第三講-平面連桿機構

1、機械設計基礎 何俊 馮鑒 范志勇 西南交通大學機械工程系平面連桿機構第三章 機械設計基礎第三章 平面連桿機構3.1 概述3.2 四桿機構的基本形式及其演化3.3 四桿機構的工作特性3.4 平面四桿機構的設計機械設計基礎第一節(jié) 概述一、連桿機構 Linkages用低副連接的機構123ABC4機架連桿coupler 連架桿A1B2C3D4四桿機構* four-bar linkage mechanism五桿機構六桿機構二、連桿機構的類型 空間連桿機構、平面連桿機構機械設計基礎第一節(jié) 概述優(yōu)點：缺點：1.能夠實現(xiàn)多種運動形式的轉換，也可以實現(xiàn)各種預定的運動規(guī)律和復雜的運動軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動作要

2、求；2.構件間接觸面上的比壓小、易潤滑、磨損輕、適用于傳遞較大載荷的場合；3.機構中運動副的元素形狀簡單、易于加工制造和保證精度。1.只能近似地滿足給定的運動規(guī)律和軌跡要求，且設計比較復雜；2. 運動構件產(chǎn)生的慣性力難以平衡，高速時會引起較大的振動，因此常用于速度較低的場合。 機械設計基礎三、連桿機構的傳動特點四、學科研究現(xiàn)狀 運動副易加工，承載能力大，易潤滑，不易磨損； 連桿上點的運動軌跡多樣化； 運動副累積誤差大，效率低； 慣性力難以平衡，不宜用于高速； 準確設計難；單自由度多自由度；四桿多桿；運動學設計運動學+動力學設計；優(yōu)化設計+計算機輔助設計；平面連桿機構+空間連桿機構。第一節(jié) 概述

3、機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化一、平面四桿機構的組成要素鉸鏈四桿機構 four-bar mech結構特點：四個運動副均為轉動副鉸鏈四桿機構的組成AD：（固定構件）機架 A1B2C3D4AB、CD：連架桿 曲柄：能做整周回轉的連架桿（狹義曲柄） 搖桿：只能在一定范圍內擺動連架桿BC：連桿 運動副 周轉副：組成轉動副的兩構件能整周相對轉動 擺轉副：組成轉動副的兩構件不能作整周相對轉動 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。名詞解釋：曲柄作整周定軸回轉的構件；連桿作平面運動的構件；連架桿與機架相聯(lián)的構件；搖桿作定軸擺動的構件；周轉副能作3600

4、相對回轉的運動副；擺轉副只能作有限角度擺動的運動副。曲柄連桿搖桿機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化二、四桿機構的功能 靠連架桿實現(xiàn)給定的運動規(guī)律（或傳動函數(shù)）傳動機構 靠非連架桿實現(xiàn)給定的剛體位置和剛體上點的軌跡導引機構機械設計基礎三、四桿機構的基本形式運動變換：轉動擺動結構特點：構件1為曲柄，構件3為搖桿應用實例：雷達天線機構、縫紉機腳踏板機構、輸送機構等雷達天線機構A1B2C3D4縫紉機踏扳機構 曲柄搖桿機構 Crank-rocker Mechanism第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化 2、雙曲柄機構 double crank m

5、echanism 振動篩機構結構特點：二連架桿均為曲柄應用實例：慣性振動篩運動變換：轉動轉動 通常二轉速不相等機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化特例1：平行四邊形機構平行四邊形機構運動不確定問題特點：二曲柄等速應用1火車牽引機構應用2自動搬運車貨物搬運機構（叉車）應用3裝載機Solution:1、在從動曲柄上加飛輪。 2、錯位排列 機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化特例2：反平行四邊形機構車門開閉機構特點：二曲柄轉向相反機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化結構特點：二連架桿均為搖桿3. 雙搖桿機構 double rocker mechanism應用實例：1、鑄

6、造用大型造型機的翻箱機構 運動變換：擺動擺動實例動畫2、翻臺機構 機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化汽車前輪轉向機構應用實例：基本型鉸鏈四桿機構： 曲柄搖桿機構 雙曲柄機構 平行四邊形機構 反平行四邊形機構 雙搖桿機構 等腰梯形機構特例等腰梯形機構機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化四、四桿機構的演化型式1、改變運動副的尺寸對心式曲柄滑塊機構1B24AC3h=2lAB偏心輪機構 eccentric mechanism4C231BA B副擴大機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化3D3Dr1B2C34AD1B2C4A鉸鏈四桿機構曲線導軌曲柄滑塊機構變3構件形狀r e

7、 01B24AC31B24AC3e對心式曲柄滑塊機構 slider-crank mechanism偏置式曲柄滑塊機構 offset S-C2、改變構件形狀和運動尺寸機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化3、選不同構件作機架機構倒置A41A4曲柄滑塊機構1B2C32作機架3B2C曲柄搖塊機構 液壓作動筒車箱舉升機構動畫機械設計基礎第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化1BA21BA2AA41B2C3曲柄滑塊機構1B24C3直動滑桿機構 prismatic guide mech.C41BA21BA21BA23手動唧筒機構3作機架應用機械設計基礎C234A41B2C3曲柄滑塊機構作機架 A41B

8、2C3導桿機構C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234C234轉動導桿機構 whitworth mech.lBC lAB，導桿AC整周轉動C234C234C234C234AB123C4lBC lAB，導桿AC擺動擺動導桿機構 crank shaper mech.AB1第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化機械設計基礎4AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB324AB321B321B4A32正弦機構4A1B321B321B321B321B321B321B321B321B321B

9、321B321B321 作機架1雙轉塊機構 double slider mech.十字滑塊聯(lián)軸器半聯(lián)軸器4十字滑塊3半聯(lián)軸器2應用：縫紉機刺布機構第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化機械設計基礎14AD23作機架雙搖桿機構34A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B4A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B24A1B32正弦機構3 作機架雙滑塊機構曲柄搖桿機構4AD1234AD1231作機架雙曲柄機

10、構4AD23作機架曲柄搖桿機構橢圓規(guī)實例第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化機械設計基礎4、運動副元素的逆換23C4AB123C4AB1 3, 4包容 關系互換擺動導桿機構曲柄搖塊機構四桿機構的演化： 1 .改變構件形狀和運動尺寸； 2 .改變運動副的尺寸； 3 . 選不同構件作機架； 4 .運動副元素逆換。 不同類型的四桿機構，其傳遞和變換運動的特點不同，傳遞和變換力的特性不同。正確選擇平面四桿機構的類型，可以達到不同的運動和力的傳遞和變換的要求。第二節(jié) 四桿機構的基本形式及其演化機械設計基礎第三節(jié) 四桿機構的工作特性不同的四桿機構具有不同的運動特性和傳力特性；同一種四桿機構，不同的運動尺寸具

11、有不同的運動和傳力特性。一運動特性1、廣義曲柄定義2、狹義曲柄定義機構中能對相連的構件作周轉的構件（曲柄不一定是連架桿）能做整周回轉的連架桿實例：搖頭風扇機械設計基礎3、狹義曲柄存在條件CBC”B”ABCDabcd設adB過B:B過B:a+db+c即 a+bd+c b(d-a)+c或 c(d-a)+b即 a+cd+b 得：ab, ac, ad, 即a最短；設d t2 , v2 v1 急回特性 行程速比系數(shù)K advance-to return-time ratio急回特性的應用例插床的主運動機構慢快K=1, 無急回特性牛頭刨工作要求5、急回特性 quick-return characteris

12、tics 或！實物動畫第三節(jié) 四桿機構的工作特性運動特性機械設計基礎第三節(jié) 四桿機構的工作特性運動特性3BC21C1C23BC213B21C23B1C3BC213BC212C3B13BC213BC213BC213BC213BC213BC2133BC23B21C2C3B13BC2113BC23BC213BC213BC213BC213BC21B213C23B1C3BC24ADC2C13可行域可行域非可行域非可行域 從動件運動可行域及非可行域 從動件運動連續(xù)性要求不可能在非可行域運動；不可能從一個可行域躍入另一個可行域。 可行域與桿長有關 可行域的確定rmax = lAB + lBCrmin = l

13、BC - lABrmaxrmin6、運動連續(xù)性 continuity of motion機械設計基礎1、傳動角和壓力角 pressure/transmission angle 衡量機構傳力性能好壞的標準：輸出同樣的功率，機構運動副中傳遞的力（運動副的反力）應當最??；當不計構件質量和運動副摩擦時，用傳動角來衡量。”CBC”B”ABCDabcd作用在從動件CD上受力點C的力為P。P正交分解為Pt 和Pn，壓力角：輸出件的受力方向與受力點的速度方向的所夾的銳角。 Pt =Pcos = Psin Pn =Psin = Pcos 傳動角：輸出件的受力方向與受力點到其轉動中心連線所夾的銳角。 + =90第

14、三節(jié) 四桿機構的工作特性傳力特性機械設計基礎第三節(jié) 四桿機構的工作特性傳力特性機構的傳力性能要求：minmin可能出現(xiàn)的位置：曲柄與機架共線。重疊共線時：拉直共線時：或對偏置曲柄滑塊機構：maxminaBbACeb)bmin1機械設計基礎maxminaBbACeb)aBbACa)Abb minmin問題討論：標出下列機構在圖示位置的壓力角傳動及最小傳動角min.d)aCABb 00; 900.e)e) 00; 900.第三節(jié) 四桿機構的工作特性傳力特性機械設計基礎2、死點 dead point 死點：機構運動時出現(xiàn)傳動角=00 的位置。在此處，主動件不能驅動機構。B1C1B2C24ABCD23

15、1=00=00BACB1C=00C2B2=00 克服死點的措施 利用慣性力 相同機構錯位排列GGEFEF蒸汽機車車輪聯(lián)動機構第三節(jié) 四桿機構的工作特性傳力特性機械設計基礎1、飛機起落架機構=002、折疊家具機構=00 死點的利用實體動畫3、夾具夾緊機構第三節(jié) 四桿機構的工作特性傳力特性機械設計基礎第四節(jié) 四桿機構的設計按行程速比系數(shù)K設計1、工程要求：設計滿足給定的行程速比系數(shù)K的四桿機構，給定搖桿長，從動件行程2、要點：掌握極位夾角及其與K的關系3、思路：A, C1, C2三點所在圓和 角之關系。900- 4、問題A C1, AC2, AB, BC長度 關系。AC1=BC-ABAC2=BC+

16、ABAB=(AC2-AC1)2根據(jù)條件，只有D, C1, C2確定，A點待定。如何確定A點?B1C11B2C24ABCD231oA機械設計基礎r=B2C2r=EF900- 5、作圖方法 B2C2o已知：LCD, , K。求：曲柄搖桿機構其它三桿長度LAB, LBC, LAD。比例尺C1DAEFBC未知桿長lAB = AB ul mmlBC = BC ul mmlAD = AD ul mm 6、問題討論 無其它條件，有無窮多解； 有其它條件，如最小傳動角 要求時，要檢驗最小傳動角。 無窮多解為簡單解析計算提供了機會。如確定A點一個特殊位置，用AC1C2求解。第四節(jié) 四桿機構的設計按行程速比系數(shù)K

17、設計機械設計基礎第四節(jié) 四桿機構的設計按兩連架桿的位置設計1、 工程要求：實現(xiàn)兩連架桿的一系列對應位置。即，已知機架長lAD和兩連架桿對應位置，設計四桿機構（求其它三桿長）問題。2、 方法：反轉法ABCDABCD轉化機構，使DC成為機架，成為剛體導引。倒置123123-12-13B3b3B2b2B1b1e3C3e2e1C2C1AD3、 設計思路先自定一動鉸鏈B或連架桿AB的長度。已知二固定鉸鏈和一個活動鉸鏈B，求另一活動鉸鏈C。機械設計基礎第四節(jié) 四桿機構的設計按兩連架桿的位置設計dB1B2B3C1ADB2B3b12b23123123a4、 圖解法機械設計基礎未知桿長lBC = lB1C1 mlCD = lC1D m 問題討論 給定AB桿后只有確定解； 兩組對應位置問題無窮多解，可加其它條件; 四組對應位置問題干桿AB不能任意給定。 注意問題 二連架