第5章-連桿機構(gòu)分析11.

1、第第5章章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計5.4 連桿機構(gòu)設(shè)計概論連桿機構(gòu)設(shè)計概論本章目錄本章目錄5.2 四桿機構(gòu)的運動變換功能和性能指標(biāo)四桿機構(gòu)的運動變換功能和性能指標(biāo)5.3 多桿機構(gòu)多桿機構(gòu)5.1 平面連桿機構(gòu)的特點及應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的特點及應(yīng)用n連桿機構(gòu)：連桿機構(gòu)：全部構(gòu)件都以低副聯(lián)結(jié)而成的機構(gòu)。n平面連桿機構(gòu)的特點平面連桿機構(gòu)的特點n優(yōu)點：優(yōu)點：n1 1 能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的運動變換能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的運動變換n2 2 低副低副( (面接觸）連接承載能力強，面接觸）連接承載能力強，易加工易加工n3 3 運動副保證構(gòu)件接觸運動副保證構(gòu)件接觸, ,不需外力鎖合不需外力鎖合, ,工作可

2、靠，壽命長工作可靠，壽命長n缺點：缺點：n1 1 連桿機構(gòu)平衡困難，尤其對于高速運轉(zhuǎn)的機構(gòu)連桿機構(gòu)平衡困難，尤其對于高速運轉(zhuǎn)的機構(gòu)n2 2 運動傳遞路線較長，易產(chǎn)生累積誤差運動傳遞路線較長，易產(chǎn)生累積誤差。 平面連桿機構(gòu)中最基本的、最常用的是四桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)中最基本的、最常用的是四桿機構(gòu) 5.1 平面連桿機構(gòu)的特點及應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的特點及應(yīng)用連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動往復(fù)擺動往復(fù)擺動往復(fù)移動往復(fù)移動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用插床工作機構(gòu)插床工作機構(gòu)叉車的舉升機構(gòu)叉車的舉升機構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動往復(fù)移動往復(fù)移動引導(dǎo)一個構(gòu)件按給定序列位置運動引導(dǎo)

3、一個構(gòu)件按給定序列位置運動平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用傳送裝置的主體機構(gòu)傳送裝置的主體機構(gòu)使構(gòu)件上指定點按預(yù)期軌跡運動使構(gòu)件上指定點按預(yù)期軌跡運動平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用夾緊機構(gòu)夾緊機構(gòu) 鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu) 縫紉機針機構(gòu)縫紉機針機構(gòu) 平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用實現(xiàn)給定軌跡實現(xiàn)給定軌跡 攪拌機攪拌機 AD機架機架(與機架相連的桿與機架相連的桿)(與機架相對的桿與機架相對的桿)BC連桿連桿 四桿機構(gòu)的運動變換功能和性能指標(biāo)四桿機構(gòu)的運動變換功能和性能指標(biāo) 鉸接四桿機構(gòu)：四個構(gòu)件以四個轉(zhuǎn)動副連接鉸接四桿機構(gòu)：四個構(gòu)件以四個轉(zhuǎn)動副

4、連接 而成的平面機構(gòu)。而成的平面機構(gòu)。ABCDAB、CD連架桿連架桿曲柄：連架曲柄：連架桿能繞固定軸線作整周轉(zhuǎn)動者為曲柄。桿能繞固定軸線作整周轉(zhuǎn)動者為曲柄。搖桿：連架搖桿：連架桿不能繞固定軸線作整周轉(zhuǎn)動者為搖桿。桿不能繞固定軸線作整周轉(zhuǎn)動者為搖桿。ABCD曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄曲柄連桿連桿搖桿搖桿機架機架整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副5.2.1 鉸接四桿機構(gòu)鉸接四桿機構(gòu)整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副非整周轉(zhuǎn)動副雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)

5、曲柄搖桿機構(gòu)(a)(b)(c)鉸接四桿機構(gòu)中曲柄存在條鉸接四桿機構(gòu)中曲柄存在條件件令令a d、 c b5.2.1.1曲柄整周轉(zhuǎn)動，曲柄AB必須順利通過與機架AD共線的兩個位置AB1和 AB2。當(dāng)曲柄處于AB2時，有： b(da)c abcdc(da)b acbdadbc 當(dāng)曲柄處于AB1時，有：前三式兩兩相加可得： 轉(zhuǎn)動副成為周轉(zhuǎn)副的條件: : 2）組成周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為四桿中的最短桿 , ,dacaba 1）最短桿與最長桿的長度和應(yīng)小于或等于其余兩桿的長度和 桿長條件同時：max ( , ,)ab c d 其 余 兩 桿 長 度 和llll minmax 即：即：最短桿為機架 雙曲柄機

6、構(gòu)最短桿為連桿 雙搖桿機構(gòu) 當(dāng)當(dāng)llll minmax 時：時：雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)當(dāng)當(dāng)llll minmax 時：時：最短桿為連架桿曲柄搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判斷方法：無論何桿為機架均為雙搖桿機構(gòu)。曲柄搖桿機曲柄搖桿機構(gòu)構(gòu)1) 曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動 往復(fù)擺動往復(fù)擺動滿足曲柄存在條件。最短桿作連架桿。滿足曲柄存在條件。最短桿作連架桿。1) 曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)單擊單擊顎式破碎機構(gòu)顎式破碎機構(gòu)1) 曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雷達(dá)天線機構(gòu)雷達(dá)天線機構(gòu)攪拌機機構(gòu)攪拌機機構(gòu)2) 雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)等速轉(zhuǎn)動等速轉(zhuǎn)動 變速轉(zhuǎn)動變速轉(zhuǎn)動滿足曲柄存在條件。最短桿

7、作機架。滿足曲柄存在條件。最短桿作機架。2) 雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)的類型及應(yīng)用3) 平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)(雙曲柄機構(gòu)特例雙曲柄機構(gòu)特例 a = c；b = d) 聯(lián)動裝置應(yīng)用聯(lián)動裝置應(yīng)用等速整周轉(zhuǎn)動等速整周轉(zhuǎn)動 等速等速整周整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動等速整周轉(zhuǎn)動等速整周轉(zhuǎn)動 非等速非等速整周整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動平行四邊形和反平行四邊形平行四邊形和反平行四邊形機構(gòu)在重疊共線位置具有運機構(gòu)在重疊共線位置具有運動不確定性。動不確定性。4) 雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)擺動擺動 擺動擺動滿足桿長之和條件，最短桿的對邊作機架；滿足桿長之和條件，最短桿的對邊作機架；若不滿足桿長之和條件若不滿足桿長之和條件, ,無論取

8、哪個構(gòu)件作機架，都是雙搖桿機構(gòu)。無論取哪個構(gòu)件作機架，都是雙搖桿機構(gòu)。4) 雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)可看作曲柄滑塊機構(gòu)可看作由曲柄搖桿機構(gòu)演化由曲柄搖桿機構(gòu)演化而得。而得。ABCDABCeABC轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副D的同性異形演化。的同性異形演化。e = 0, 對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)0,e 5 具有移動副的四桿機構(gòu)具有移動副的四桿機構(gòu)1) 曲柄滑塊機構(gòu)（曲柄滑塊機構(gòu)（固定導(dǎo)桿）對心式：對心式：偏置式：偏置式：2) 曲柄搖塊機構(gòu)（曲柄搖塊機構(gòu)（固定與滑塊相對轉(zhuǎn)動的構(gòu)件） 自卸貨車自卸貨車轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機

9、構(gòu)3) 導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu) (固定與滑塊不相連的構(gòu)件)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿擺動導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿導(dǎo)桿機構(gòu)可看作由曲柄滑塊機構(gòu)演化而來導(dǎo)桿機構(gòu)可看作由曲柄滑塊機構(gòu)演化而來ABCABCABC曲柄滑塊曲柄滑塊變換機架變換機架搖塊機構(gòu)搖塊機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)移動副同性異形演化移動副同性異形演化4) 定塊機構(gòu)（定塊機構(gòu)（固定滑塊） 全鉸鏈四桿機構(gòu)全鉸鏈四桿機構(gòu)單移動副四桿機構(gòu)單移動副四桿機構(gòu)雙移動副四桿機構(gòu)雙移動副四桿機構(gòu)例：例：圖示鉸鏈四桿機構(gòu)，BC=50mm, CD=35mm, AD=30mm,AD為機架，若為曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)， 試討論AB的取值范圍。 解解：AB

10、CD若為曲柄搖桿機構(gòu)，則AB必為最短桿，由桿長條件得：AB+BCCD+AD所以，ABCDADBC=353050=15mm5.2.1.2 鉸接四桿機構(gòu)的急回特性問題鉸接四桿機構(gòu)的急回特性問題鉸接四桿機構(gòu)中只有曲柄搖桿機構(gòu)可能存在急回特性。鉸接四桿機構(gòu)中只有曲柄搖桿機構(gòu)可能存在急回特性。急回特性急回特性:原動件勻速連續(xù)回轉(zhuǎn)，從動件往復(fù)運動速度不同的性原動件勻速連續(xù)回轉(zhuǎn)，從動件往復(fù)運動速度不同的性質(zhì)。我們說機構(gòu)有急回特性。質(zhì)。我們說機構(gòu)有急回特性。ABCDABCDABCDAB1C2DB2C112M曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)搖桿處于極限位置時，曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)搖桿處于極限位置時，曲柄曲柄和和連桿連桿處于處于

11、延伸共線和重疊共線位置。延伸共線和重疊共線位置。機構(gòu)極位曲柄與連桿兩曲柄與連桿兩次共線時的位置。次共線時的位置。極位夾角原動件曲柄在機原動件曲柄在機構(gòu)極位時所夾的銳角構(gòu)極位時所夾的銳角 。擺角從動件搖桿兩極限從動件搖桿兩極限位置的夾角位置的夾角 。曲柄搖桿機構(gòu)的工作過程曲柄搖桿機構(gòu)的工作過程 180 112轉(zhuǎn)角逆、勻ABAB 12D CDC擺擺角 , 時間 t1 180 221轉(zhuǎn)角逆、勻ABABDCDC21擺擺角 , 時間 t2 12且曲柄勻速 t1 t2 原動件勻速轉(zhuǎn)動時, 從動件往復(fù)運動速度快慢不同。急急回運動回運動特性特性故：搖桿C點平均速度 2211tlvtlvcdcd212121tt

12、k急回系數(shù)急回系數(shù)Kk11kkB2AB1C2DC1M121k 從動件快行程速度從動件慢行程時間從動件慢行程速度從動件快行程時間5 145 ,1.2mk例：設(shè)計一曲柄搖桿機構(gòu)，已知MC1C2D1. 選從動件處的固定鉸鏈選從動件處的固定鉸鏈D位置如圖。位置如圖。45m36.1618012 . 112 . 118011kk3. 求極位夾角求極位夾角可見，只需在固定平面上找到一點可見，只需在固定平面上找到一點A，使，使 ，A點即點即為曲柄轉(zhuǎn)動中心，進(jìn)而可以求出曲柄搖桿機構(gòu)。為曲柄轉(zhuǎn)動中心，進(jìn)而可以求出曲柄搖桿機構(gòu)。12C AC2. 任取從動件長度任取從動件長度c , 畫出兩極限畫出兩極限位置位置C1D

13、、C2D，其間夾角，其間夾角MC1C290MD1. 連接連接C1C2，做中垂線，做中垂線，在其上找到一點在其上找到一點M，使，使1290MC C2. 以以M為圓心，為圓心，MC1為半徑為半徑畫圓，則圓上圓弧畫圓，則圓上圓弧 所對應(yīng)的圓心角所對應(yīng)的圓心角12C C122C MC3. 則在此圓上任選一點則在此圓上任選一點A，都滿足圓上圓弧都滿足圓上圓弧 所對應(yīng)的圓周角所對應(yīng)的圓周角12C C12C ACA從動件長度從動件長度c、固定鉸鏈位置、固定鉸鏈位置A任選因此，本題的解有無窮多個！任選因此，本題的解有無窮多個！abAC1abAC2221ACACa221ACACbC1C2Mab M90MDAB1

14、B2根據(jù)根據(jù) a 長確定動鉸鏈長確定動鉸鏈 B 的位置的位置不要忘記檢驗機構(gòu)中是否存在曲柄！不要忘記檢驗機構(gòu)中是否存在曲柄！5.2.1.3 壓力角、傳動角與死點壓力角、傳動角與死點1F 有功分量壓力角：從動件上所受驅(qū)動力方向與力的作用點速度方向的夾角壓力角：從動件上所受驅(qū)動力方向與力的作用點速度方向的夾角max F1F2vFABCD 40 50壓力角越小，壓力角越小，F(xiàn) 的有用功分量越大，傳力性能越好。的有用功分量越大，傳力性能越好。2F 無功分量機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中，壓力角是時刻變化的。機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中，壓力角是時刻變化的。 90傳動角maxmin和傳動角：連桿傳動角：連桿 BC 與從動件與從動件

15、CD 之間的夾角之間的夾角CABDminCABDmaxADBCFv 40 504050min140130maxmaxmin出現(xiàn)在出現(xiàn)在曲柄曲柄與與機架機架延伸共線和重疊共線的位置延伸共線和重疊共線的位置90 (0 ) 機構(gòu)處于或的位置稱為死點位置死點死點:對于鉸接四桿機構(gòu)來說，死點是連桿與從動件共線的位置。對于鉸接四桿機構(gòu)來說，死點是連桿與從動件共線的位置。如圖曲柄搖桿機構(gòu)：如圖曲柄搖桿機構(gòu)：當(dāng)曲柄為主動件時，不會出現(xiàn)死點位置；當(dāng)曲柄為主動件時，不會出現(xiàn)死點位置；當(dāng)搖桿為主動件時，會出現(xiàn)兩個死點位置。當(dāng)搖桿為主動件時，會出現(xiàn)兩個死點位置。當(dāng)機構(gòu)處于死點位置時，無論主動件上施加當(dāng)機構(gòu)處于死點位置

16、時，無論主動件上施加多大的力也不會使機構(gòu)運動。多大的力也不會使機構(gòu)運動。AB1B2C1C2D 利用慣性利用慣性, ,如飛輪。如飛輪。 采用幾套相同的機構(gòu)錯位。采用幾套相同的機構(gòu)錯位。 利用虛約束利用虛約束, ,如蒸汽機車中的平行四邊形機構(gòu)。如蒸汽機車中的平行四邊形機構(gòu)。利用死點，防止起落架收回利用死點，防止起落架收回利用死點，夾緊機構(gòu)利用死點，夾緊機構(gòu)5.2.2 曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)可看作曲柄滑塊機構(gòu)可看作由曲柄搖桿機構(gòu)演化由曲柄搖桿機構(gòu)演化而得。而得。ABCDABCeABC轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副D的同性異形演化。的同性異形演化。e = 0, 對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊

17、機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)0,e 對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)曲柄回轉(zhuǎn)中心曲柄回轉(zhuǎn)中心A在過在過C點導(dǎo)路延長線上，稱對心曲柄滑塊機構(gòu)點導(dǎo)路延長線上，稱對心曲柄滑塊機構(gòu)(1) 顯然，曲柄存在條件為：顯然，曲柄存在條件為：a b 即動鉸鏈即動鉸鏈B能通過能通過B1點。點。(2) 曲柄與連桿曲柄與連桿(機架機架)兩次共線位置對應(yīng)滑塊兩個極限位置。兩次共線位置對應(yīng)滑塊兩個極限位置。(3) 曲柄為主動件，滑塊行程曲柄為主動件，滑塊行程 S = 2a，顯然無急回特性。，顯然無急回特性。滑塊為主動件時，傳力角滑塊為主動件時，傳力角 顯然機構(gòu)存在兩個死點顯然機構(gòu)存在兩個死點B1和

18、和B2CBA=曲柄為主動件時，壓力角曲柄為主動件時，壓力角 顯然，顯然， 為保證傳力性能好，推薦為保證傳力性能好，推薦 ，BCA=maxarcsin( )ab=112.53ab 23.5=19.50e減小工作行程壓力角，改善工作行程的傳力性能。減小工作行程壓力角，改善工作行程的傳力性能。(1) 顯然，偏置曲柄滑塊機構(gòu)中曲柄存在條件為：顯然，偏置曲柄滑塊機構(gòu)中曲柄存在條件為：bea偏置曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)ABC即動鉸鏈即動鉸鏈B能通過能通過B1點。點。0e偏置曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)極位夾角211arcsineba偏置曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性偏置曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性12k2arcsi

19、neba222222cossabba121) 1) 曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)4) 4) 導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)2) 2) 定塊機構(gòu)定塊機構(gòu)3)3)擺塊機構(gòu)擺塊機構(gòu)ABCABCABCABC5.2.3 導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)可看作由曲柄滑塊機構(gòu)演化而來導(dǎo)桿機構(gòu)可看作由曲柄滑塊機構(gòu)演化而來ABCABCABC曲柄滑塊曲柄滑塊變換機架變換機架擺塊機構(gòu)擺塊機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)移動副同性異形演化移動副同性異形演化ABCaba b 回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動勻速轉(zhuǎn)動 變速轉(zhuǎn)動變速轉(zhuǎn)動ABabC導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的特點：擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的特點：1、傳動性能好，壓力角、傳動性能好，壓力角0)arcsin(2bamm1801m1802mmk1801802118011kkm急回系數(shù)：急回系數(shù)：M2、有顯著的急回特性、有顯著的急回特性12ab勻速轉(zhuǎn)動勻速轉(zhuǎn)動 往復(fù)擺動往復(fù)擺動A1BCA2 2 1AA急回行程急回行程所用時間為所用時間為 ，對應(yīng)，對應(yīng)22t12AA11t工作行程工作行程所用時間為所用時間為 ，對應(yīng)，對應(yīng)(a 2a 對應(yīng)特定工藝動作要求，四桿機構(gòu)不能實現(xiàn)時，需應(yīng)用多桿機構(gòu)。對應(yīng)特定工藝動作要求，四桿機構(gòu)不能實現(xiàn)時，需應(yīng)用多桿機構(gòu)。例如：要求機構(gòu)有較大行程的往復(fù)移動，且有顯著的急回特性時例如：要求機構(gòu)有較大行程的往復(fù)移動，且有顯著的急回特