機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第3版）課件 第3章 平面連桿機(jī)構(gòu)

2第3章平面連桿機(jī)構(gòu)本章導(dǎo)讀：連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)中應(yīng)用中最為多變復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，體現(xiàn)了人類高超智慧應(yīng)用。漢語中，機(jī)不僅指代機(jī)器，還有機(jī)智、智慧之意。與連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)的發(fā)明創(chuàng)造基本涵蓋了人類的衣、食、住、行等領(lǐng)域，例如，從古代織布機(jī)和古代水力磨米機(jī)、到現(xiàn)代的液壓床桿以及汽車雨刷等。各類連桿機(jī)構(gòu)外在變化無限，卻是同根同源，萬變不離其宗。掌握了連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，無往而不利，讓我們一起走進(jìn)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，開啟本章的學(xué)習(xí)之旅，學(xué)習(xí)連桿機(jī)構(gòu)的基本類型，分析連桿機(jī)構(gòu)的變型規(guī)律，探索連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。3

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件用平面低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）聯(lián)接而成的平面機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞、變換和傳遞動(dòng)力。平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):由于是低副，為面接觸，所以承受壓強(qiáng)小、便于潤(rùn)滑、磨損較輕，可承受較大載荷；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，構(gòu)件之間的接觸是有構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠；可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng)，滿足多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求；利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的連桿可滿足多種運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn):根據(jù)從動(dòng)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡來設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，精度不高；運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性難以平衡，不適用于高速場(chǎng)合。概念第3章平面連桿機(jī)構(gòu)4

平面連桿機(jī)構(gòu)的類型很多，一般的多桿機(jī)構(gòu)可以看成是由幾個(gè)四桿機(jī)構(gòu)所組成。平面四桿機(jī)構(gòu)不僅應(yīng)用廣泛，而且是多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。第3章平面連桿機(jī)構(gòu)5第3章平面連桿機(jī)構(gòu)第1節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用第2節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性第3節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)的演化第4節(jié)用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析第5節(jié)

平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)6由四個(gè)構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的平面連桿機(jī)構(gòu)，稱為四桿機(jī)構(gòu)。如果所有低副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，這種四桿機(jī)構(gòu)就稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用7基本型式：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的。常用名詞：曲柄—作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；連桿—作平面運(yùn)動(dòng)且不與機(jī)架相連的構(gòu)件；搖桿—作定軸擺動(dòng)的構(gòu)件；連架桿—與機(jī)架相連的構(gòu)件；周轉(zhuǎn)副—能作360°相對(duì)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)副；擺轉(zhuǎn)副—只能作有限角度擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用81、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特征：曲柄＋搖桿。作用：將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)，反之可將搖桿的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍倪B續(xù)回轉(zhuǎn)。如下圖所示雷達(dá)天線3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用9攪面機(jī)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用10縫紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用11跑步機(jī)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用12自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用132、雙曲柄機(jī)構(gòu)特征：兩個(gè)曲柄。作用：將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。如圖所示慣性篩特例：平行四邊形機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用14插床機(jī)構(gòu)2、雙曲柄機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用15平行（逆平行）四邊形機(jī)構(gòu)兩連架桿等長(zhǎng)且平行，兩個(gè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相同，連桿作平動(dòng)；兩連架桿等長(zhǎng)不平行，兩曲柄沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用163、雙搖桿機(jī)構(gòu)特征：兩個(gè)連架桿都是搖桿3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用17港口起重機(jī)選擇連桿上合適的點(diǎn)，軌跡為近似的水平直線3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用18飛機(jī)起落架3、雙搖桿機(jī)構(gòu)3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用193－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用等腰梯形機(jī)構(gòu)——汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)20風(fēng)扇搖頭3－1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及應(yīng)用213.2.1曲柄存在條件3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性223.2.1.曲柄存在條件如圖所示，設(shè)a<d,連架桿若能整周回轉(zhuǎn)，必有兩次與機(jī)架共線，則由△B’C’D可得：a+d≤b+c則由△B”C”D可得：b≤(d-a)+c即:a+b≤d+cc≤(d-a)+b即:a+c≤d+b將以上三式兩兩相加得：a≤b,a≤c,a≤d可見AB桿為最短桿。若設(shè)a>d，同理有：d≤a，d≤b，d≤cAD桿為最短桿。3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性23鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中存在曲柄的條件：1）最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和應(yīng)≤其他兩桿長(zhǎng)度之和，稱為桿長(zhǎng)條件。2）連架桿或機(jī)架之一為最短桿。3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性243－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性當(dāng)滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)，其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是周轉(zhuǎn)副。選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時(shí)，可得不同的機(jī)構(gòu)。當(dāng)不滿足桿長(zhǎng)條件是，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)253.2.2急回運(yùn)動(dòng)特性

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時(shí)，搖桿位于兩個(gè)極限位置，簡(jiǎn)稱極位。此兩處曲柄之間的所夾的銳角θ稱為極位夾角。

當(dāng)曲柄以ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)過180°+θ時(shí)，搖桿從C1D位置擺到C2D。所花時(shí)間為t1

，平均速度為V1，那么有：3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性26當(dāng)曲柄以ω繼續(xù)轉(zhuǎn)過180°-θ時(shí)，搖桿從C2D擺到C1D，所花時(shí)間為t2,平均速度為V2

，那么有：因曲柄轉(zhuǎn)角不同，故搖桿來回?cái)[動(dòng)的時(shí)間不一樣，平均速度也不等。并且：t1>t2V2>V1

搖桿的這種特性稱為急回運(yùn)動(dòng)。

K為行程速比系數(shù)。只要θ≠0，就有K>1，且θ越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。

偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由于存在急回特性，故可用在空行程節(jié)省運(yùn)動(dòng)時(shí)間中，例如牛頭刨、往復(fù)式輸送機(jī)

3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性27牛頭刨床機(jī)構(gòu)3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性283.2.3傳動(dòng)角和壓力角

連桿BC與從動(dòng)件CD之間所夾的銳角（F與Fn夾角）。

γ↑→Ft↑，對(duì)傳動(dòng)有利。因此用γ的大小來表示機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力性能的好壞。為了保證機(jī)構(gòu)良好的傳力性能，設(shè)計(jì)時(shí)要求：γmin≥40°。壓力角：從動(dòng)件上某點(diǎn)的受力方向與從動(dòng)件上該點(diǎn)速度方向的所夾的銳角。傳動(dòng)角3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性29γmin出現(xiàn)的位置：當(dāng)∠BCD≤90°時(shí)，γ＝∠BCD當(dāng)∠BCD>90°時(shí)，γ＝180°-∠BCD當(dāng)∠BCD最小或最大時(shí)，都有可能出現(xiàn)γmin，此位置一定是主動(dòng)件與機(jī)架共線兩處之一。

如果∠B2C2D<90度，γmin＝∠B1C1D，如果∠B2C2D>90度，γ=180－∠B2C2D，γmin取∠B1C1D和180－∠B2C2D中較小者。3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性303.2.4死點(diǎn)位置搖桿為主動(dòng)件，且連桿與曲柄兩次共線時(shí)，有：γ＝0，此時(shí)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)，稱此位置為“死點(diǎn)”死點(diǎn)的避免與應(yīng)用：（1）兩組機(jī)構(gòu)錯(cuò)開排列，如火車輪機(jī)構(gòu)（2）靠飛輪的慣性，如內(nèi)然機(jī)、縫紉機(jī)（3）也可以利用死點(diǎn)進(jìn)行工作，如起落架、鉆夾具等。3－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性313－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性323－2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性333.3.1轉(zhuǎn)動(dòng)副演化為移動(dòng)副改變構(gòu)件的形狀的運(yùn)動(dòng)尺寸3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化34曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為雙滑塊機(jī)構(gòu)3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化35正弦機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例縫紉機(jī)針運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化363.3.2運(yùn)動(dòng)副尺寸擴(kuò)大3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化將機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)副B的半徑擴(kuò)大，使之超過曲柄AB的長(zhǎng)度，得到偏心輪機(jī)構(gòu)。373.3.3機(jī)構(gòu)倒置鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)倒置3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化38曲柄滑塊機(jī)構(gòu)倒置3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)固定滑塊機(jī)構(gòu)39當(dāng)構(gòu)件2和構(gòu)件4均能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，小型刨床就是應(yīng)用實(shí)例3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化40

當(dāng)桿2的長(zhǎng)度小于機(jī)架長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)稈4只能作來回?cái)[動(dòng)，又稱為擺動(dòng)導(dǎo)稈機(jī)構(gòu)，牛頭刨中的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是他的應(yīng)用實(shí)例3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化41

當(dāng)以構(gòu)件3為機(jī)架時(shí)，可演化成定塊機(jī)構(gòu)圖示壓水機(jī)就是實(shí)例3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化423－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化正弦機(jī)構(gòu)倒置正弦機(jī)構(gòu)雙滑塊機(jī)構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)43雙滑塊機(jī)構(gòu)(橢圓儀)3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化44雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)(十字滑塊聯(lián)軸器)3－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化453－3平面四桿機(jī)構(gòu)的演化3.3.4運(yùn)動(dòng)副包容關(guān)系逆轉(zhuǎn)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)46方法：建立封閉矢量方程式，根據(jù)已知參數(shù)對(duì)方程中未知矢量求解。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3－4用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析要求：確定各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。步驟：建立坐標(biāo)系xoy，列出封閉矢量方程得，寫成復(fù)數(shù)形式得，分離實(shí)部和虛部得，47求解

、

。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3－4用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析式中繼續(xù)求導(dǎo)得

、

、

、

。

設(shè)各構(gòu)件尺寸分別為l1=240mm，l2=600mm，l3=400mm，l4=500mm，原動(dòng)件1的方位角=0°~360°，角速度=1rad/s。計(jì)算結(jié)果為：

θ1θ2θ3ω2ω3

/(°)/(rad/s)/(rad/s2)030.9415450.46581-0.92307-0.923071.465092.961181023.1476843.93506-0.62919-0.384541.700182.929952018.2150342.38340-0.372040.045641.208431.96724???????36030.9415450.46581-0.92307-0.923071.465092.9611848一個(gè)設(shè)計(jì)過程：已知條件→構(gòu)件尺寸

兩類基本問題：實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)軌跡三種設(shè)計(jì)方法：

圖解法解析法

實(shí)驗(yàn)法

已知條件：運(yùn)動(dòng)條件、幾何條件、動(dòng)力條件。簡(jiǎn)明易懂，精確性差。精確度好，計(jì)算繁雜。形象直觀，過程復(fù)雜。3－5平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)493.5.1圖解法設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)1.按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知：連桿BC長(zhǎng)度及三個(gè)位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟：①連接B1B2、B2B3，作線B1B2、B2B3的垂直平分線b12、b23，交于A點(diǎn)；②連接C1C2、C2C3，作線C1C2、C2C3的垂直平分線c12、c23，交于D點(diǎn)；③連接AB1、C1D。3－5平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)502.按行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)3－5平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)512.按行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)3－