《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件-第9章

第9章平面連桿機(jī)構(gòu)9.1平面四桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型9.2四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)9.3平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

9.1平面四桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型

9.1.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

在平面四桿機(jī)構(gòu)中，若各運(yùn)動(dòng)副都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，則稱(chēng)其為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，如圖9-1所示。在此機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件4為機(jī)架；構(gòu)件1、3與機(jī)架直接相連，稱(chēng)為連架桿；構(gòu)件2與機(jī)架間接相連，稱(chēng)為連桿。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，連架桿作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿作平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿稱(chēng)為曲柄，只能在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)的連架桿稱(chēng)為搖桿。按兩連架桿中曲柄與搖桿的存在情況，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可分為三種基本形式。圖9-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿之一為曲柄，另一為搖桿，則稱(chēng)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖9-2所示。在此機(jī)構(gòu)中，連架桿1為曲柄，其可繞固定鉸鏈中心A作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，故活動(dòng)鉸鏈中心B的軌跡為圓；連架桿3為搖桿，其只能繞固定鉸鏈中心D來(lái)回?cái)[動(dòng)，故活動(dòng)鉸鏈中心C的軌跡為一段圓弧。圖9-2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)與搖桿擺動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換。圖9-3所示為雷達(dá)天線(xiàn)俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)，構(gòu)件1為曲柄，它轉(zhuǎn)動(dòng)后通過(guò)連桿2使搖桿3(即天線(xiàn))繞D點(diǎn)擺動(dòng)，從而調(diào)整天線(xiàn)的俯仰角以對(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星。圖9-4所示為縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)，構(gòu)件3為搖桿(即踏板)，它上下擺動(dòng)后通過(guò)連桿2使曲柄1(大皮帶輪)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)工作。圖9-3雷達(dá)天線(xiàn)俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)圖9-4縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

2.雙曲柄機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿均為曲柄，則稱(chēng)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖9-5所示。

雙曲柄機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：當(dāng)主動(dòng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，

從動(dòng)曲柄一般作變速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9-6所示為慣性篩機(jī)構(gòu)，它利用雙曲柄機(jī)構(gòu)ABCD從動(dòng)曲柄3的變速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)桿5帶動(dòng)篩子6作變速往復(fù)移動(dòng)，從而達(dá)到利用慣性篩分物料的目的。圖9-5雙曲柄機(jī)構(gòu)圖9-6慣性篩機(jī)構(gòu)在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)的兩桿平行且長(zhǎng)度相等，則稱(chēng)為平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖9-7所示。該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是兩曲柄以相同的角速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿作平動(dòng)。圖9-8所示為平行四邊形機(jī)構(gòu)在機(jī)車(chē)車(chē)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。圖9-7平行四邊形機(jī)構(gòu)圖9-8機(jī)車(chē)車(chē)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若兩相對(duì)桿的長(zhǎng)度分別相等，但不平行，則稱(chēng)為反平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖9-9所示。在反平行四邊形機(jī)構(gòu)中，當(dāng)以其長(zhǎng)邊為機(jī)架時(shí)，兩曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，如圖9-10所示的車(chē)門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)就利用了這個(gè)特性，它可使兩扇車(chē)門(mén)(AE和DF)同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉；當(dāng)以其短邊為機(jī)架時(shí)，兩曲柄的轉(zhuǎn)向相同，其性能與一般的雙曲柄機(jī)構(gòu)相似。圖9-9反平行四邊形機(jī)構(gòu)圖9-10車(chē)門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)

3.雙搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿均為搖桿，稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖9-11所示。

雙搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：可將一種擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成另一種擺動(dòng)。在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，如果兩搖桿長(zhǎng)度相等，則稱(chēng)為等腰梯形機(jī)構(gòu)。圖9-12為等腰梯形機(jī)構(gòu)在汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，車(chē)身4為機(jī)架，連架桿1、3是搖桿且分別與左、右前輪固連，2為連桿，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)可通過(guò)桿5驅(qū)動(dòng)搖桿1、3(車(chē)

輪)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。圖9-11雙搖桿機(jī)構(gòu)圖9-12汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9.1.2含有一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)

1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖9-13所示的四桿機(jī)構(gòu)中，4為機(jī)架，1、3為連架桿，2為連桿，3與4之間構(gòu)成移動(dòng)副，其余三個(gè)運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，連架桿1作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，稱(chēng)為曲柄；連架桿3作往復(fù)移動(dòng)，稱(chēng)為滑塊；該機(jī)構(gòu)稱(chēng)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)滑塊移動(dòng)的導(dǎo)路m—m通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心A時(shí)，稱(chēng)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)

構(gòu)(圖9-13(a))；當(dāng)滑塊移動(dòng)的導(dǎo)路m—m不通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心A時(shí)，稱(chēng)為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(圖9-13(b))，偏置的距離e稱(chēng)為偏距。圖9-13曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

2.轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改選構(gòu)件1為機(jī)架，則得到圖9-14所示的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，兩連架桿2、4均作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，其中，構(gòu)件2稱(chēng)為曲柄，構(gòu)件4為滑塊3提供導(dǎo)軌作用，稱(chēng)為導(dǎo)桿。圖9-14轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿作變速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9-15為插床插刀運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)ABC中導(dǎo)桿4的變速運(yùn)動(dòng)，使插刀6在切削行程時(shí)運(yùn)動(dòng)慢，在空回行程時(shí)運(yùn)動(dòng)快，以縮短非工作時(shí)間，提高生產(chǎn)率。圖9-15插床插刀運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

在圖9-14所示的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，若使機(jī)架長(zhǎng)度大于曲柄長(zhǎng)度，即a>b，則得到圖9-16所示的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件2可整周轉(zhuǎn)動(dòng)，而導(dǎo)桿4只能往復(fù)擺動(dòng)。

擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿作變速擺動(dòng)。圖9-17為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)ABC在牛頭刨床刨刀運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，其作用與轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在插床插刀運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的作用相同。圖9-16擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)圖9-17牛頭刨床刨刀運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

4.搖塊機(jī)構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改選構(gòu)件2為機(jī)架，則得到圖9-18所示的搖塊機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件1作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊3作往復(fù)擺動(dòng)。

搖塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)是：它可將導(dǎo)桿的相對(duì)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9-19所示為搖塊機(jī)構(gòu)在自卸卡車(chē)車(chē)廂舉升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。其中搖塊3為油缸，利用壓力油推動(dòng)活塞使車(chē)廂翻轉(zhuǎn)卸料。圖9-18搖塊機(jī)構(gòu)圖9-19自卸卡車(chē)車(chē)廂舉升機(jī)構(gòu)

5.定塊機(jī)構(gòu)

在圖9-13(a)所示的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改選滑塊

3為機(jī)架，則得到圖9-20所示的定塊機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)桿4作往復(fù)移動(dòng)，構(gòu)件2作往復(fù)擺動(dòng)。圖9-21所示的手壓抽水機(jī)為該機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。圖9-20定塊機(jī)構(gòu)圖9-21手壓抽水機(jī)

9.2四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)

9.2.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件

在圖9-22所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)各桿長(zhǎng)度依次為l1、l2、l3、l4，且l1<l4。假定AB為曲柄，則曲柄AB回轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，必有兩次與連桿BC共線(xiàn)。圖9-22鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊的定理，由△AC2D有

l3+l4>l1+l2

由△AC1D有

l2-l1+l4>l3

l2-l1+l3>l4將上列三式整理，并考慮到四個(gè)桿件同時(shí)共線(xiàn)的情況，可得

l1+l2≤l3+l4

l1+l3≤l2+l4

l1+l4≤l2+l3

將以上三式兩兩相加，化簡(jiǎn)得

l1≤l2

l1≤l3

l1≤l49.2.2急回運(yùn)動(dòng)特性

在圖9-23所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄AB為原動(dòng)件，它以等角速度ω1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9-23曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)的程度可用行程速比系數(shù)K來(lái)衡量，即

(9-1)

上式表明，當(dāng)θ=0時(shí)，K=1，機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性；當(dāng)θ≠0時(shí)，機(jī)構(gòu)具有急回特性，θ角愈大，K值愈大，急回特性愈顯著。θ角的大小與各構(gòu)件的長(zhǎng)度有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)，通常要預(yù)選K值，求出θ，因此，由式(9-1)可求得

(9-2)9.2.3壓力角和傳動(dòng)角

在圖9-24所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如果不計(jì)質(zhì)量和摩擦力，則連桿2是二力構(gòu)件，由原動(dòng)件1經(jīng)過(guò)連桿2作用在從動(dòng)件3上點(diǎn)C的驅(qū)動(dòng)力F，將沿著B(niǎo)C方向。圖9-24曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角9.2.4死點(diǎn)位置

在圖9-25所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)搖桿CD為主動(dòng)件，則當(dāng)連桿與從動(dòng)曲柄兩次共線(xiàn)時(shí)，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0，這時(shí)搖桿CD通過(guò)連桿作用于從動(dòng)曲柄AB上的力恰好通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心A，此力對(duì)A點(diǎn)不產(chǎn)生力矩，所以出現(xiàn)了不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的“頂死”現(xiàn)象，或轉(zhuǎn)向不確定現(xiàn)象。機(jī)構(gòu)的這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)位置?？梢?jiàn)，四桿機(jī)構(gòu)中是否存在死點(diǎn)位置，取決于從動(dòng)件是否與連桿共線(xiàn)，或機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ是否為零。圖9-25曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置在工程實(shí)踐中，也常利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足一些特定的工作要求。如圖9-26所示的鉆床夾具，用力F壓下手柄2，工件5即被夾緊，此時(shí)連桿2與從動(dòng)件3共線(xiàn)(BCD)；外力F撤除后，在夾緊反力Fn的作用下，因機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，夾具并不會(huì)自動(dòng)松開(kāi)而仍保持夾緊狀態(tài)；當(dāng)需要取出工件時(shí)，抬起手柄松開(kāi)夾具即可。圖9-26鉆床夾具

9.3平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

9.3.1按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

1.按給定連桿的兩個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

圖9-27(a)所示為一加熱爐的爐門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)ABCD，爐門(mén)(即連桿BC)關(guān)閉時(shí)在鉛垂位置E1，爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)在水平位置E2。爐門(mén)上兩鉸鏈中心B和C的位置已知，要求設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

該設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是已知連桿長(zhǎng)度及連桿兩個(gè)位置B1C1、B2C2，確定其余三構(gòu)件的長(zhǎng)度，如圖9-27(b)所示。圖9-27按給定連桿的兩個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)