòu)，如圖2-16a）所示。圖2-16b）為定塊機構(gòu)在手動唧筒上的應(yīng)用，用手上下扳動主動件1,使作為導(dǎo)路的活塞及活塞桿4沿唧筒中心線往復(fù)移動，實現(xiàn)唧水或唧油。表2-1給出了鉸鏈四

12、桿機構(gòu)及其演化的主要型式對比。表 2-1 鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化主要形式對比固定構(gòu)件鉸鏈四桿機構(gòu)含一個移動副的四桿機構(gòu)（e=0）4曲柄搖桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)1雙曲柄機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)1/J2曲柄搖桿機構(gòu)搖塊 機構(gòu)擺動導(dǎo) 桿機構(gòu)3雙搖桿機構(gòu)定塊機構(gòu)Vfa第三節(jié) 平面四桿機構(gòu)的工作特性一、運動特性在圖2-17所示的曲柄搖桿機構(gòu)中， 設(shè)曲 柄AB為主動件。曲柄在旋轉(zhuǎn)過程中每周有 兩次與連桿重疊，如圖2-17中的B1AC1和AB2C2兩位置。 這時的搖桿位置C1D和C2D稱為極限位置，簡稱極位。C1D與C2D的夾角稱為最大擺角。曲柄處于兩極位AB1和AB2的夾角銳角0稱為極位夾角。設(shè)曲柄以 等角速度31順時

13、針轉(zhuǎn)動，從AB1轉(zhuǎn)到AB2圖 2-17 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性22和從AB2到ABi所經(jīng)過的角度為（n+B）和（n B）,所需的時間為ti和t2，相應(yīng)的搖桿上C點經(jīng)過的路線為C1C2弧和C2C1弧，C點的線速度為v1和v2,顯然有t1t2,vi40 ,重載高速場 合取Yin50。曲柄搖桿機構(gòu)的最小傳 動角出現(xiàn)在曲柄與機架共線的兩個位置之 一，如圖2-18所示的Bi點或B2點位置。述急回特性,(2-i)(2-2)以提高生產(chǎn)率。例如牛頭刨床滑枕的運動。二、傳力特性i.壓力角和傳動角在工程應(yīng)用中連桿機構(gòu)除了要滿 足運動要求外，還應(yīng)具有良好的傳力 性能，以減小結(jié)構(gòu)尺寸和提高機械效 率。下面在不計重力、

14、慣性力和摩擦 作用的前提下，分析曲柄搖桿機構(gòu)的 傳力特性。 如圖2-i8所示， 主動曲柄 的動力通過連桿作用于搖桿上的C點，驅(qū)動力F必然沿BC方向，將F分解為切線方向和徑向方向兩個分力Ft和Fr,切向分力Ft與C點的運動方向Ft= FCOS 或Fr= Fsin 或vc同向。由圖知Ft= FsinFr= FCOS：圖 2-i8 曲柄搖桿機構(gòu)的壓力角和傳動角23偏置曲柄滑塊機構(gòu)，以曲柄為主動件， 滑塊為工作件，傳動角丫為連桿與導(dǎo)路垂圖 2-i9 曲柄滑塊機構(gòu)的傳動角24線所夾銳角，如圖2-19所示。最小傳動角Yin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位 于與偏距方向相反一側(cè)。對于對心曲柄滑塊機構(gòu)，即

15、偏距e = 0的情況，顯然其最小傳動角 Yin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。對以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，因為滑塊對導(dǎo)桿的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，其 傳動角丫恒為90,即 尸Yin=Ymax=90,表明導(dǎo)桿機構(gòu)具有最好的傳力性能。2.止點從Ft= F COSa知，當(dāng)壓力角a= 90。時，對從動件的作用力或力矩為零，此時連桿 不能驅(qū)動從動件工作。機構(gòu)處在這種位置稱為止點，又稱死點。如圖2-20a）所示的曲柄搖桿機構(gòu)，當(dāng)從動曲柄AB與連桿BC共線時，出現(xiàn)壓力角a= 90，傳動角Y=0。如圖2-20b）所示的曲柄滑塊機構(gòu)，如果以滑塊作主動，則當(dāng)從動曲柄AB與連桿BC共線時，外力F無法推動從動曲柄轉(zhuǎn)動

16、。機構(gòu)處于止點位置，一方面驅(qū)動力作用降為零，從 動件要依靠慣性越過止點；另一方面是方向不定，可能因偶然外力的影響造成反轉(zhuǎn)。四桿機構(gòu)是否存在止點，取決于從動件是否與連桿共線。例如上述圖 曲柄搖桿機構(gòu)，如果改搖桿主動為曲柄主動，則搖桿為從動件，因連桿 不存在共線的位置，故不存在止點。又例如前述圖2-20b）所示的曲柄滑塊機構(gòu)，如果改曲柄為主動，就不存在止點。止點的存在對機構(gòu)運動是不利的，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止點。當(dāng)無法避免出現(xiàn)止點時，一般可以采用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助通過止點。 例如內(nèi)燃機曲軸上的飛輪。2-20a）所示的BC與搖桿CD平面四桿機構(gòu)的止點位置C,b圖 2-21 機構(gòu)止點位置的應(yīng)用

17、25也可以采用機構(gòu)錯位排列的方法，靠兩組機構(gòu)止點位置差的作用通過各自的止點。在實際工程應(yīng)用中，有許多場合是利用止點位置來實現(xiàn)一定工作要求的。如圖2-21a）所示為一種快速夾具，要求夾緊工件后夾緊反力不能自動松開夾具，所以將夾頭構(gòu)件1看成主動件，當(dāng)連桿2和從動件3共線時，機構(gòu)處于止點，夾緊反力N對搖桿3的作用力矩為零。這樣，無論N有多大，也無法推動搖桿3而松開夾具。當(dāng)我們用手搬動連桿2的延長部分時，因主動件的轉(zhuǎn)換破壞了止點位置而輕易地松開工件。如圖2-21b）所示為飛機起落架處于放下機輪的位置，地面反力作用于機輪上使AB件為主動件，從動件CD與連桿BC成一直線，機構(gòu)處于止點，只要用很小的鎖緊力作

18、用于CD桿即可有效地保持著支撐狀態(tài)。當(dāng)飛機升空離地要收起機輪時，只要用較小力量推動CD，因主動件改為CD破壞了止點位置而輕易地收起機輪。此外，還有汽車發(fā)動機蓋、折疊椅等。第四節(jié) 平面四桿機構(gòu)運動設(shè)計簡介四桿機構(gòu)的設(shè)計方法有圖解法、試驗法、解析法三種。本節(jié)僅介紹圖解法。一、按給定的連桿長度和位置設(shè)計平 面四桿機構(gòu)1.按連桿的預(yù)定位置設(shè)計四桿機構(gòu)【例2-2】已知連桿BC的長度和依 次占據(jù)的三個位置BiCi、B2C2、B3C3，如圖2-22所示。求確定滿足上述條件的鉸 鏈四桿機構(gòu)的其它各桿件的長度和位置。解：顯然B點的運動軌跡是由Bi、B2、B3三點所確定的圓弧，C點的運動軌跡是由Ci、C2、C3三

19、點所確定的圓弧，分別找出這兩段圓弧的圓心A和D，也就完成了本四桿機構(gòu)的設(shè)計。因為此時機架AD已定，連架桿CD和AB也已定。具體 作法如下：（1）確定比例尺，畫出給定連桿的三個位置才便于作圖設(shè)計， 應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)谋壤呓?，見式?-1）。（2）連結(jié)B1B2、B2B3，分別作直線段B1B2和B2B3的垂直平分線b12和b23（圖中細(xì) 實線），此兩垂直平分線的交點A即為所求B1、B2、B3三點所確定圓弧的圓心。（3）連結(jié)C1C2、C2C3，分別作直線段C1C2和C2C3的垂直平分線C12、C23（圖中細(xì)實 線）交于點D，即為所求C1、C2、C3三點所確定圓弧的圓心。以A點和D點作為連架鉸鏈

20、中心，分別連結(jié)AB3、B3C3、C3D（圖中粗實線）即得所求四桿機構(gòu)。從圖中量得各桿的長度再乘以比例尺，就得到實際結(jié)構(gòu)長度尺寸。在實際工程中，有時只對連桿的兩個極限位置提出要求。這樣一來，要設(shè)計滿足條 件的四桿機構(gòu)就會有很多種結(jié)果，這時應(yīng)該根據(jù)實際情況提出附加條件。實際機構(gòu)往往要通過縮小或放大比例后圖 2-22 按連桿的三個預(yù)定位置設(shè)計四桿機構(gòu)26【實訓(xùn)例2-3】如圖2-23所示的加熱爐門啟閉機構(gòu)，圖中I為爐門關(guān)閉位置，使27圖 2-24 按行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)用要求在完全開啟后門背朝上水平放置并略低于爐口下沿，見圖中n位置。解：把爐門當(dāng)作連桿BC,已知的兩個位置BiCi和B2C2,B和C

21、已成為兩個鉸點，分別作直線段B1B2、C1C2的平分線得bi2和Ci2， 另外兩鉸點A和D就在這 兩根平分線上。為確定A、D的位置，根據(jù)實際安裝需要，希望A、D兩鉸鏈均安裝在爐的正壁面上即圖中yy位置，yy直線分別與bi2、C12相交點A和D即為所求。二、按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)設(shè)計具有急回特性的四桿機構(gòu)， 一般是根據(jù)運動要 求選定行程速比系數(shù)，然后根據(jù)機構(gòu)極位的幾何特點， 結(jié)合其他輔助條件進(jìn)行設(shè)計。【實訓(xùn)例2-4】 已知行程速比系數(shù)K，搖桿長度1CD，最大擺角，請用圖解法設(shè)計此曲柄搖桿機構(gòu)。解：設(shè)計過程如圖2-24所示，具體步驟：(1)由速比系數(shù)K計算極位角B。由式(2-2)知-80

22、K 1K +1(2)選擇合適的比例尺，作圖求搖桿的極限位置。取搖桿長度 ICD除以比例尺 7 得圖中搖桿長CD，以CD為半徑、任定點D為圓心、任定點Ci為起點做弧C,使弧C所對應(yīng)的圓心角等于或大于最大擺角:，連接D點和Ci點的線段CiD為搖桿的一個極限位置，過D點作與CiD夾角等于最大擺角 的射線交圓弧于C2點得搖桿的另一個極限位置C2D。(3)求曲柄鉸鏈中心。過Ci點在D點同側(cè)作CiC2的垂線H，過C2點作與D點同側(cè) 與直線段CiC2夾角為(900)的直線J交直線H于點P,連接C2P，在直線段C2P上截取C2P/2得點O,以O(shè)點為圓點、OP為半徑，畫圓K,在CiC2弧段以外在K上 任取一點A為鉸鏈中心。(4)求