第二章平面連桿機構(gòu)

1、 機械設計基礎(chǔ)機械設計基礎(chǔ)任課教師：任課教師：石志新石志新南昌大學機電工程學院南昌大學機電工程學院第二章第二章 平面連桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)n2-1 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性n2-2 鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件n2-3 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化鉸鏈四桿機構(gòu)的演化n2-4 平面四桿機構(gòu)的設計平面四桿機構(gòu)的設計 n平面連桿機構(gòu)：平面連桿機構(gòu)：用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）連接而用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）連接而成的平面機構(gòu)。成的平面機構(gòu)。n平面連桿機構(gòu)的特點：平面連桿機構(gòu)的特點：l能實現(xiàn)多種運動形式：能實現(xiàn)多種運動形式：如轉(zhuǎn)動、擺動、移動、平面運動；如轉(zhuǎn)動、擺

2、動、移動、平面運動；l運動副為低副：運動副為低副：面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損、形狀面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損、形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度。l缺點：缺點： 只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律；只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律； 設計復雜；設計復雜； 只用于速度較低的場合。只用于速度較低的場合。n最簡單的平面連桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)最簡單的平面連桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)n本章著重介紹平面四桿機構(gòu)的本章著重介紹平面四桿機構(gòu)的基本類型基本類型、特性特性及其常用的及其常用的設計方法設計方法。2-1 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式和特性n

3、( (平面平面) )鉸鏈四桿機構(gòu)：鉸鏈四桿機構(gòu)：全部用全部用轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副相連的平面相連的平面四桿機構(gòu)。四桿機構(gòu)。4機架機架(固定固定)1、3連架桿連架桿(定軸轉(zhuǎn)動定軸轉(zhuǎn)動)2連桿連桿(平面運動平面運動)固定構(gòu)件固定構(gòu)件4機架機架與機架用轉(zhuǎn)動副相連接的桿與機架用轉(zhuǎn)動副相連接的桿1和桿和桿3連架桿連架桿不與機架直接連接的桿不與機架直接連接的桿2連桿連桿連架桿連架桿1或桿或桿3如能繞機架上的轉(zhuǎn)動副中心如能繞機架上的轉(zhuǎn)動副中心A或或O作整周作整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動曲柄曲柄若僅能在小于若僅能在小于360度的某度的某角度內(nèi)擺動角度內(nèi)擺動搖桿。搖桿。1A423CBD12341,3連架桿與機架相連的構(gòu)件機架相對固定的構(gòu)

4、件連桿2作一般平面運動的構(gòu)件按連架桿是曲柄還是搖桿按連架桿是曲柄還是搖桿鉸鏈四桿機構(gòu)有三種基本型式鉸鏈四桿機構(gòu)有三種基本型式1）曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)(兩連架桿分別為曲柄、搖桿兩連架桿分別為曲柄、搖桿)2）雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)(兩連架桿均為曲柄兩連架桿均為曲柄)3）雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)(兩連架桿均為搖桿兩連架桿均為搖桿)曲柄整周轉(zhuǎn)動的連架桿搖（擺）桿往復擺動的連架桿一、曲柄搖桿機構(gòu)：一、曲柄搖桿機構(gòu)： 圖2-2 牛頭刨床橫向自動進給機構(gòu) 圖2-3 雷達調(diào)整機構(gòu) n曲柄搖桿機構(gòu)的主要特性曲柄搖桿機構(gòu)的主要特性1、急回運動特性急回運動特性 ：圖圖24 行程速度變化系數(shù)行程速度變化系數(shù)(K)：空回

5、行程平空回行程平均速度（快行程）與工作行程（慢行程）均速度（快行程）與工作行程（慢行程）平均速度之比。平均速度之比。 極位夾角極位夾角()：搖桿處于兩極限位置時，搖桿處于兩極限位置時，對應的曲柄所夾的銳角。對應的曲柄所夾的銳角。 ) 1(180180212112122121ttttVVKCCCC11180KK圖2-4 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性 極位夾角極位夾角越大，越大，K值越大，急回運動的性質(zhì)越值越大，急回運動的性質(zhì)越顯著。顯著。180180K設計新機械時，總是根據(jù)該機械的急回要求先設計新機械時，總是根據(jù)該機械的急回要求先給出給出K值，然后由式（值，然后由式（2-2）算出極位夾角）算出極位夾角

6、，再確定各構(gòu)件的尺寸。再確定各構(gòu)件的尺寸。 11180KK式（式（2-2）2、死點位置：、死點位置：搖桿為主動件，曲柄為從動件時，連桿與從動件曲柄共線的位置。搖桿為主動件，曲柄為從動件時，連桿與從動件曲柄共線的位置。ADBCCD為主動件!FVB=0當連桿當連桿BCBC與從動件曲柄與從動件曲柄ABAB共線時，壓共線時，壓力角力角 =90=900 0，傳動角，傳動角 =0=0，機構(gòu)不能運動，機構(gòu)不能運動，此位置稱為此位置稱為死點位置死點位置。作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABC1243DABDC1243雷達天線俯仰機構(gòu)雷達天線俯仰機構(gòu)曲柄主動曲柄主動縫紉機踏板機構(gòu)縫紉機踏板機構(gòu)2143搖桿主動搖

7、桿主動3124實例：克服死點：克服死點：（1 1）對從動曲柄施加外力；）對從動曲柄施加外力；（2 2）利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性作用）利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性作用圖圖2-5 縫紉機踏板機構(gòu)縫紉機踏板機構(gòu)利用死點：利用死點： 夾緊裝置防松（夾緊裝置防松（圖圖2-6夾緊機構(gòu)夾緊機構(gòu)）鉸鏈中心）鉸鏈中心B、C、D共線，為死點位置。共線，為死點位置。去掉外力去掉外力F之后，無論反作用力之后，無論反作用力Fn多大，也不能使多大，也不能使桿桿3轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動。圖圖2-6夾緊機構(gòu)夾緊機構(gòu)連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角 3、壓力角和傳動角、壓力角和傳動角壓力角壓力角：作用在從動件上的驅(qū)動力與該力作

8、用點絕對速度：作用在從動件上的驅(qū)動力與該力作用點絕對速度Vc之間所夾之間所夾的銳角的銳角 。 越小，機構(gòu)傳力性能越好。越小，機構(gòu)傳力性能越好。 傳動角傳動角：壓力角的余角壓力角的余角=90 - - 。 越大，機構(gòu)傳力性能越好。越大，機構(gòu)傳力性能越好。 規(guī)定最小傳動角規(guī)定最小傳動角min，越大。傳動角用銳角表示。，越大。傳動角用銳角表示。機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，傳動角大小不斷變化。機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，傳動角大小不斷變化。為了保證機構(gòu)正常工作，規(guī)定最小傳動角為了保證機構(gòu)正常工作，規(guī)定最小傳動角min的下限的下限對于一般機械，取對于一般機械，取min40；對于顎式破碎機、沖床等大功率機械，取對于顎式破碎機、沖床等大功率

9、機械，取min50對于小功率的控制機構(gòu)和儀表，對于小功率的控制機構(gòu)和儀表，min可略小于可略小于40 連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角 出現(xiàn)最小傳動角出現(xiàn)最小傳動角min的位置：的位置： 曲柄搖桿機構(gòu)的最小傳動角必出現(xiàn)在曲柄與機架共線（=0或=180）的位置。為鈍角時）（為銳角時）BCDBCDBCDBCD(180BCADdmaxabcmax=arcCos b2+c2-(d+a) 2/(2bc) = 1800-max CBADdminabcmin，=arcCos b2+c2-(d-a) 2/(2bc) min， = 外共線內(nèi)共線取與兩者中的較小值為最小傳動角 min = ， mi

10、n最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架共線的兩位置之一。雙曲柄機構(gòu)：雙曲柄機構(gòu)：兩連架桿兩連架桿均為均為曲柄曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)。的鉸鏈四桿機構(gòu)。 圖2-8 旋轉(zhuǎn)式水泵雙曲柄機構(gòu)：雙曲柄機構(gòu)：兩連架桿兩連架桿均為均為曲柄曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)。的鉸鏈四桿機構(gòu)。 圖圖2 29 9 平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu) 圖2-10 機車驅(qū)動輪聯(lián)動機構(gòu) 分析天平公共汽車車門平行夾持機構(gòu)1423131adba=c,b=d;平行雙曲柄機構(gòu)c13兩曲柄轉(zhuǎn)向相同，且1=31會出現(xiàn)另一種運動的可能即將出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點!平行雙曲柄機構(gòu)變成反向雙曲柄機構(gòu)?？捎萌缦路椒ń鉀Q：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加

11、質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：1、靠本身質(zhì)量或附加質(zhì)量的慣性；可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄可用如下方法解決：2、加一輔助曲柄，如機車驅(qū)動輪聯(lián)動機構(gòu)?？捎萌缦路?/p>

12、法解決：3、加一輔助連桿。雙搖桿機構(gòu)：雙搖桿機構(gòu)：兩連架桿兩連架桿均為均為搖桿搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。的鉸鏈四桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)飛機起落架機構(gòu)飛機起落架機構(gòu)3原動搖桿、原動搖桿、5從動搖桿、從動搖桿、2連桿連桿雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)爐門啟閉機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)鶴式起重機CBADE?例例3 3：港口起重機變幅機構(gòu)港口起重機變幅機構(gòu)鶴式鶴式起重機起重機CBADE?當兩連架桿AB、CD均為搖桿時雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)鶴式吊鶴式吊CBADE?鶴式吊鶴式吊CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBADE?CBAD

13、E?CBADE?CBADE?CBEAD?CBE1ADCBE1ADE2CBE1ADE2E3CBE1ADE2E3E4CBE1ADE2E3E4E5CBE1ADE2E3E4E5E6CBE1ADE2E3E4E5E6E7CBE1ADE2E3E4E5E6CBE1ADE2E3E4E5CBE1ADE2E3E4CBE1ADE2E3CBE1ADE2CBE1AD 2-2 鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條鉸鏈四桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件件n整轉(zhuǎn)副整轉(zhuǎn)副：組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件能相對轉(zhuǎn)動：組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件能相對轉(zhuǎn)動360n擺動副：擺動副：只能在小于只能在小于360的范圍擺動的范圍擺動n具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機構(gòu)才可能存在曲柄具有整轉(zhuǎn)副的鉸

14、鏈四桿機構(gòu)才可能存在曲柄整轉(zhuǎn)副（曲柄）存在的條件：整轉(zhuǎn)副（曲柄）存在的條件：n（1）最短桿與最長桿的長度之和小于等于其它兩）最短桿與最長桿的長度之和小于等于其它兩桿長度之和。（桿長度之和。（桿長條件桿長條件）n（2）整轉(zhuǎn)副是由最短桿與其鄰邊構(gòu)成）整轉(zhuǎn)副是由最短桿與其鄰邊構(gòu)成 。圖2-13 曲柄搖桿機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副的條件 當桿1處于AB位置時，形成三角形ACD 當桿1處于AB”位置時，形成三角形AAC”D 3421llll21ll 31ll 41ll n當機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副時，取不同構(gòu)件為機架可以得到不當機構(gòu)有整轉(zhuǎn)副時，取不同構(gòu)件為機架可以得到不同類型的四桿機構(gòu)，判斷原則如下：同類型的四桿機構(gòu)，判斷原則如

15、下：（1）最短構(gòu)件與最長構(gòu)件的長度之和）最短構(gòu)件與最長構(gòu)件的長度之和其他兩構(gòu)件長度之和，其他兩構(gòu)件長度之和，最短構(gòu)件上兩個轉(zhuǎn)動副均為整轉(zhuǎn)副最短構(gòu)件上兩個轉(zhuǎn)動副均為整轉(zhuǎn)副。l取取最短桿的鄰桿最短桿的鄰桿為為機架機架曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)（縫紉機踏板、（縫紉機踏板、牛頭刨進給機構(gòu)）牛頭刨進給機構(gòu)）l取取最短桿最短桿為為機架機架雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)（旋轉(zhuǎn)式水泵、慣性篩）（旋轉(zhuǎn)式水泵、慣性篩）l取取最短桿的對邊桿最短桿的對邊桿為為機架機架雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)（汽車轉(zhuǎn)向機（汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)、鶴式起重機）構(gòu)、鶴式起重機）l（2）最短構(gòu)件與最長構(gòu)件的長度之和）最短構(gòu)件與最長構(gòu)件的長度之和其他兩構(gòu)件長度之其他兩

16、構(gòu)件長度之和，沒有整轉(zhuǎn)副，無論取哪個構(gòu)件為機架和，沒有整轉(zhuǎn)副，無論取哪個構(gòu)件為機架雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)；2-3 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化鉸鏈四桿機構(gòu)的演化鉸鏈四桿機構(gòu)的演化的途徑：鉸鏈四桿機構(gòu)的演化的途徑：n移動副代替轉(zhuǎn)動副移動副代替轉(zhuǎn)動副n變更桿長變更桿長n變更機架變更機架n擴大轉(zhuǎn)動副等擴大轉(zhuǎn)動副等一、曲柄滑塊機構(gòu)一、曲柄滑塊機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)改變構(gòu)件的形狀和運動尺寸鉸鏈四桿機構(gòu)改變構(gòu)件的形狀和運動尺寸偏心曲柄滑塊機構(gòu)偏心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)雙滑塊機構(gòu) 正弦機構(gòu)正弦機構(gòu)s=l sin l鉸鏈四桿機構(gòu)的演化型式鉸鏈四桿機

17、構(gòu)的演化型式作者：潘存云教授應用實例應用實例B234C1A自卸卡車舉升機構(gòu)自卸卡車舉升機構(gòu)二、導桿機構(gòu)、搖塊和定塊機構(gòu)二、導桿機構(gòu)、搖塊和定塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)選不同的構(gòu)件為曲柄滑塊機構(gòu)選不同的構(gòu)件為機架機架ACB1234應用實例應用實例B34C1A2應用實例應用實例4A1B23C應用實例應用實例13C4AB2應用實例應用實例A1C234B轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)314A2BC曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)314A2BC搖塊（擺動滑塊）機構(gòu)搖塊（擺動滑塊）機構(gòu)314A2BC擺動導桿機構(gòu)擺動導桿機構(gòu)如圖如圖2-16作者：潘存云教授314A2BC直動滑桿（定塊）機構(gòu)直動滑桿（定塊）機構(gòu)手搖唧筒手搖唧筒這種

18、通過選擇不同構(gòu)件作為機架以獲得不同機構(gòu)的方法這種通過選擇不同構(gòu)件作為機架以獲得不同機構(gòu)的方法稱為：稱為：機構(gòu)的倒置機構(gòu)的倒置BC3214AABC3214n三、雙滑塊機構(gòu)三、雙滑塊機構(gòu)正切機構(gòu)正切機構(gòu)滑塊聯(lián)軸器滑塊聯(lián)軸器正弦機構(gòu)正弦機構(gòu)橢圓儀橢圓儀按照兩個移動副所處位置的不同分為四種形式：按照兩個移動副所處位置的不同分為四種形式：四、偏心輪機構(gòu)四、偏心輪機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)擴大運動副的尺寸曲柄滑塊機構(gòu)擴大運動副的尺寸偏心輪機構(gòu)偏心輪機構(gòu)2-4 平面四桿機構(gòu)的設計平面四桿機構(gòu)的設計n平面四桿機構(gòu)設計，根據(jù)給定的運動條件，確定機構(gòu)運動簡平面四桿機構(gòu)設計，根據(jù)給定的運動條件，確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)。圖

19、的尺寸參數(shù)。n為了使機構(gòu)設計可靠、合理，應考慮幾何條件和動力條件為了使機構(gòu)設計可靠、合理，應考慮幾何條件和動力條件(如最小傳動角如最小傳動角min)等。等。 n兩類設計問題：兩類設計問題：n按給定從動件運動規(guī)律按給定從動件運動規(guī)律(位置、速度、加速度位置、速度、加速度)n按給定點的運動軌跡按給定點的運動軌跡 n設計方法設計方法：作圖法作圖法(直觀直觀)、 解折法解折法(精確精確)、實驗法、實驗法(簡便簡便) 一、一、 按給定的行程速度變化系數(shù)按給定的行程速度變化系數(shù)K設計設計(三點共圓法三點共圓法)n1、設計曲柄搖桿機構(gòu)、設計曲柄搖桿機構(gòu) 已知：已知：搖桿長度搖桿長度l3，擺角，擺角和行程速度

20、變化系數(shù)和行程速度變化系數(shù)K 求：求：確定鉸鏈中心確定鉸鏈中心A點的位置，定出其他三桿的尺寸點的位置，定出其他三桿的尺寸l1、 l2 、 l4解解：(1)由由K，求出極位夾角，求出極位夾角 (2)任選固定鉸鏈中心任選固定鉸鏈中心D的位置，由搖桿長度的位置，由搖桿長度l3和擺角和擺角作出搖桿作出搖桿兩個極限位置兩個極限位置C1D和和C2D；(3)連接連接C1和和C2，并作，并作C1M垂直垂直C1C2；(4)作作 ，C2N與與C1M相交于相交于P點，由圖可見，點，由圖可見，(5)作作PC1C2的外接圓，在此圓周的外接圓，在此圓周(C1C2和和EF弧除外弧除外)上任取一上任取一點點A作為曲柄的固定鉸鏈中心，連作為曲柄的固定鉸鏈中心，連AC1和和AC2;(6)曲柄長度曲柄長度 。再以。再以A為圓心和為圓心和l1為半徑作圓，交為半徑作圓，交C1A的延線于的延線于B1，交，交C2A于于B2，即得，即得 及及11180KK)(21121ACACl22211lCBCB4lAD 21PCC圖圖2-26 按按K值設計曲柄搖桿機構(gòu)值設計曲柄搖桿機構(gòu)9021N