機械設計原理-連桿機構(gòu)

第四章連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)：由若干個構(gòu)件通過低副連接而組成，又稱為低副機構(gòu)。平面連桿機構(gòu)：所有構(gòu)件均在相互平行的平面內(nèi)運動的連桿機構(gòu)?？臻g連桿機構(gòu)：所有構(gòu)件不全在相互平行的平面內(nèi)運動的連桿機構(gòu)。由于平面連桿機構(gòu)不僅應用廣泛，而且還往往是多桿機構(gòu)的基礎；所以這里重點介紹平面連桿機構(gòu).4.1平面連桿機構(gòu)的類型

4.1.1平面四桿機構(gòu)的基本型式全部運動副為轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu)連桿連架桿機架視頻:2平面四桿機構(gòu)的基本型式曲柄——作整周運動的構(gòu)件搖桿——作擺動的構(gòu)件。鉸鏈四桿機構(gòu)根據(jù)連架桿的運動形式不同分為：○曲柄搖桿機構(gòu)（視頻1）○雙曲柄機構(gòu)（視頻2）○雙搖桿機構(gòu)（視頻3）鉸鏈四桿機構(gòu)的三種基本型式

曲柄搖桿機構(gòu)：指兩連架桿一為曲柄，一為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。慣性篩雙曲柄機構(gòu)：指兩個連架桿都是曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)。若機構(gòu)中相對兩桿平行且相等，則成為平面四邊形機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)：指兩個連架桿都是搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。

4.1.2平面四桿機構(gòu)的演化

由四桿機構(gòu)的基本型式通過演化可以得到其它多種結(jié)構(gòu)型式。

常用的演化方法有

1、轉(zhuǎn)動副變移動副

曲柄搖桿機構(gòu)→曲柄滑塊機構(gòu)→雙滑塊機構(gòu)視頻11曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)①曲柄滑塊機構(gòu)導桿機構(gòu)搖塊機構(gòu)定塊機構(gòu)(直動滑桿機構(gòu))②3.變換構(gòu)件形態(tài)

兩個移動副的四桿機構(gòu)

①若選擇構(gòu)件2或4為機架時，就是正弦機構(gòu)；

②若改取構(gòu)件3為機架,則為雙滑塊機構(gòu);

③當取構(gòu)件1為機架時，便演化為雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)。視頻134擴大移動副的尺寸

曲柄搖桿機構(gòu)偏心盤機構(gòu)（視頻8）機械原理視頻連桿（1-2）.avi4.2平面連桿機構(gòu)的工作特性平面連桿機構(gòu)具有傳遞和變換運動，實現(xiàn)力的傳遞和變換功能，前者稱為平面連桿機構(gòu)的運動特性，后者稱為平面連桿機構(gòu)的傳力特性。了解了這些特征，對于正確選擇連桿機構(gòu)的類型，進而進行機構(gòu)設計具有重要指導意義。4.2.1運動特性

1.轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副的條件-----鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件AB2BB1DC2CC1l1l2l4l3在ΔB1C1D中，根據(jù)三角形任意兩邊之差必小于等于第三邊，可得：移項可得：在ΔB2C2D中，根據(jù)三角形任意兩邊之和必大于等于第三邊，可得：以上三式兩兩相加并化簡可得：鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件：1、曲柄為最短桿；2、最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和

滿足上述條件時，取不同的構(gòu)件為機架時，可得三種不同性質(zhì)的鉸鏈四桿機構(gòu)取最短桿的鄰桿為機架－－－曲柄搖桿機構(gòu)取最短桿的對桿為機架－－－雙搖桿機構(gòu)

取最短桿為機架－－－雙曲柄機構(gòu)圖10

“最短構(gòu)件與最長構(gòu)件的長度之和小于或等于其余兩構(gòu)件長度之和”是必要條件，如果不滿足此條件，無論取那個構(gòu)件作為機架，都不存在曲柄。2.急回運動特性在曲柄等速回轉(zhuǎn)情況下，由于α1=180°+θ，α2=180°-θ，所以t1>t2,搖桿往復擺動的平均速度為V2>V1.把搖桿的這種往復擺動快慢不同的運動稱為急回運動。急回運動的程度可以用行程速比系數(shù)K來衡量：行程速比系數(shù)結(jié)論：當θ≠0時，機構(gòu)具有急回運動特性，θ角愈大，K值愈大，急回運動特性愈顯著。3.運動連續(xù)性

1、運動連續(xù)性：當主動件連續(xù)運動時，從動件也能連續(xù)占據(jù)預定的各個位置，稱為機構(gòu)具有運動的連續(xù)性。在不計重力、摩擦力、慣性力的條件下，機構(gòu)中輸出件所受主動力的方向線與該受力點的絕對速度方向線所夾的銳角。壓力角的余角，γ=900-α。

1、壓力角α2、傳動角γFF1F21ABCD234V

α越小，γ越大，則機構(gòu)傳力性能越好。4.2.2傳力特性

常用傳動角的大小和變化來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞。設計時通常要求γmin≥40°，對于高速和大功率的傳動機械，γmin≥50°。

最小傳動角的確定F1vcDFCABF21234abcd則圖示鉸鏈四桿機構(gòu)中，原動件為AB。各桿長度為：a、b、c、d。由圖可見，γ與機構(gòu)的∠BCD有關(guān)。在ΔABD和ΔBCD中，由余弦定理得：1）當∠BCD<900時，γ=∠BCD，則γmin=∠BCDmin

，由公式可知，當φ=00時，有∠BCDmin。即曲柄與機架重合共線時，機構(gòu)將出現(xiàn)最小值。

F1vcDFCABF21234abcdfC1DA視頻12）當∠BCD>900時，γ=1800-∠BCD，則γmin=1800-∠BCDmax

，由公式可知，當φ=1800時，有∠BCDmax。即曲柄與機架拉值共線時，機構(gòu)將出現(xiàn)最大值。

4vcABCDF123DAC2B2視頻1機構(gòu)的死點位置1．死點圖示曲柄搖桿機構(gòu)，搖桿CD為主動件，當機構(gòu)處于連桿與從動曲柄共線的兩個位置時，出現(xiàn)了傳動角γ＝o。的情況。這時主動件CD通過連桿作用于從動件AB上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以不能使構(gòu)件AB轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象。機構(gòu)的此種位置稱為死點。

在下圖所示曲柄搖桿機構(gòu)中，若以搖桿為主動件，則當連桿與曲柄共線，機構(gòu)的傳動角為零，機構(gòu)此位置就稱為死點。而對于圖示的曲柄滑塊機構(gòu)，當以滑塊為主動件，機構(gòu)也處于死點位置。機構(gòu)中從動件與連桿共線的位置稱為機構(gòu)的死點位置。

2.死點的利用：B2AB1C1DC2地面飛機起落架機構(gòu)若以夾緊、增力等為目的，則機構(gòu)的死點位置可以加以利用。圖6－1對傳動機構(gòu)來說，有死點是不利的，應采取措施使其順利通過。3.死點的克服

措施：加裝飛輪，增大慣性；安裝輔助連桿；幾組機構(gòu)錯位安裝。vBB2C2踏板縫紉機主運動機構(gòu)腳AB1C1DFB

蒸汽機車車輪聯(lián)動機構(gòu)，由兩組曲柄滑塊機構(gòu)組成，曲柄位置錯開90度，使死點位置錯開（圖9）。機械原理視頻連桿（3-5）.avi4.3平面連桿機構(gòu)的特點及功能連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副（正因為如此，所以又把連桿機構(gòu)稱為低副機構(gòu)），低副兩元素為面接觸，故在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，故兩元素不易產(chǎn)生大的磨損。這些條件都能較好的滿足重型機械的要求。此外，低副兩元素的幾何形狀也比較簡單，便于加工制造。2）構(gòu)件運動形式具有多樣性；3)在連桿機構(gòu)中，當原動件以同樣的運動規(guī)律運動時，如果改變各構(gòu)件的相對長度關(guān)系，便可是從動件得到不同的運動規(guī)律4.3.1平面連桿機構(gòu)的特點4)在連桿機構(gòu)中，連桿上個不同點的軌跡是各種不同形狀的曲線（特稱為連桿曲線），而且隨著各構(gòu)件相對長度關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同軌跡的要求。此外，連桿機構(gòu)還可以很方便地用來達到增力，擴大行程和實現(xiàn)較遠距離的傳動的目的。由于連桿機構(gòu)由上述優(yōu)點，所實在各種機械和儀表中得到了廣泛的應用。連桿機構(gòu)缺點1)由于在連桿機構(gòu)中運動必須經(jīng)過中間構(gòu)件進行傳遞，因而連桿機構(gòu)一般具有較長的運動鏈（即較多的構(gòu)件和較多的運動副），所以各構(gòu)件的尺寸誤差和運動副中的間隙將使連桿機構(gòu)產(chǎn)生較大的積累誤差，同時也會使機械效率降低。2)在連桿機構(gòu)的運動過程中，連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運動，他們所產(chǎn)生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除，因而會增加機構(gòu)的動載荷，所以連桿機構(gòu)一般不易于高速傳動。4.3.2平面連桿機構(gòu)的功能1.實現(xiàn)有軌跡位置或運動規(guī)律要求的運動2.實現(xiàn)從動件運動形式及運動特性的改變3.實現(xiàn)較遠距離的傳動4.調(diào)節(jié)、擴大從動件的行程5.獲得較大的機械增益4.4平面連桿機構(gòu)的運動分析機構(gòu)的運動分析:機構(gòu)的運動分析就是根據(jù)原動件的已知運動規(guī)律,來確定其它構(gòu)件或構(gòu)件上某些點的軌跡、位移、速度和加速度等運動參數(shù)。機構(gòu)運動分析的目的：1、通過機構(gòu)的位移分析，可以確定機構(gòu)運動所需的空間或某些構(gòu)件及構(gòu)件上某些點能否實現(xiàn)預定的位置或軌跡，并可判斷它們在運動中是否發(fā)生干涉；2、通過速度和加速度分析，了解從動件的運動變化規(guī)律能否滿足工作要求，并可據(jù)此對機構(gòu)進行動力學分析。

4.4.1瞬心法及其應用1、速度瞬心瞬時速度中心(瞬心):互相作平面相對運動的兩構(gòu)件,在任一瞬時都可以認為它們是繞某點做相對轉(zhuǎn)動，稱該點為瞬心。2、瞬心表示方法：用P加下標表示。圖示構(gòu)件1和2的瞬心為P12或P212.機構(gòu)中瞬心的數(shù)目N=n(n-1)/23.機構(gòu)中瞬心位置的確定1、通過運動副直接相聯(lián)的兩構(gòu)件的瞬心(1)以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接的兩構(gòu)件,其轉(zhuǎn)動中心即為瞬心(2)以移動副聯(lián)接的兩構(gòu)件,其瞬心在垂直導路方向的無究遠處,所示。(3)以平面高副聯(lián)接的兩構(gòu)件,若高副元素之間為純滾動時,則兩元素的接觸點即為兩構(gòu)件的瞬心所示；(4)若高副元素之間既滾動又滑動,則瞬心在高副接觸點處的公法線上，具體位置要由其它條件來確定所示。三心定理:三個彼此作平面平行運動的構(gòu)件共有三個瞬心,而且必定位于同一直線上。瞬心在速度分析中的應用2/4=P14P24/P12P244.4.2桿組法及其應用

結(jié)構(gòu)分析就是將已知機構(gòu)分解為原動件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構(gòu)的組成，并確定機構(gòu)的級別。機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是：(1)計算機構(gòu)的自由度并確定原動件。(2)拆桿組。4.5.1平面連桿機構(gòu)設計的基本問題問題一：剛體導引機構(gòu)設計

引導一個剛體實現(xiàn)一系列給定位置4.5平面連桿機構(gòu)設計滿足預定的連桿位置要求問題二：函數(shù)生成機構(gòu)設計

主、從動連架桿運動規(guī)律具有給定的函數(shù)關(guān)系滿足預定的運動規(guī)律要求問題三：軌跡生成機構(gòu)設計

機構(gòu)中某點可以實現(xiàn)預期的運動軌跡滿足預定的軌跡要求圖解法解析法實驗法平面連桿機構(gòu)設計方法：4.5.2

剛體導引機構(gòu)的設計要求：設計四桿機構(gòu)，使得連桿通過I、II、III三個位置第1步：選定B、C點位置第2步：找A、D點位置剛體導引機構(gòu)的設計第3步：聯(lián)接A、B1、C1、D，獲得四桿機構(gòu)三點唯一確定一個圓，B、C確定后，A、D是確定的；

已知固定鉸鏈點A、D，設計四桿機構(gòu)，使得兩個連架桿可以實現(xiàn)三組對應關(guān)系函數(shù)生成機構(gòu)剛體導引機構(gòu)？4.5.3

函數(shù)生成機構(gòu)的設計d剛化反轉(zhuǎn)法以CD桿為機架時看到的四桿機構(gòu)ABCD的位置相當于把以AD為機架時觀察到的ABCD的位置剛化，以D軸為中心轉(zhuǎn)過得到的。低副可逆性；機構(gòu)在某一瞬時，各構(gòu)件相對位置固定不變，相當于一個剛體，其形狀不會隨著參考坐標系不同而改變。函數(shù)生成機構(gòu)的設計第1步：選B點，以I位置為參考位置，DF1為機架第2步：用剛化反轉(zhuǎn)法求出B2、B3的轉(zhuǎn)位點第3步：做中垂線，找C1點第4步：聯(lián)接AB1C1D函數(shù)生成機構(gòu)設計——解析法已知行程速比系數(shù)K，以及從動件兩個極限位置，設計四桿機構(gòu)4.5.4

急回機構(gòu)的設計4.5.5

軌跡生成機構(gòu)的設計設計一個四桿機構(gòu)，使得機構(gòu)上M點實現(xiàn)給定軌跡軌跡生成機構(gòu)的設計——解析法M（x，y）a,c,d,e,f,gg,h,j0連桿機構(gòu)自由度少、約束多設計靈活度受到限制減少約束

增加自由度

軌跡生成機構(gòu)的設計——實驗法連桿曲線（定義）：四桿機構(gòu)運動時，連桿作為平面復雜運動，對其上面任意一點都能描繪出一條封閉曲線，這種曲線稱為連桿曲線。原理：連桿曲線的形狀隨點在連桿上的位置和構(gòu)件的相對長度的不同而不同。方法與步驟：借用已編成冊的連桿曲線圖譜，根據(jù)預定運動軌跡從圖譜中選則形狀相近的曲線，同時查得機構(gòu)各桿尺寸及描述桿在連桿上的位置，再用縮放儀求出圖譜曲線與所需軌跡曲線的縮放倍數(shù)，即可求得四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及運動尺寸。

平面連桿機構(gòu)設計小結(jié)一、剛體導引機構(gòu)設計：實現(xiàn)連桿幾個預定位置二、函數(shù)生成機構(gòu)設計：實現(xiàn)連架桿對應運動規(guī)律作圖法：剛化反轉(zhuǎn)法解析法：可以精確實現(xiàn)5組對應關(guān)系三、急回機構(gòu)設計：實現(xiàn)具有急回特性的四桿機構(gòu)問題關(guān)鍵：A點的確定方法四、軌跡生成機構(gòu)設計：實現(xiàn)預期軌跡解析法：9個精確點位置實驗法：增加自由度或者減少約束，增加設計靈活度本章重點小結(jié)一、平面四桿機構(gòu)的基本形式和演化手段曲柄搖桿（雙曲柄、曲柄滑塊、雙搖桿擺動搖桿）機構(gòu)二、平面四桿機構(gòu)的運動和動力特性整轉(zhuǎn)副存在條件、急回特性、壓力角（死點）三、平面四桿機構(gòu)的設計四、學習分析問題和解決問題的方法復雜問題

簡單問題

計算機可以處理的問題新問題

已有知識

假設的解決方案樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。10月-2410月-24Thursday,October24,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。10:36:2010:36:2010:3610/24/202410:36