第3章平面連桿機構及其設計

1、第三章第三章 平面連桿機構及其設計平面連桿機構及其設計3-1 連桿機構及其傳動特點連桿機構及其傳動特點3-2 平面四桿機構的類型和應用平面四桿機構的類型和應用3-3 有關平面四桿機構的一些基本知識有關平面四桿機構的一些基本知識3-4 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計3-1 連桿機構及其傳動特點連桿機構及其傳動特點應用實例：應用實例：內燃機、鶴式吊、火車輪、急回沖床、牛頭刨床、翻箱機、內燃機、鶴式吊、火車輪、急回沖床、牛頭刨床、翻箱機、橢圓儀、機械手爪、開窗、車門、折疊傘、床、牙膏筒拔管橢圓儀、機械手爪、開窗、車門、折疊傘、床、牙膏筒拔管機、單車等機、單車等特征：特征：有一作平面運動的構件，

2、稱為連桿。有一作平面運動的構件，稱為連桿。特點：特點： 采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損采用低副。面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損 形狀簡單、易加工。形狀簡單、易加工。改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同。連桿曲線豐富?？蓾M足不同要求。連桿曲線豐富?？蓾M足不同要求。構件呈構件呈“桿桿”狀、傳遞路線長。狀、傳遞路線長。缺點：缺點：構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低。產生動載荷（慣性力），不適合高速。產生動載荷（慣性力），不適合高速。難以實現(xiàn)精確的軌跡。難以實現(xiàn)精確的軌跡。分類分類:平面連

3、桿機構平面連桿機構空間連桿機構空間連桿機構常以構件數(shù)命名：常以構件數(shù)命名：四桿機構四桿機構、多桿機構多桿機構。本章重點內容是介紹四桿機構。本章重點內容是介紹四桿機構。3-2 平面四桿機構的類型和應用平面四桿機構的類型和應用1.平面四桿機構的基本型式平面四桿機構的基本型式基本型式鉸鏈四桿機構，其它四桿機構都是由它演變得到的基本型式鉸鏈四桿機構，其它四桿機構都是由它演變得到的名詞解釋：名詞解釋：曲柄曲柄作整周定軸回轉的構件；作整周定軸回轉的構件；三種基本型式：三種基本型式：（1 1）曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構特征：特征：曲柄搖桿曲柄搖桿作用：作用：將曲柄的整周回轉轉變?yōu)閾u桿的往復擺動。如雷達天線。將

4、曲柄的整周回轉轉變?yōu)閾u桿的往復擺動。如雷達天線。連桿連桿作平面運動的構件；作平面運動的構件；連架桿連架桿與機架相聯(lián)的構件；與機架相聯(lián)的構件；搖桿搖桿作定軸擺動的構件；作定軸擺動的構件；周轉副周轉副能作能作360 360 相對回轉的運動副；相對回轉的運動副；擺轉副擺轉副只能作有限角度擺動的運動副。只能作有限角度擺動的運動副。曲柄曲柄連桿連桿搖桿搖桿（2 2）雙曲柄機構雙曲柄機構特征特征：兩個曲柄：兩個曲柄作用：將等速回轉轉變?yōu)樽饔茫簩⒌人倩剞D轉變?yōu)榈人俚人倩蚧蜃兯僮兯倩剞D。如回轉。如慣性篩慣性篩等。等。雷達天線俯仰機構雷達天線俯仰機構曲柄主動曲柄主動ABDC1243ABDC12432143縫紉機

5、踏板機構縫紉機踏板機構搖桿主動搖桿主動3124ABDC1234E6耕地耕地料斗料斗DCAB實例：實例：火車輪火車輪慣性篩機構慣性篩機構特例：特例：平行四邊形機構平行四邊形機構AB = CD特征：特征：兩連架桿等長且平行，連桿作平動兩連架桿等長且平行，連桿作平動香皂成型機。香皂成型機。BC = ADABCD31BCABDC耕地耕地料斗料斗DCAB、攝影平臺攝影平臺ADBC、天平天平、播種機料斗機構播種機料斗機構為避免在共線位置出現(xiàn)運動不確定，為避免在共線位置出現(xiàn)運動不確定，采用兩組機構錯開排列。采用兩組機構錯開排列。反平行四邊形機構反平行四邊形機構-車門開閉機構車門開閉機構反向反向AEDGBFC

6、ABEFDCGABDCE（3 3）雙搖桿機構雙搖桿機構特征：特征：兩個搖桿兩個搖桿應用舉例：應用舉例：鑄造翻箱機構鑄造翻箱機構特例：特例：等腰梯形機構汽車轉向機構等腰梯形機構汽車轉向機構、風扇搖頭機構風扇搖頭機構ABDCBCABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿電機電機電機電機ABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿電機電機ABDC風扇座風扇座蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿ABDCEABDCE2.2.平面四桿機構的演化型式平面四桿機構的演化型式(1) (1) 改變構件的形狀和運動尺寸改變構件的形狀和運動尺寸偏心曲柄滑塊機構偏心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構對心曲柄滑塊機構曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構曲柄滑塊機構曲柄滑塊

7、機構雙滑塊機構雙滑塊機構 正弦機構正弦機構ss=l sin (2)(2)改變運動副的尺寸改變運動副的尺寸(3)(3)選不同的構件為機架選不同的構件為機架偏心輪機構偏心輪機構導桿機構導桿機構314A2BC314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構擺動導桿機構擺動導桿機構轉動導桿機構轉動導桿機構小型刨床小型刨床牛頭刨床牛頭刨床應用實例應用實例ABDCE123456ABDC1243C2C1(3)(3)選不同的構件為機架選不同的構件為機架搖塊機構搖塊機構314A2BC導桿機構導桿機構314A2BC314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構ACB1234應用實例應用實例B234C1A自卸卡車舉升機構自卸卡車舉升

8、機構應用實例應用實例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(3)(3)選不同的構件為機架選不同的構件為機架搖塊機構搖塊機構314A2BC導桿機構導桿機構314A2BC314A2BC曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構314A2BC直動滑桿機構直動滑桿機構手搖唧筒手搖唧筒這種通過選擇不同構件作為機架以獲得不同機構的方法稱為：這種通過選擇不同構件作為機架以獲得不同機構的方法稱為：-機構的倒置機構的倒置BC3214AABC3214(4)(4)運動副元素的逆換運動副元素的逆換將低副兩運動副元素的包容關系進行逆換，不影響兩將低副兩運動副元素的包容關系

9、進行逆換，不影響兩構件之間的相對運動。構件之間的相對運動。橢圓儀機構橢圓儀機構例：選擇雙滑塊機構中的不同構件例：選擇雙滑塊機構中的不同構件 作為機架可得不同的機構作為機架可得不同的機構導桿機構導桿機構搖塊機構搖塊機構正弦機構正弦機構32141234432132143-3 有關平面四桿機構的一些基本知識有關平面四桿機構的一些基本知識1.1.平面平面四桿機構四桿機構有曲柄的條件有曲柄的條件設設adadad，同理有：，同理有： da, db, dcabdcCBADB”C”則由則由BCD可得：可得：三角形任意兩邊之和大于第三邊則由則由B”C”D可得：可得：a+db+cc(d-a)+ b即即: a+bd

10、+c即即: a+cd+bAB為最短桿為最短桿AD為最短桿為最短桿ad中必有一個是機架最長桿與最短桿的長度之和其他兩桿長度之和cbd-a2.連架桿或機架之一為最短桿。連架桿或機架之一為最短桿?？芍寒敐M足桿長條件時，其最短桿參與構成的轉動可知：當滿足桿長條件時，其最短桿參與構成的轉動副都是周轉副副都是周轉副。曲柄存在的條件：曲柄存在的條件：1. 最長桿與最短桿的長度之和應最長桿與最短桿的長度之和應其他兩桿長度之和其他兩桿長度之和此時，鉸鏈此時，鉸鏈A為周轉副。為周轉副。若取若取BC為機架，則結論相同，可知鉸鏈為機架，則結論相同，可知鉸鏈B也是周轉副。也是周轉副。ABCDabcd 稱為稱為桿長條件

11、桿長條件。 當滿足桿長條件時，說明存在周轉副，當選擇不同的當滿足桿長條件時，說明存在周轉副，當選擇不同的構件作為機架時，可得不同的機構。如：構件作為機架時，可得不同的機構。如：曲柄搖桿曲柄搖桿、 雙曲柄雙曲柄、 雙搖桿機構雙搖桿機構。ABCD2.2.急回運動和行程速比系數(shù)急回運動和行程速比系數(shù)在在曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構中，當曲柄與連桿兩次共線時，搖桿中，當曲柄與連桿兩次共線時，搖桿位于兩個極限位置，簡稱極位。位于兩個極限位置，簡稱極位。當曲柄以當曲柄以逆時針轉過逆時針轉過180180+時，搖桿從時，搖桿從C1D位置擺到位置擺到C2D。所花時間為所花時間為t1 , , 平均速度為平均速度為V1

12、, ,那么有：那么有：/ )180(1t1211tCCV )180/(21CC曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構3DB1C1AD此兩處曲柄之間的夾角此兩處曲柄之間的夾角 稱為稱為極位夾角極位夾角。C2B2180180當曲柄以當曲柄以繼續(xù)轉過繼續(xù)轉過180180-時，搖桿從時，搖桿從C2D,置擺到置擺到C1D，180180-B1C1ADC2B2180180所花時間為所花時間為t2 , ,平均速度為平均速度為V2 , ,那么有：那么有： 12VVK 180180/ )180(2t因曲柄轉角不同，故搖桿來回因曲柄轉角不同，故搖桿來回擺動的時間不一樣，平均速度擺動的時間不一樣，平均速度也不等。也不等。并且：并且

13、：t t1 1 tt2 2 V V2 2 V V1 1搖桿的這種特性稱為搖桿的這種特性稱為急回運動急回運動。用以下比值表示急回程度：。用以下比值表示急回程度：21tt稱稱K為為行程速比系數(shù)行程速比系數(shù)。2212tCCV )180/(21CC122121tCCtCC且且越大，越大，K值越大，急回性質越明顯。值越大，急回性質越明顯。只要只要 0 ， 就有就有 KK1所以可通過分析機構中是否存在以及的大小來判斷機構是否有急回運動或運動的程度。曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構的急回特性的急回特性應用：應用：空行程節(jié)省運動時間，如空行程節(jié)省運動時間，如牛頭刨牛頭刨、往復式輸送機等。、往復式輸送機等。180180

14、180180-導桿機構導桿機構的急回特性的急回特性180180180180-思考題：思考題： 對心曲柄滑塊機構的急回特性如何？對心曲柄滑塊機構的急回特性如何？11180KK:180180可得由K對于需要有急回運動的機構，常常是根據(jù)需要的行程速比系數(shù)K, 先求出 ，然后在設計各構件的尺寸。PPt PnABCDminmin出現(xiàn)的位置：出現(xiàn)的位置：3. .四桿機構的壓力角與傳動角四桿機構的壓力角與傳動角切向分力切向分力: : P Pt t= Pcos= Pcos法向分力法向分力: : P Pn n= Pcos= Pcos P Pt t可用可用的大小來表示機構傳動力性能的好壞的大小來表示機構傳動力性能

15、的好壞, ,對傳動有利對傳動有利。為了保證機構良好的傳力性能，設計時要求為了保證機構良好的傳力性能，設計時要求: :當當BCD90BCD90時，時，BCDBCD當當BCD90BCD90時，時，當當BCDBCD最小或最大時，最小或最大時，都有可能出現(xiàn)都有可能出現(xiàn)minmin此位置一定是：此位置一定是：= Psin= Psin稱稱為為傳動角傳動角minmin5050 180180- BCD- BCDCDBAP主動件與機架共線兩處之一。主動件與機架共線兩處之一。由余弦定律有：由余弦定律有： B B1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/

16、2bc/2bc B B2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc/2bc若若B B1 1C C1 1D90D90, ,則則若若B B2 2C C2 2D90D90, , 則則1 1BB1 1C C1 1D D2 2180180-B-B2 2C C2 2D D機構的傳動角一般在運動機構的傳動角一般在運動鏈最終一個從動件上度量。鏈最終一個從動件上度量。車門車門vC2B21 1C1B1abcdminminBB1 1C C1 1D, 180D, 180-B-B2 2C C2 2DDminmin2 2P4. .四桿機構的死點四桿機構的死

17、點搖桿為主動件，搖桿為主動件，且連桿與且連桿與曲柄兩次共線曲柄兩次共線時時，有：，有：此時此時機構不能運動機構不能運動. .避免措施：避免措施： 兩組機構錯開排列，如兩組機構錯開排列，如火車輪機構火車輪機構; ;P稱此位置為：稱此位置為：“死點死點”0 0靠靠飛輪的慣性飛輪的慣性（如內然機、縫紉機等）。（如內然機、縫紉機等）。AEDGBFCABEFDCGABCD1234P鉆孔夾具鉆孔夾具也可以利用死點進行工作也可以利用死點進行工作： 起落架、鉆夾具等起落架、鉆夾具等。工件工件ABCD1234工件工件P=0=0TABDC飛機起落架飛機起落架ABCDF=0=05. .鉸鏈四桿機構的運動連續(xù)性鉸鏈四

18、桿機構的運動連續(xù)性指連桿機構能否連續(xù)實現(xiàn)給定的各個位置。指連桿機構能否連續(xù)實現(xiàn)給定的各個位置?？尚杏颍嚎尚杏颍簱u桿的運動范圍。搖桿的運動范圍。不可行域：不可行域：搖桿不能達到的區(qū)域。搖桿不能達到的區(qū)域。設計時不能要求從一個可行域跳過不可行域進入另一個可行域。設計時不能要求從一個可行域跳過不可行域進入另一個可行域。稱此為稱此為錯位不連續(xù)錯位不連續(xù)。錯序不連續(xù)錯序不連續(xù)設計連桿機構時，應滿足運動連續(xù)性條件。設計連桿機構時，應滿足運動連續(xù)性條件。DAB1C1B2C2B3C3DAB1C1B3C3B2C2CC1C2C1C2CADB3-4 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計 1.連桿機構設計的基本問題連

19、桿機構設計的基本問題2. 用解析法設計四桿機構用解析法設計四桿機構3.用作圖法設計四桿機構用作圖法設計四桿機構3.2按兩連架桿三組對應位置設計四桿機構按兩連架桿三組對應位置設計四桿機構3.1按預定連桿位置設計四桿機構按預定連桿位置設計四桿機構3.3按連桿上任意標志線的三組對應位置設計四桿機構按連桿上任意標志線的三組對應位置設計四桿機構3.4按給定的行程速比系數(shù)按給定的行程速比系數(shù)K設計四桿機構設計四桿機構3-4 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計 1.連桿機構設計的基本問題連桿機構設計的基本問題 機構選型機構選型根據(jù)給定的運動要求選擇機構的類型；根據(jù)給定的運動要求選擇機構的類型；尺度綜合尺度

20、綜合確定各構件的尺度參數(shù)確定各構件的尺度參數(shù)(長度尺寸長度尺寸)。 同時要滿足其他輔助條件：同時要滿足其他輔助條件：a)結構條件結構條件（如要求有曲柄、桿長比恰當、運動副結構合理等）（如要求有曲柄、桿長比恰當、運動副結構合理等）;b)動力條件（如動力條件（如minmin）;c)運動連續(xù)性條件等。運動連續(xù)性條件等。三類設計要求：三類設計要求：1)滿足預定的運動規(guī)律，兩連架桿轉角對應，如牛頭刨。滿足預定的運動規(guī)律，兩連架桿轉角對應，如牛頭刨。2)滿足預定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機構。滿足預定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機構。3)滿足預定的軌跡要求，如鶴式起重機、攪拌機等。滿足預定的軌跡要求，如鶴式

21、起重機、攪拌機等。2.用作圖法設計四桿機構用作圖法設計四桿機構2.1按預定連桿位置設計四桿機構按預定連桿位置設計四桿機構a)給定連桿兩組位置給定連桿兩組位置有唯一解。有唯一解。c )給定連桿四組位置給定連桿四組位置B1C1B2C2AD將鉸鏈將鉸鏈A、D分別選在分別選在B1B2，C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿連線的垂直平分線上任意位置都能滿足設計要求。足設計要求。b)給定連桿上鉸鏈給定連桿上鉸鏈BC的三組位置的三組位置有唯一解，但設計復雜，不討論。有唯一解，但設計復雜，不討論。有無窮多組解。有無窮多組解。ADB1C1B2C2B3C3AD2.2按給定的行程速比系數(shù)按給定的行程速比系數(shù)K設計四桿機構設計四桿機構a) 曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構計算計算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);已知已知：CD桿長，擺角桿長，擺角及及K，設計，設計此機構。步驟如下：此機構。步驟如下：任取一點任取一點D D，作等腰三角形腰長，作等腰三角形腰長 為為CDCD，夾角為，夾角為;作作C2PC1C2，作，作C1P使使作作P P C1C2的外接圓，則的外接圓，則A A點必在此圓上。點必在此圓上。選定選定A A，設曲柄為，設曲柄為a a，連桿為，連