第三章連桿機(jī)構(gòu)

第三章連桿機(jī)構(gòu)13.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化3.2平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.3平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計23.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個剛性構(gòu)件用低副連接而成的機(jī)構(gòu)，也稱平面低副機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)——構(gòu)件通過運(yùn)動副構(gòu)成的確定相對可動的系統(tǒng)，且這個系統(tǒng)中具有一個固定構(gòu)件。運(yùn)動副——按照接觸形式有高副和低副之分。連桿機(jī)構(gòu)——若干構(gòu)件全部用低副連接組成的機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)——各構(gòu)件都在同一平面內(nèi)運(yùn)動的連桿機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)的含義33.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化內(nèi)燃機(jī)43.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化抽油機(jī)53.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的特點機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副均為低副，故又稱低副機(jī)構(gòu)。構(gòu)件運(yùn)動形式及連桿曲線具有多樣性。不易精確實現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律，且設(shè)計較為復(fù)雜；運(yùn)動鏈長，累積誤差大，效率低；面接觸，應(yīng)力分散，承載能力高，可用來傳遞較大的力接觸面為圓柱面或平面，制造簡單，兩構(gòu)件連接可靠優(yōu)點：缺點：減少磨損，便于潤滑高速運(yùn)轉(zhuǎn)時動平衡比較困難2023年2月3日——由轉(zhuǎn)動副組成的四桿機(jī)構(gòu)。連架桿：直接與機(jī)架相連的構(gòu)件連架桿連桿連架桿曲柄：能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿搖桿：不能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿連桿：不直接與機(jī)架相連的構(gòu)件機(jī)架：

固定構(gòu)件構(gòu)件擺轉(zhuǎn)副(擺動副)：轉(zhuǎn)動副連接的構(gòu)件不能整周相對運(yùn)動整轉(zhuǎn)副：轉(zhuǎn)動副連接的構(gòu)件能整周相對運(yùn)動轉(zhuǎn)動副3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄或搖桿均指的是連架桿，而非連桿！2023年2月3日鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)——曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：

特點：轉(zhuǎn)動擺動兩連架桿分別為曲柄和搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化2023年2月3日曲柄搖桿機(jī)構(gòu)——實例：3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化攪拌機(jī)雷達(dá)調(diào)整機(jī)構(gòu)2023年2月3日曲柄搖桿機(jī)構(gòu)——實例：3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)2023年2月3日鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)——雙曲柄機(jī)構(gòu)：

特點：轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化主動曲柄作等速轉(zhuǎn)動，從動曲柄作變速轉(zhuǎn)動。2023年2月3日雙曲柄機(jī)構(gòu)——實例：3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化慣性篩機(jī)構(gòu)2023年2月3日雙曲柄機(jī)構(gòu)特例1：平行四邊形機(jī)構(gòu)3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)車車輪

連桿與機(jī)架的長度相等、兩曲柄長度相等且轉(zhuǎn)向和角速度相同的平行四邊形機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的從動曲柄與主動曲柄轉(zhuǎn)速相同，連桿作平動。2023年2月3日雙曲柄機(jī)構(gòu)特例1：平行四邊形機(jī)構(gòu)3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化攝影平臺升降機(jī)構(gòu)2023年2月3日雙曲柄機(jī)構(gòu)特例2：反平行四邊形機(jī)構(gòu)3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化

連桿與機(jī)架長度相等但不平行、兩曲柄長度相等但轉(zhuǎn)向相反的反平行四邊形機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的從動曲柄與主動曲柄變速相同，連桿作平面運(yùn)動。反平行四邊形機(jī)構(gòu)車門開閉機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)——雙搖桿機(jī)構(gòu)：

特點：擺動擺動兩連架桿都為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化主動搖桿作等速擺動，從動搖桿作變速擺動。2023年2月3日雙搖桿機(jī)構(gòu)——實例：3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化鶴式起重機(jī)造型機(jī)翻箱機(jī)構(gòu)173.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化——2023年2月3日12123對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動副變?yōu)橐苿痈逼们瑝K機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)123e：偏距183.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化——2023年2月3日偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)

正弦機(jī)構(gòu)搖桿變?yōu)榛瑝K，滑槽弧半徑為搖桿長度時滑槽弧半徑為無窮大時滑道與曲柄鉸鏈共線搖桿變?yōu)榛瑝K，滑槽弧半徑為連桿長度時滑槽弧半徑為無窮大時將轉(zhuǎn)動副變?yōu)橐苿痈?93.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化——取不同構(gòu)件為機(jī)架2023年2月3日選取不同構(gòu)件作為機(jī)架，得到不同形式的機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)203.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)含有1個移動副的四桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)213.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)含有1個移動副的四桿機(jī)構(gòu)223.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)含有1個移動副的四桿機(jī)構(gòu)牛頭刨床233.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)含有1個移動副的四桿機(jī)構(gòu)243.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)含有1個移動副的四桿機(jī)構(gòu)253.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日正弦機(jī)構(gòu)含有兩個移動副的四桿機(jī)構(gòu)曲柄1通過導(dǎo)塊2使導(dǎo)桿3作往復(fù)移動。導(dǎo)桿3的動程等于兩倍曲柄長度，

y=l1sinφ縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu)263.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日正切機(jī)構(gòu)含有兩個移動副的四桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿1在一個范圍內(nèi)擺動，桿3作直線移動：

y=l1tgφl1y273.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化平面連桿機(jī)構(gòu)的演化2023年2月3日雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)含有兩個移動副的四桿機(jī)構(gòu)主動轉(zhuǎn)塊1等速轉(zhuǎn)動，從動轉(zhuǎn)塊3也作等速轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)向相同。十字溝槽聯(lián)軸節(jié)283.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件dabcADc2c1B2B1a+d≤b+c

b≤(d-a)+c即a+b≤c+dc≤(d-a)+b即a+c≤b+d

a≤b，a≤c

，a≤d

當(dāng)則桿1通過AB1關(guān)鍵位置。當(dāng)則桿1通過AB2關(guān)鍵位置。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件dacb2134ADC2C1B2B1a+d≤b+c

b≤(d-a)+c即a+b≤c+dc≤(d-a)+b即a+c≤b+d

a≤b，a≤c

，a≤d

當(dāng)則桿1通過AB1關(guān)鍵位置。當(dāng)則桿1通過AB2關(guān)鍵位置。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件dacb2134ADC2C1B2B1a+d≤b+c

b≤(d-a)+c即a+b≤c+dc≤(d-a)+b即a+c≤b+d

a≤b，a≤c

，a≤d

當(dāng)則桿1通過AB1關(guān)鍵位置。當(dāng)則桿1通過AB2關(guān)鍵位置。313.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件結(jié)論（轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副的條件）：最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿之和組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度滿足桿長條件時，有最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副，其余轉(zhuǎn)動副為擺動副。323.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件1）如果：lmin+lmax≤其它兩桿長度之和

——滿足曲柄存在的條件（滿足桿長和條件）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型與尺寸之間的關(guān)系：以最短桿的相鄰構(gòu)件為機(jī)架，此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；以最短桿為機(jī)架，則此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；以最短桿的對邊為機(jī)架，此機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。2）如果：lmin+lmax＞其它兩桿長度之和——不滿足曲柄存在的條件，

則不論選哪個構(gòu)件為機(jī)架，都為雙搖桿機(jī)構(gòu)。333.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件

例1已知鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD，其中a240mm，b600mm，c400mm,d=500mm。試問：（1）當(dāng)取桿4為機(jī)架時，是否有曲柄存在？（2）若各桿長度不變，能否以選不同桿為機(jī)架的辦法獲得雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)？（3）若1、2、3三桿的長度保持不變，取桿4為機(jī)架，要獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，d的取值范圍如何？343.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念1.平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件353.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性B2C2B1C1當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時，搖桿處于兩極限位置。A21C34BD擺角極位夾角以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例擺角ψ：搖桿在兩極限位置間的夾角(∠C1DC2)。曲柄在搖桿處于兩極限位置時所夾的補(bǔ)角(∠C1AC2)。極位夾角θ：363.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性B2C2B1C1A21C34BD當(dāng)擺桿從DC2

DC1，曲柄從AB2

AB1轉(zhuǎn)過的角度對應(yīng)的時間搖桿點C的平均速度373.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性B2C2B1C1A21C34BD擺桿:DC2

DC1轉(zhuǎn)過的角度對應(yīng)的時間搖桿點C的平均速度DC1

DC2故:

v2>v1機(jī)構(gòu)工作件返回行程速度大于工作行程速度的特性——急回特性3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性行程速比系數(shù)K為了表示工作件往復(fù)運(yùn)動時的急回程度，用V2和V1的比值K來描述：由上式可得：可見：θ↑K↑急回特性越顯著——導(dǎo)致機(jī)器動載↑沖擊↑3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性

3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念2.平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性畫出圖中各個機(jī)構(gòu)的極位夾角2023年2月3日3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念

已知偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏距為e=10，曲柄與連桿長度分別為AB=15、BC=45，求作該機(jī)構(gòu)的極位夾角和滑塊行程H。

1015452023年2月3日壓力角—作用在從動件上的力的方向與著力點速度方向所夾銳角。FF

FVABDC有效分力FFcosFsin

徑向壓力F

Fsin=Fcos

連桿機(jī)構(gòu)中，壓力角是衡量機(jī)構(gòu)傳力性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。且壓力角越大，對機(jī)構(gòu)的傳動越不利。傳動過程中，壓力角是不斷變化的,而不是常量。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性FF

FVABDC有效分力FFcosFsin

徑向壓力F

Fsin=Fcos

3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性傳動角

—壓力角的余角，亦即連桿與從動件所夾的銳角。連桿機(jī)構(gòu)中，常用傳動角的大小及變化情況來衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的優(yōu)劣。且傳動角越大，對機(jī)構(gòu)的傳動越有利。傳動過程中，傳動角是不斷變化的,而不是常量。2023年2月3日傳動角出現(xiàn)極值的位置及計算C1B1abcdDA12傳動角總?cè)′J角B2C23.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性余弦定理：2023年2月3日

最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架共線的位置，且min=min（1，2）為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性能，設(shè)計時通常要求min

40o；對于高速和大功率傳動機(jī)械，min

50o。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性2023年2月3日3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性曲柄連桿機(jī)構(gòu)的最小傳動角2023年2月3日

死點(Deadpoint)位置F

=0

連桿與曲柄在兩個共線位置時，主動件搖桿通過連桿作用于從動件曲柄上的力F通過其回轉(zhuǎn)中心，0，曲柄不能轉(zhuǎn)動。

不管在主動件上作用多大的驅(qū)動力，都不能在從動件上產(chǎn)生有效分力的機(jī)構(gòu)位置，稱為機(jī)構(gòu)的死點位置。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性2023年2月3日如何使機(jī)構(gòu)順利通過死點位置？

利用飛輪慣性對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，可采用裝飛輪(flywheel)加大慣性的方法，利用從動件的慣性闖過死點。如縫紉機(jī)角踏板機(jī)構(gòu)中，從動曲柄軸上安裝了兼有飛輪作用的大帶輪，可利用慣性通過死點。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性利用慣性(inertia)通過死點2023年2月3日如何使機(jī)構(gòu)順利通過死點位置？將兩組以上的機(jī)構(gòu)組合起來，使各組機(jī)構(gòu)的死點相互錯開排列。如蒸汽機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)，兩側(cè)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄位置相互錯開90o。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性機(jī)構(gòu)錯位排列2023年2月3日利用死點位置飛機(jī)起落架鉆孔夾具ABCDFF

03.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念3.平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性工件ABCD1234工件P畫出圖中各個機(jī)構(gòu)的壓力角2023年2月3日3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件和幾個基本概念圖示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知

，lBC=45mm,lCD=35mm,lAD=30mm,AD為固定構(gòu)件。試分析:①若此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，且AB為曲柄，求lAB的范圍；

②若此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，求lAB的范圍；

③若此機(jī)構(gòu)為能不能獲得雙搖桿機(jī)構(gòu)，如果能，求lAB的范圍。④若lAB=15mm,則該機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K、極位夾角，最小傳動角分別為多少（圖解法）3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題根據(jù)給定的要求選定機(jī)構(gòu)的型式，確定各構(gòu)件的尺寸，同時還要滿足結(jié)構(gòu)條件、動力條件和運(yùn)動連續(xù)條件等。（1）滿足預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律的要求即滿足兩連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置要求滿足給定行程速比系數(shù)K的要求等。3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題（2）滿足預(yù)定的連桿位置要求即要求連桿能占據(jù)一系列預(yù)定位置。

即要求在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，連桿上某些點的軌跡能滿足預(yù)定的軌跡要求。（3）滿足預(yù)定的軌跡要求圖解法、解析法和實驗法。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法有：3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計1.全等三角形法（反轉(zhuǎn)法）已知:機(jī)架長度d和兩連架桿三組對應(yīng)位置。③繞D

將△B2E2D旋轉(zhuǎn)φ1

－φ2得B’2點，如右上圖。設(shè)計步驟：⑥由B’1

B’2B3

三點求圓心C3

。④同理，連接B3E3、DB3得△B3E3D⑤將△B3E3D繞D旋轉(zhuǎn)φ1－φ3得B’3點，如左下圖。α2B2φ2E2α1B1

φ1E1AdDB3α3φ3E3B’2B’3C1C2B3C3α2B2φ2E2α1B1

φ1E1AdDB3α3φ3E3B’2B’3①任意選定構(gòu)件AB的長度B’2α2B2φ2E2α1B1

φ1E1AdDB3α3φ3E3②連接B2E2、DB2,得△B2E2D3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計2.滿足行程速比系數(shù)的設(shè)計①計算θ＝180°(K－1)/(K+1);已知：CD桿長，擺角φ及K，設(shè)計此機(jī)構(gòu)。步驟如下：②任取一點作為搖桿的固定轉(zhuǎn)動副D，按照搖桿