機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 03平面連桿機(jī)構(gòu)

《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》主編：胡孟謙張曉娜

機(jī)械工業(yè)出版社課程內(nèi)容第一章機(jī)械設(shè)計概論第二章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第三章平面連桿機(jī)構(gòu)第四章凸輪機(jī)構(gòu)第五章其他常用機(jī)構(gòu)第六章齒輪機(jī)構(gòu)第七章蝸桿傳動第八章輪系第九章帶傳動與鏈傳動第十章聯(lián)接第十一章軸第十二章軸承第十三章聯(lián)軸器離合器制動器第十四章機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過本章的學(xué)習(xí)，掌握平面機(jī)構(gòu)的基本類型；特性及其工作原理，掌握用作圖法設(shè)計平面四桿機(jī)構(gòu)的原理及方法。【知識點(diǎn)】1.平面四桿機(jī)構(gòu)基本形式2.平面機(jī)構(gòu)的演化形式3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件4.平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性與傳力特性第三章平面連桿機(jī)構(gòu)第三章平面連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)概述第二節(jié)平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征一、平面連桿機(jī)構(gòu)定義平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件通過低副聯(lián)接，且所有構(gòu)件在相互平行平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)常以其所含的構(gòu)件（桿）數(shù)來命名。如：由四個構(gòu)件通過低副連接而成的平面連桿機(jī)構(gòu)，則稱為平面四桿機(jī)構(gòu)。3-1平面連桿機(jī)構(gòu)概述二、平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)1.運(yùn)動副為移動副或轉(zhuǎn)動副，承載能力較大，便于潤滑，耐磨損。2.結(jié)構(gòu)較簡單，工作可靠，制造成本低。3.可通過改變桿件的長度改變從動件的運(yùn)動規(guī)律，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動形式的改變。4.機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副較多，低副的間隙無法消除，并形成運(yùn)動誤差積累，影響運(yùn)動精度。5.因機(jī)構(gòu)運(yùn)動時產(chǎn)生的動不平衡難以避免，不適于高速運(yùn)動場合。3-1平面連桿機(jī)構(gòu)概述三、平面連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用平面連桿機(jī)構(gòu)常應(yīng)用于機(jī)床、動力機(jī)械、工程機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械和紡織機(jī)械中。如：牛頭刨床中的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，活塞式發(fā)動機(jī)和空氣壓縮機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，包裝機(jī)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。3-1平面連桿機(jī)構(gòu)概述【中國空間站機(jī)械臂】——由中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院（簡稱航天科技集團(tuán)五院）研制，是我國目前智能程度最高、規(guī)模與技術(shù)難度最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)，空間站機(jī)械臂由核心艙機(jī)械臂（大臂）和“問天”實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂（小臂）組成。3-1平面連桿機(jī)構(gòu)概述平面四桿機(jī)構(gòu)可分為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和滑塊四桿機(jī)構(gòu)。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式，滑塊四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的演化形式。第二節(jié)

平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：構(gòu)件間連接都是轉(zhuǎn)動副的平面四桿機(jī)構(gòu)。4-機(jī)架，1、3-連架桿，曲柄-2根據(jù)梁連架桿運(yùn)動形式的不同，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種基本型式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。1234ABCD圖3-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個連架桿中一桿為曲柄另一個為搖桿，則稱之為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。雷達(dá)天線俯仰角的調(diào)整機(jī)構(gòu)。也可利用連桿的復(fù)雜運(yùn)動實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動軌跡。攪拌器機(jī)構(gòu)縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化砂輪機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用2.雙曲柄機(jī)構(gòu)兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。慣性篩機(jī)構(gòu)

(a)慣性篩機(jī)構(gòu)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)（或平行四邊形機(jī)構(gòu)）：雙曲柄機(jī)構(gòu)中相對的兩構(gòu)件長度分別相等。

(b）雙曲柄機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)：兩曲柄的轉(zhuǎn)動方向相同且角速度相等，而連桿做平動。

(b）機(jī)車驅(qū)動輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)反平行雙曲柄機(jī)構(gòu)或反平行四邊形機(jī)構(gòu)：兩曲柄的轉(zhuǎn)向相反且角速度不等。(c）攝影車座斗機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化運(yùn)動不確定：在正平行雙曲柄機(jī)構(gòu)中，當(dāng)各構(gòu)件共線時，可能出現(xiàn)從動曲柄與主動曲柄轉(zhuǎn)向相反的現(xiàn)象，而成為反平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。解決措施：可采用輔助曲柄或錯列機(jī)構(gòu)等措施解決，如：機(jī)車聯(lián)動機(jī)構(gòu)中采用三個區(qū)柄的目的就是為了防止其反轉(zhuǎn)。應(yīng)用：在平行雙曲柄機(jī)構(gòu)中，無論以哪個構(gòu)件為機(jī)架都是雙曲柄機(jī)構(gòu)。但如果選取較短構(gòu)件為機(jī)架，則兩曲柄的轉(zhuǎn)動方向始終相同。反平行雙曲柄機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化a）反平行雙曲柄機(jī)構(gòu)

b）車門啟閉機(jī)構(gòu)3.雙搖桿機(jī)構(gòu)兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。通常情況下，兩搖桿的擺角不等，常用于操縱機(jī)構(gòu)、儀表機(jī)構(gòu)等。具體應(yīng)用1：輪式車輛的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)兩搖AB、CD桿長度相等，又稱為等腰梯形機(jī)構(gòu)。3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化具體應(yīng)用2：鶴式起重機(jī)，其變幅機(jī)構(gòu)ABCD采用雙搖桿機(jī)構(gòu)。3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化第三章平面連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)概述第二節(jié)平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征二、四桿機(jī)構(gòu)的演化形式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在實(shí)際的工程應(yīng)用中，常演化為其他型式的四桿機(jī)構(gòu)：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu)等。1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中一個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副演化為移動副。圖3-6曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演變3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化具體應(yīng)用：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于活塞式內(nèi)燃機(jī)、自動送料裝置、沖床等機(jī)械。圖3-7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化（2）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中二個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副

對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)→雙滑道機(jī)構(gòu)→正弦機(jī)構(gòu)（直線滑道機(jī)構(gòu)）（a）對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（b）雙滑塊機(jī)構(gòu)（c）正弦機(jī)構(gòu)圖3-8曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化為正弦機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化

將圖3-9a曲柄滑2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)塊機(jī)構(gòu)中的機(jī)架AC變更為AB，則該機(jī)構(gòu)演化為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。（b）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)兩種形式。導(dǎo)桿：對滑塊起導(dǎo)向作用圖3-9曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（a）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)圖3-11導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化具體應(yīng)用：導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳力性能較好，常用于插床、牛頭刨床和送料裝置等。3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化3.搖塊機(jī)構(gòu)具體應(yīng)用：該機(jī)構(gòu)常用于搖擺式氣、液壓驅(qū)動裝置，如：自動貨車翻斗機(jī)構(gòu)。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

搖塊機(jī)構(gòu)

（b）自卸貨車翻斗機(jī)構(gòu)3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化4.定塊機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

定塊機(jī)構(gòu)具體應(yīng)用：該機(jī)構(gòu)常用于手動抽油機(jī)和手搖抽水泵。（b）手搖式抽水泵運(yùn)動簡圖

（c）手搖式抽水泵3-2平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化第三章平面連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)概述第二節(jié)平面四面機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征第三節(jié)平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特性3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征整轉(zhuǎn)副：機(jī)構(gòu)中能使被連接的兩個構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動360°的轉(zhuǎn)動副稱為整轉(zhuǎn)副。整轉(zhuǎn)副的存在是曲柄存在的必要條件。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的三種基本形式的區(qū)別：在于機(jī)構(gòu)中有無曲柄和有幾個曲柄。一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件1.整轉(zhuǎn)副存在的條件——長度條件最長桿長度：Lmax，最短桿長度：Lmin，其余兩桿的長度：L'、L″構(gòu)件能做整轉(zhuǎn)副的條件為：Lmax+L_min≤L'+L″。如果Lmax+Lmin＞L'+L″，則機(jī)構(gòu)不存在整轉(zhuǎn)副。3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征2.曲柄存在的條件（1）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和Lmax+Lmin≤L'+L″（2）連架桿好機(jī)架中必有一桿為最短桿。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，由以上推理可知：AB為曲柄、BC為連桿、CD為搖桿、AD為機(jī)架。3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本類型的判別方法（1）當(dāng)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和（Lmax+Lmin≤L'+L″）時：①若最短桿的相鄰桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；②若最短桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；③若最短桿的對邊桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。（2）當(dāng)最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和（Lmax+Lmin>L'+L″）時，則無論取何桿為機(jī)架，機(jī)構(gòu)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本類型的判別方法解：（1）由于Lmax+Lmin=50+20<L'+L″=30+45，所以最短桿兩端的兩個轉(zhuǎn)動副A、D能整轉(zhuǎn)，而B、C則不能整轉(zhuǎn)。（2）以AB桿或CD桿（最短桿AD的鄰桿）為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；以BC桿（最短桿AD的對邊桿）為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)；以CD桿桿最短桿為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。例3-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD的各桿長度如圖3-15所示（設(shè)長度單位為mm）（1）試判斷四個轉(zhuǎn)動副中，哪些能整轉(zhuǎn)？哪些不能整轉(zhuǎn)？（2）說明機(jī)構(gòu)分別以AB、BC、CD、和AD各桿為機(jī)架時，屬于哪種機(jī)構(gòu)？3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征

二、平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性1.極位、極位夾角、擺角極位：當(dāng)曲柄為主動件時，從動件在做往復(fù)擺動或往復(fù)移動時的兩個極限位置。極位夾角：搖桿存在兩個極限位置時，此兩處曲柄之間所夾的銳角θ最大擺角：導(dǎo)桿對應(yīng)兩個極位間的夾角

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極位3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征

急回特性：從動件空回行程速度比工作行程速度快。行程速比系數(shù)K：回程平均速度與進(jìn)程平均速度之比

極位夾角θ的計算公式為

極位夾角θ表示了急回程度的大小，θ越大，K值越大，機(jī)構(gòu)的急回程度越強(qiáng)，極位夾角θ一般取k=1.1~1.3；

對于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，因θ=0，所以機(jī)構(gòu)無急回特性。3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征2.急回特性1.壓力角和傳動角壓力角α：機(jī)構(gòu)從動件上受力點(diǎn)的速度方向與該作用力方向之間所夾的銳角。作用：判斷機(jī)構(gòu)傳動性能的優(yōu)劣。傳動角γ：壓力角α的余角作用：判斷機(jī)構(gòu)傳力性能的優(yōu)劣3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征三、平面四桿機(jī)構(gòu)的傳力特性

在機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時，壓力角和傳動角是隨機(jī)構(gòu)的位置而變化的。最小傳動角γmin的選擇：對于一般工作機(jī)構(gòu)，通常取γmin≥40°；對于顎式破碎機(jī)、沖床等大功率機(jī)械，可取γmin≥50°；對于小功率的控制機(jī)構(gòu)和儀表，γmin可略小于40°。

止點(diǎn)位置（或稱死點(diǎn)位置）：平面連桿機(jī)構(gòu)在壓力角α=90°、傳動角γ＝0°的位置。當(dāng)機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)位置時，會出現(xiàn)“卡死”或運(yùn)動不確定（即工作件在該位置可能向反方向轉(zhuǎn)動）的情況。對于具有極位的四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動件做往復(fù)運(yùn)動時，機(jī)構(gòu)具有兩個止點(diǎn)位置。

對于傳動機(jī)構(gòu)而言，存在止點(diǎn)位置是不利的。3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征2.止點(diǎn)位置

采取措施：一、利用從動件的慣性順利地通過死點(diǎn)位置，如縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)中的大帶輪就相當(dāng)于飛輪，利用慣性通過止點(diǎn)?？p紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)3-3平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件和基本特征

二、采用錯位排列地方式順利地通過止點(diǎn)位置

V型發(fā)動機(jī)多個活塞連桿機(jī)構(gòu)止點(diǎn)位置相互錯開，可使曲軸順利通過止點(diǎn)位