曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用【平面四桿機(jī)構(gòu)】

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I 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 Linkage of the crank II 摘 要 按連桿機(jī)構(gòu)中的各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，可 將連桿機(jī)構(gòu)分成平面連桿機(jī)構(gòu)及空間連桿機(jī)構(gòu)兩大類(lèi)。而在平面連桿 機(jī)構(gòu)中又以四連桿機(jī)構(gòu)組成的平面四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣。本文主要介紹 平面四桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型、應(yīng)用、以及有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識(shí)； 并闡述了平面四桿機(jī)構(gòu)的一些常用的設(shè)計(jì)方法。著重介紹了鉸鏈四桿 機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、曲柄、四連桿 III Abstract The linkage of the various components of the relative movement is still room for movement plane motion can be divided into plane linkage and linkage space linkage two categories. The plane linkage again in the four- bar linkage of the plane four agencies most widely. This paper describes the four plane types, applications, and the plane four bodies of some basic knowledge on the plane and four bodies of some commonly used methods of design. Focus on the hinge of the four types of agencies and applications. Key words: hinge four bodies, crank, four-link. IV 目 錄 第一章 論述.............................................. .1 第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)....................................... 2 2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) .....................................2 2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的其它形式............................7 2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性........................... 9 2.4 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介........................ 14 第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)............................... 17 3．1 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題 ............17 3.1.1 平面連桿機(jī)構(gòu).................................. 17 3.1.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)............................ 17 3.1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題 ....................18 3.1.4 設(shè)計(jì)方法 ......................................18 3．2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其演化.................. 18 3.2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：所有運(yùn)動(dòng)副均為 ..................18 3.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化. ............................19 3．3 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件和幾個(gè)基本概念.......... 20 3.3.1 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件（也可作曲柄和連桿線圖. 20 3.3.2 行程速度變化系數(shù).............................. 21 3.3.3 壓力角和傳動(dòng)角................................ 22 3．4 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).............................. 23 3.4.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計(jì) ......................23 第四章 技術(shù)參數(shù)及維修 ....................................25 V 4.1 結(jié)構(gòu)............................................. 25 4.2 維護(hù)保養(yǎng)......................................... 25 4.3 注意事項(xiàng) .........................................26 第五章 結(jié)論 ..............................................27 參考文獻(xiàn) ..................................................28 致 謝.................................................... 29 1 第一章 論述 連桿機(jī)構(gòu)是一種常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，廣泛地用于各種機(jī)器、儀表及操 縱裝置中。 連桿機(jī)構(gòu)中的各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，可將 連桿機(jī)構(gòu)分成平面連桿機(jī)構(gòu)及空間連桿機(jī)構(gòu)兩大類(lèi)。一般機(jī)械中多采 用平面連桿機(jī)構(gòu)。而在平面連桿機(jī)構(gòu)中又以由四個(gè)構(gòu)件組成的平面四 桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣。而且平面四桿機(jī)構(gòu)又往往是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。 在連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副都是低副。由于低副兩元素為面接觸，所以 在同樣的載荷條件下，其兩元素間的壓強(qiáng)比高副接觸的壓強(qiáng)為低，故 連桿機(jī)構(gòu)可以傳遞教大的動(dòng)力。而且低副元素的幾何形狀比較簡(jiǎn)單 （常為圓柱或平面等） ，故也便于加工。另外，在其原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不 變的條件下，只要改變各構(gòu)件間的相對(duì)長(zhǎng)度，就可以使其從動(dòng)件實(shí)現(xiàn) 不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求。又由于連桿不與機(jī)架相連，故其上各點(diǎn)的軌跡 是形狀各異的曲線（我門(mén)稱這些曲線為連桿曲線） ，人們可利用這些曲 線來(lái)近似滿足不同軌跡的需要。連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是其必須經(jīng)過(guò)中間構(gòu) 件作運(yùn)動(dòng)傳遞，而由于不可避免的制造誤差和運(yùn)動(dòng)副中的間隙，致使 運(yùn)動(dòng)傳遞中的誤差環(huán)節(jié)教多；另外，由于連桿是平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，其所 產(chǎn)生的慣性力難以平衡，故連桿機(jī)構(gòu)一般不宜用于精密及高速運(yùn)動(dòng)。 2 第二章 平面連桿機(jī)構(gòu) 2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成和基本形式 1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成 如圖 1-14 所示，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是由轉(zhuǎn)動(dòng)副將各構(gòu)件的頭尾聯(lián)接起 的封閉四桿系統(tǒng)，并使其中一個(gè)構(gòu)件固定而組成。被固定件 4 稱為機(jī) 架，與機(jī)架直接鉸接的兩個(gè)構(gòu)件 1 和 3 稱為連架桿，不直接與機(jī)架鉸 接的構(gòu)件 2 稱為連桿。連架桿如果能作整圈運(yùn)動(dòng)就稱為曲柄，否則就 稱為搖桿。 2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)其兩個(gè)連架桿的運(yùn)動(dòng)形式的不同，可以分為曲 柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)三種基本形式。 (1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中， 如果有一個(gè)連架桿做循環(huán)的整周運(yùn)動(dòng)而另一連架桿作搖動(dòng)，則該機(jī)構(gòu) 稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖 2-1 所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，是雷達(dá)天線調(diào)整機(jī) 構(gòu)的原理圖，機(jī)構(gòu)由構(gòu)件 AB、BC、固連有天線的 CD 及機(jī)架 DA 組 成，構(gòu)件 AB 可作整圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，成曲柄；天線 3 作為機(jī)構(gòu)的另一連架 桿可作一定范圍的擺動(dòng)，成搖桿；隨著曲柄的緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，天線仰角得 到改變。如圖 2-2 所示汽車(chē)刮雨器，隨著電動(dòng)機(jī)帶著曲柄 AB 轉(zhuǎn)動(dòng)， 刮雨膠與搖桿 CD 一起擺動(dòng)，完成刮雨功能。如圖 2-3 所示攪拌器， 圖 2-1 雷達(dá)天線調(diào)整機(jī)構(gòu) 圖 2-2 汽車(chē)雨刮器 圖 2-3 攪拌機(jī) 3 隨電動(dòng)機(jī)帶曲柄 AB 轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌爪與連桿一起作往復(fù)的擺動(dòng)，爪端點(diǎn) E 作軌跡為橢圓的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攪拌功能。 (2)雙曲柄機(jī)構(gòu)。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，兩個(gè)連架桿均能做整周的運(yùn) 動(dòng)，則該機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。如圖 2-4 所示慣性篩的工作機(jī)構(gòu)原理， 是雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。由于從動(dòng)曲柄 3 與主動(dòng)曲柄 1 的長(zhǎng)度不同， 故當(dāng)主動(dòng)曲柄 1 勻速回轉(zhuǎn)一周時(shí)，從動(dòng)曲柄 3 作變速回轉(zhuǎn)一周，機(jī)構(gòu) 利用這一特點(diǎn)使篩子 6 作加速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提高了工作性能。當(dāng)兩曲柄 的長(zhǎng)度相等且平行布置時(shí)，成了平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖 2-5a）所示為 正平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是兩曲柄轉(zhuǎn)向相同和轉(zhuǎn)速相等及連桿作平 動(dòng)，因而應(yīng)用廣泛?；疖?chē)驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用了同向等速的特點(diǎn)；路 燈檢修車(chē)的載人升斗利用了平動(dòng)的特點(diǎn)， 如圖 2-6a、b)所示。如圖 2-5b)為逆平行 雙曲柄機(jī)構(gòu)，具有兩曲柄反向不等速的特 點(diǎn)，車(chē)門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)利用了兩曲柄反向轉(zhuǎn) 動(dòng)的特點(diǎn)，如圖 2-6c)所示。 (3)雙搖桿機(jī)構(gòu)。兩根連架桿均只能在 不足一周的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱 為雙搖桿機(jī)構(gòu)。如圖 2-7 所示為港口用起 重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)原理。其中，ABCD 構(gòu)成 圖 2-7 起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)原理 圖 2-5 平面雙曲柄機(jī)構(gòu) 圖 2-6 平面雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 4 雙搖桿機(jī)構(gòu)，AD 為機(jī)架，在主動(dòng)搖桿 AB 的驅(qū)動(dòng)下，隨著機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 連桿 BC 的外伸端點(diǎn) M 獲得近似直線的水平運(yùn)動(dòng)，使吊重 Q 能作水平 移動(dòng)而大大節(jié)省了移動(dòng)吊重所需要的功率。圖 2-8 所示為電風(fēng)扇搖頭 機(jī)構(gòu)原理，電動(dòng)機(jī)外殼作為其中的一根搖桿 AB，蝸輪作為連桿 BC， 構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu) ABCD。蝸桿隨扇葉同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng) BC 作為主動(dòng)件 繞 C 點(diǎn)擺動(dòng)，使搖桿 AB 帶電動(dòng)機(jī)及扇葉一起擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電動(dòng)機(jī) 同時(shí)驅(qū)動(dòng)扇葉和搖頭機(jī)構(gòu)。圖 2-9 所示的汽車(chē)偏轉(zhuǎn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用 了等腰梯形雙搖桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的兩根搖桿 AB、 CD 是等長(zhǎng)的，適當(dāng) 選擇兩搖桿的長(zhǎng)度，可以使汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)兩轉(zhuǎn)向輪軸線近似相交于其 它兩輪軸線延長(zhǎng)線某點(diǎn) P，汽車(chē)整車(chē)?yán)@瞬時(shí)中心 P 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得各輪 子相對(duì)于地面作近似的純滾動(dòng)，以減少轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎的磨損。 二、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的條件 1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的條件 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的三種基本類(lèi)型的區(qū)別在于機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄， 存在幾個(gè)曲柄。機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄與各構(gòu)件相對(duì)尺寸的大小以及哪 個(gè)構(gòu)件作機(jī)架有關(guān)?？梢宰C明，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中存在曲柄的條件為： 條件一：最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和不大于其余兩桿長(zhǎng)度之和。 條件二：連架桿或機(jī)架中最少有一根是最短桿。 2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本類(lèi)型的判別準(zhǔn)則 (1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機(jī)構(gòu)； (2)滿足條件一而且以最短桿作機(jī)架的是雙曲柄機(jī)構(gòu)； (3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機(jī)構(gòu); (4)不滿足條件一是雙搖桿機(jī)構(gòu)。 例 2-1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) ABCD 的各桿長(zhǎng)度如 圖 2-9 汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖 2-8 電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu) 圖 2-10 5 圖 2-10 所示。請(qǐng)根據(jù)基本類(lèi)型判別準(zhǔn)則，說(shuō)明機(jī)構(gòu)分別以 AB、BC、CD、AD 各桿為機(jī)架時(shí)屬于何種機(jī)構(gòu)。 解：分析題目給出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)知，最短桿為 AD = 20，最長(zhǎng)桿為 CD = 55，其余兩桿 AB = 30、BC = 50。 因?yàn)?AD＋CD = 20＋55 = 75 AB＋BC = 30＋50 = 80 ＞ Lmin＋L max 故滿足曲柄存在的第一個(gè)條件。 1)以 AB 或 CD 為機(jī)架時(shí)，即最短桿 AD 成連架桿，故為曲柄搖桿 機(jī)構(gòu)； 2)以 BC 為機(jī)架時(shí)，即最短桿成連桿，故機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)； 3)以 AD 為機(jī)架時(shí)，即以最短桿為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。 圖 2-11 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 6 2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的其它形式 一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 在圖 2-11a）所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) ABCD 中，如果要求 C 點(diǎn)運(yùn)動(dòng) 軌跡的曲率半徑較大甚至是 C 點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，則搖桿 CD 的長(zhǎng)度就特 別長(zhǎng)，甚至是無(wú)窮大，這顯然給布置和制造帶來(lái)困難或不可能。為此， 在實(shí)際應(yīng)用中只是根據(jù)需要制作一個(gè)導(dǎo)路，C 點(diǎn)做成一個(gè)與連桿鉸接 的滑塊并使之沿導(dǎo)路運(yùn)動(dòng)即可，不再專門(mén)做出 CD 桿。這種含有移動(dòng) 副的四桿機(jī)構(gòu)稱為滑塊四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)的軌跡為曲線時(shí)稱為曲 線滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)的軌跡為直線時(shí)稱為直線滑塊機(jī)構(gòu)。直線滑 塊機(jī)構(gòu)可分為兩種情況：如圖 2-11b）所示為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，導(dǎo)路 與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心有一個(gè)偏距 e；當(dāng) e = 0 即導(dǎo)路通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心時(shí)， 稱為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖 2-11c）所示。由于對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，受力情況好，故在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。因此，今后如 果沒(méi)有特別說(shuō)明，所提的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即意指對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 應(yīng)該指出，滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅局限于圓弧和直線，還可以是任 意曲線，甚至可以是多種曲線的組合，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 簡(jiǎn)單演化的范疇，也使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用更加靈活、廣泛。 圖 2-12 所示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。圖 2-12a）所示為應(yīng)用于內(nèi)燃 機(jī)、空壓機(jī)、蒸汽機(jī)的活塞－連桿－曲柄機(jī)構(gòu)，其中活塞相當(dāng)于滑塊。 圖 2-12b）所示為用于自動(dòng)送料裝置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄每轉(zhuǎn)一圈活 塞送出一個(gè)工件。當(dāng)需要將曲柄做得較短時(shí)結(jié)構(gòu)上就難以實(shí)現(xiàn)，通常 采用圖 2-12c)所示的偏心輪機(jī)構(gòu)，其偏心圓盤(pán)的偏心距 e 就是曲柄的 長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)減少了曲柄 的驅(qū)動(dòng)力，增大了轉(zhuǎn)動(dòng)副的尺寸，提高了曲柄的強(qiáng)度和剛度，廣泛應(yīng) 用于沖壓機(jī)床、破碎機(jī)等承受較大沖擊載荷的機(jī)械中。 二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 在對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)路是固定不動(dòng)的，如果將導(dǎo)路做成導(dǎo) 桿 4 鉸接于 A 點(diǎn)，使之能夠繞 A 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并使 AB 桿固定，就變成了 圖 2-13 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 圖 2-14 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 7 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖 2-13 所示。當(dāng) AB＜BC 時(shí)，導(dǎo)桿能夠作整周的回轉(zhuǎn)， 稱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖 2-13a＝所示。當(dāng) AB＞BC 時(shí)導(dǎo)桿 4 只能作不 足一周的回轉(zhuǎn)，稱擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖 2-13b)所示。 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場(chǎng) 合得到應(yīng)用。如圖 2-14a)所示為插床的工作機(jī)構(gòu)，如圖 2-14b)所示為 牛頭刨床的工作機(jī)構(gòu)。 三、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu) 在對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，將與滑塊鉸接的構(gòu)件固定成機(jī)架，使滑塊只能搖擺 不能移動(dòng)，就成為搖塊機(jī)構(gòu)，如圖 2-15a)所示。搖塊機(jī)構(gòu)在液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng) 中得到廣泛應(yīng)用，如圖 2-15b)所示為搖塊機(jī)構(gòu)在自卸貨車(chē)上的應(yīng)用，以車(chē)架為機(jī) 架 AC，液壓缸筒 3 與車(chē)架鉸接于 C 點(diǎn)成搖塊，主動(dòng)件活塞及活塞桿 2 可沿缸筒 中心線往復(fù)移動(dòng)成導(dǎo)路，帶動(dòng)車(chē)箱 1 繞 A 點(diǎn)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)卸料或復(fù)位。將對(duì)心曲柄 滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊固定為機(jī)架，就成了定塊機(jī)構(gòu)，如圖 2-16a)所示。圖 2-16b)為 定塊機(jī)構(gòu)在手動(dòng)唧筒上的應(yīng)用，用手上下扳動(dòng)主動(dòng)件 1，使作為導(dǎo)路的活塞及活 塞桿 4 沿唧筒中心線往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)唧水或唧油。表 2-1 給出了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)及 其演化的主要型式對(duì)比。 2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性 一、運(yùn)動(dòng)特性 在圖 2-17 所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 中，設(shè)曲柄 AB 為主動(dòng)件。曲柄在 圖 2-15 搖塊機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 圖 2-12 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 圖 2-16 定塊機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 圖 2-17 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性 8 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中每周有兩次與連桿重疊，如圖 2-17 中的 B1AC1 和 AB2C2 兩 位置。這時(shí)的搖桿位置 C1D 和 C2D 稱為極限位置，簡(jiǎn)稱極位。C 1D 與 C2D 的夾角 稱為最大擺角。曲柄處于兩極位 AB1 和 AB2 的夾角銳角? θ 稱為極位夾角。設(shè)曲柄以等角速度 ω 1 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從 AB1 轉(zhuǎn)到 AB2 和從 AB2 到 AB1 所經(jīng)過(guò)的角度為（ π＋θ）和（π－θ） ，所需的 時(shí)間為 t1 和 t2 ，相應(yīng)的搖桿上 C 點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路線為 C1C2 弧和 C2C1 弧， C 點(diǎn)的線速度為 v1 和 v2 ，顯然有 t1＞t 2 ，v 1＜v 2 。這種返回速度大于 推進(jìn)速度的現(xiàn)象稱為急回特性，通常用 v1 與 v2 的比值 K 來(lái)描述急回 特性，K 稱為行程速比系數(shù)，即 K= (2-1)?????0211218/tCv 或有 (2-2)80??? 可見(jiàn)， θ 越大 K 值就越大，急回特性就越明顯。在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)可 根據(jù)需要先設(shè)定 K 值，然后算出 θ 值，再由此計(jì)算得各構(gòu)件的長(zhǎng)度 尺寸。 急回特性在實(shí)際應(yīng)用中廣泛用于單向工作的場(chǎng)合，使空回程所花 的非生產(chǎn)時(shí)間縮短以提高生產(chǎn)率。例如牛頭刨床滑枕的運(yùn)動(dòng)。 二、傳力特性 1.壓力角和傳動(dòng)角 在工程應(yīng)用中連桿機(jī)構(gòu)除了要滿 足運(yùn)動(dòng)要求外，還應(yīng)具有良好的傳力 性能，以減小結(jié)構(gòu)尺寸和提高機(jī)械效 率。下面在不計(jì)重力、慣性力和摩擦 作用的前提下，分析曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的 傳力特性。如圖 2-18 所示，主動(dòng)曲柄 的動(dòng)力通過(guò)連桿作用于搖桿上的 C 點(diǎn)， 驅(qū)動(dòng)力 F 必然沿 BC 方向，將 F 分解 為切線方向和徑向方向兩個(gè)分力 Ft 和 Fr ，切向分力 Ft 與 C 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 方向 vc 同向。由圖知 Ft = F 或 Ft = F?cos?sin Fr = F 或 Fr = F?inco α 角是 Ft 與 F 的夾角，稱為機(jī)構(gòu)的壓力角，即驅(qū)動(dòng)力 F 與 C 點(diǎn)的 運(yùn)動(dòng)方向的夾角。α 隨機(jī)構(gòu)的不同位置有不同的值。它表明了在驅(qū)動(dòng) 圖 2-18 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角 9 力 F 不變時(shí)，推動(dòng)搖桿擺動(dòng)的有效分力 Ft 的變化規(guī)律， α 越小 Ft 就越 大。 壓力角 α 的余角 γ 是連桿與搖桿所夾銳角，稱為傳動(dòng)角。由于 γ 更 便于觀察，所以通常用來(lái)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的傳力性能。傳動(dòng)角 γ 隨機(jī)構(gòu)的不 斷運(yùn)動(dòng)而相應(yīng)變化，為保證機(jī)構(gòu)有較 好的傳力性能，應(yīng)控制機(jī)構(gòu)的最小傳 動(dòng)角 γmin。一般可取 γmin≥40°，重 載高速場(chǎng)合取 γmin≥50°。曲柄搖桿 機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架 共線的兩個(gè)位置之一，如圖 2-18 所 示的 B1 點(diǎn)或 B2 點(diǎn)位置。 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以曲柄為主 動(dòng)件，滑塊為工作件，傳動(dòng)角 γ 為連桿與導(dǎo)路垂線所夾銳角，如圖 2- 19 所示。最小傳動(dòng)角 γmin 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時(shí)的位置，并且位于 與偏距方向相反一側(cè)。對(duì)于對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即偏距 e = 0 的情況， 顯然其最小傳動(dòng)角 γmin 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時(shí)的位置。 對(duì)以曲柄為主動(dòng)件的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)榛瑝K對(duì)導(dǎo)桿的作用力始 終垂直于導(dǎo)桿，其傳動(dòng)角 γ 恒為 90°，即 γ = γmin = γmax =90°,表明導(dǎo) 桿機(jī)構(gòu)具有最好的傳力性能。 2.止點(diǎn) 從 Ft = F cosα 知，當(dāng)壓力角 α = 90°時(shí)，對(duì)從動(dòng)件的作用力或力矩 為零，此時(shí)連桿不能驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件工作。機(jī)構(gòu)處在這種位置稱為止點(diǎn)， 又稱死點(diǎn)。如圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)從動(dòng)曲柄 AB 與連桿 BC 共線時(shí)，出現(xiàn)壓力角 α = 90°，傳動(dòng)角 γ = 0。如圖 2-20b)所示的曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果以滑塊作主動(dòng)，則當(dāng)從動(dòng)曲柄 AB 與連桿 BC 共線 圖 2-19 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳角 圖 2-20 平面四桿機(jī)構(gòu)的止點(diǎn)位置 10 時(shí)，外力 F 無(wú)法推動(dòng)從動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)位置，一方面驅(qū)動(dòng) 力作用降為零，從動(dòng)件要依靠慣性越過(guò)止點(diǎn)；另一方面是方向不定， 可能因偶然外力的影響造成反轉(zhuǎn)。 四桿機(jī)構(gòu)是否存在止點(diǎn)，取決于從動(dòng)件是否與連桿共線。例如上 述圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如果改搖桿主動(dòng)為曲柄主動(dòng)，則搖 桿為從動(dòng)件，因連桿 BC 與搖桿 CD 不存在共線的位置，故不存在止 點(diǎn)。又例如前述圖 2-20b)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果改曲柄為主動(dòng)， 就不存在止點(diǎn)。 止點(diǎn)的存在對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是不利的，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止點(diǎn)。當(dāng)無(wú)法 避免出現(xiàn)止點(diǎn)時(shí)，一般可以采用加大從動(dòng)件慣性的方法，靠慣性幫助 通過(guò)止點(diǎn)。例如內(nèi)燃機(jī)曲軸上的飛輪。也可以采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列的方 法，靠?jī)山M機(jī)構(gòu)止點(diǎn)位置差的作用通過(guò)各自的止點(diǎn)。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合是利用止點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)一定工作 要求的。如圖 2-21a）所示為一種快速夾具，要求夾緊工件后夾緊反力 不能自動(dòng)松開(kāi)夾具，所以將夾頭構(gòu)件 1 看成主動(dòng)件，當(dāng)連桿 2 和從動(dòng) 件 3 共線時(shí)，機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)，夾緊反力 N 對(duì)搖桿 3 的作用力矩為零。 這樣，無(wú)論 N 有多大，也無(wú)法推動(dòng)搖桿 3 而松開(kāi)夾具。當(dāng)我們用手搬 動(dòng)連桿 2 的延長(zhǎng)部分時(shí)，因主動(dòng)件的轉(zhuǎn)換破壞了止點(diǎn)位置而輕易地松 開(kāi)工件。如圖 2-21b)所示為飛機(jī)起落架處于放下機(jī)輪的位置，地面反 力作用于機(jī)輪上使 AB 件為主動(dòng)件，從動(dòng)件 CD 與連桿 BC 成一直線， 機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)，只要用很小的鎖緊力作用于 CD 桿即可有效地保持著 支撐狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)升空離地要收起機(jī)輪時(shí)，只要用較小力量推動(dòng) CD， 因主動(dòng)件改為 CD 破壞了止點(diǎn)位置而輕易地收起機(jī)輪。此外，還有汽 車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、折疊椅等。 圖 2-21 機(jī)構(gòu)止點(diǎn)位置的應(yīng)用 11 2.4 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有圖解法、試驗(yàn)法、解析法三種。本節(jié)僅介 紹前兩種方法。 一、用圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 1.按連桿的預(yù)定位置設(shè)計(jì)四桿機(jī) 構(gòu) 例 2-1 已知連桿 BC 的長(zhǎng)度和 依次占據(jù)的三個(gè)位置 B1C1、B 2C2、B 3C3 ，如圖 2-22 所示。 求確定滿足上述條件的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 的其它各桿件的長(zhǎng)度和位置。 解：顯然 B 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是由 B1、B 2、B 3 三點(diǎn)所確定的圓弧，C 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是由 C1、C 2、C 3 三點(diǎn) 所確定的圓弧，分別找出這兩段圓弧的圓心 A 和 D，也就完成了本四 桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)架 AD 已定，連架桿 CD 和 AB 也已定。 具體作法如下： (1)確定比例尺，畫(huà)出給定連桿的三個(gè)位置。實(shí)際機(jī)構(gòu)往往要通過(guò) 縮小或放大比例后才便于作圖設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)谋壤?尺 ，見(jiàn)式（ 1-1） 。l? (2)連結(jié) B1B2、B 2B3 ，分別作直線段 B1B2 和 B2B3 的垂直平分線 b12 和 b23（圖中細(xì)實(shí)線） ，此兩垂直平分線的交點(diǎn) A 即為所求 B1、B 2、B 3 三點(diǎn)所確定圓弧的圓心。 (3)連結(jié) C1C2、C 2C3，分別作直線段 C1C2 和 C2C3 的垂直平分線 c12、c 23（圖中細(xì)實(shí)線）交于點(diǎn) D，即為所求 C1、 C2、C 3 三點(diǎn)所確定圓 弧的圓心。 (4)以 A 點(diǎn)和 D 點(diǎn)作為連架鉸鏈中心，分別連結(jié) AB3、 B3C3、C 3D（圖中粗實(shí)線）即得所求四桿機(jī)構(gòu)。從圖中量得各桿 的長(zhǎng)度再乘以比例尺，就得到實(shí)際結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺寸。 在實(shí)際工程中，有時(shí)只對(duì)連桿的兩個(gè)極限位置提出要求。這樣一 圖 2-2 12 來(lái)，要設(shè)計(jì)滿足條件的四桿機(jī)構(gòu)就會(huì)有很多種結(jié)果，這時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí) 際情況提出附加條件。 例 2-2 如圖 2-23 所示的加熱爐門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)，圖中Ⅰ為爐門(mén)關(guān)閉位 置，使用要求在完全開(kāi)啟后門(mén)背朝上水平放 置并略低于爐口下沿，見(jiàn)圖中Ⅱ位置。 解：把爐門(mén)當(dāng)作連桿 BC，已知的兩個(gè)位 置 B1C1 和 B2C2 ，B 和 C 已成為兩個(gè)鉸點(diǎn)， 分別作直線段 B1B2、C 1C2 的平分線得 b12 和 c12 ，另外兩鉸點(diǎn) A 和 D 就在這兩根平分線 上。為確定 A、D 的位置，根據(jù)實(shí)際安裝需 要，希望 A、D 兩鉸鏈均安裝在爐的正壁面 上即圖中 yy 位置，yy 直線分別與 b12、c 12 相 交點(diǎn) A 和 D 即為所求。 二、按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī) 構(gòu) 設(shè)計(jì)具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)，一般是 根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求選定行程速比系數(shù)，然后根據(jù) 機(jī)構(gòu)極位的幾何特點(diǎn)，結(jié)合其他輔助條件進(jìn) 行設(shè)計(jì)。 例 2-3 已知行程速比系數(shù) K，搖桿長(zhǎng)度 lCD， 最大擺角 ，請(qǐng)用圖解法設(shè)計(jì)此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。? 解：設(shè)計(jì)過(guò)程如圖 2-24 所示，具體步驟： (1)由速比系數(shù) K 計(jì)算極位角 θ。由式（2-2）知 180????? (2)選擇合適的比例尺，作圖求搖桿的極限位置。取搖桿長(zhǎng)度 CD 乘以比例尺 得圖中搖桿長(zhǎng) CD，以 CD 為半徑、任定點(diǎn) D 為圓心、l? 任定點(diǎn) C1 為起點(diǎn)做弧 C，使弧 C 所對(duì)應(yīng)的圓心角等于或大于最大擺角 ，連接 D 點(diǎn)和 C1 點(diǎn)的線段 C1D 為搖桿的一個(gè)極限位置，過(guò) D 點(diǎn)作? 與 C1D 夾角等于最大擺角 的射線交圓弧于 C2 點(diǎn)得搖桿的另一個(gè)極限? 位置 C2D。 (3)求曲柄鉸鏈中心。過(guò) C1 點(diǎn)在 D 點(diǎn)同 側(cè)作 C1C2 的垂線 H，過(guò) C2 點(diǎn)作與 D 點(diǎn)同 側(cè)與直線段 C1C2 夾角為（ 900－θ）的直 線 J 交直線 H 于點(diǎn) P，連接 C2P，在直線段 C2P 上截取 C2P/2 得點(diǎn) O，以 O 點(diǎn)為圓點(diǎn)、 圖 2-24 按行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 圖 2-23 13 OP 為半徑，畫(huà)圓 K ，在 C1C2 弧段以外在 K 上任取一點(diǎn) A 為鉸鏈中 心。 (4)求曲柄和連桿的鉸鏈中心。連接 A、C 2 點(diǎn)得直線段 AC2 為曲柄 與連桿長(zhǎng)度之和，以 A 點(diǎn)為圓心、AC 1 為半徑作弧交 AC2 于點(diǎn) E，可 以證明曲柄長(zhǎng)度 AB = C2E/2，于是以 A 點(diǎn)為圓心、 C2E/2 為半徑畫(huà)弧 交 AC2 于點(diǎn) B2 為曲柄與連桿的鉸接中心。 (5)計(jì)算各桿的實(shí)際長(zhǎng)度。分別量取圖中 AB2、AD 、B 2C2 的長(zhǎng)度， 計(jì)算得： 曲柄長(zhǎng) lAB = AB2，連桿長(zhǎng) lBC = B2C2 ，機(jī)架長(zhǎng) lAD = AD。l?l?l? 16 14 第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) （一）要求 1、了解四桿機(jī)構(gòu)的演化，掌握如何判斷機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 2、掌握四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：①按機(jī)構(gòu)位置要求；②按行程速比系數(shù)K 值 （二）重點(diǎn)與難點(diǎn) 1、四桿機(jī)構(gòu)的演化，整轉(zhuǎn)副的條件 2、靈活應(yīng)用機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu) （三）內(nèi)容 具體內(nèi)容參照以下章節(jié)說(shuō)明。 3．1 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題 3.1.1 平面連桿機(jī)構(gòu) 用低副連接而成的平面機(jī)構(gòu)。 3.1.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 1、能實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式。如：轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng)，移動(dòng)，平面運(yùn)動(dòng) 2、運(yùn)動(dòng)副為低副： 面接觸：①承載能力大；②便于潤(rùn)滑。壽命長(zhǎng) 幾何形狀簡(jiǎn)單——便于加工，成本低。 1，2 為優(yōu)點(diǎn) 3、缺點(diǎn)： ①只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；②設(shè)計(jì)復(fù)雜；③只用于速度較低的 場(chǎng)合。 3.1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題 選型：確定連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成：構(gòu)件數(shù)目，運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型、數(shù)目。 運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)：確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的參數(shù)：①轉(zhuǎn)動(dòng)副中心之間的距離； ②移動(dòng)副位置 尺寸 1、實(shí)現(xiàn)構(gòu)件給定位置 15 2、實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3、實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)軌跡 3.1.4 設(shè)計(jì)方法 1、圖解法，2、解析法，3、圖譜法，4 實(shí)驗(yàn)法 3．2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及其演化 平面連桿機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件均由低副連接而成 3.2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：所有運(yùn)動(dòng)副均為 轉(zhuǎn)動(dòng)副的平面四桿機(jī)構(gòu) 1、4—機(jī)架 1，3—連架桿→定軸轉(zhuǎn)動(dòng) 2—連桿→平面運(yùn)動(dòng) 整轉(zhuǎn)副：二構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)為整周轉(zhuǎn)動(dòng)。擺動(dòng)副：二構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)不整 周轉(zhuǎn)動(dòng)。 （模型：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)， 偏心輪機(jī)構(gòu)） 2、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式 曲柄；作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿 搖桿：非整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿 1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 2）雙曲柄機(jī)構(gòu) 3）雙搖桿機(jī)構(gòu) 3.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化 1、擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副 偏心輪，偏心距，偏心輪機(jī)構(gòu) 2、轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副： 曲柄滑塊機(jī)械偏距e e≠0，偏置 16 e=0，對(duì)心 A，B 整轉(zhuǎn)副。 曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，正弦機(jī)構(gòu)， sinθ AB S = l 3、變換機(jī)架 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： 構(gòu)件4 為機(jī)架，——曲柄搖桿 構(gòu)件1 為機(jī)架，——雙曲柄 構(gòu)件2 為機(jī)架，——曲柄搖桿 構(gòu)件3 為機(jī)架，——雙搖桿 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)： 構(gòu)件4 為機(jī)架——曲柄滑塊 構(gòu)件1 為機(jī)架——轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿 構(gòu)件2 為機(jī)架——曲柄搖塊 構(gòu)件3 為機(jī)架——移動(dòng)導(dǎo)桿 17 3．3 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件和幾個(gè)基本概念 3.3.1 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件（也可作曲柄和連桿線圖） （若1 和4 能繞A 整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則存在兩個(gè)特殊位置） a+b≤b+c (1) ba+e? 有曲柄的條件 18 △ AGE ：a+b>e e=0, b>a 3.3.2 行程速度變化系數(shù) 1、機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)特性： 原動(dòng)件作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件正行程和反行 程的平均速度不 相等。 2、行程速度變化系數(shù) K= (≥ 1) 從動(dòng)件慢行程平均速度 從動(dòng)件快行程平均速度 180 2180 1 221 ? ?θ? θ? θ ?? =? ? ?= ?= +??1 1 2 2 ? → t ,? → t （從動(dòng)件慢行程）（快行程） θθ?????+= = = = ??180180212112tttK t或1180 1+?=Kθ ? K 極位夾角（

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