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1、機械設計基礎,國家級精品課程教材,電子工業(yè)出版社,主編：唐林虎副主編：張亞萍等,第三章 平面連桿機構,第三章 平面連桿機構,3.1 概述,1,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,2,3.3 平面四桿機構的演化形式,3,3.4 平面連桿機構的基本特性,4,3.5 平面連桿機構的設計,5, 3.6 平面多桿機構簡介,6,第三章 平面連桿機構,1,2,3,4,6,課后習題答案,第三章 平面連桿機構,教學要求（1）掌握平面四桿機構的基本形式、應用及演化；（2）掌握平面四桿機構的基本特性，理解急回特性、行程速比因數(shù)、傳動角、壓力角、死點位置等概念；（3）掌握鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件；（4）掌握四桿機

2、構的設計方法。重點與難點重點：平面四桿機構的基本形式、應用及基本特性；難點：平面四桿機構類型的判斷及設計方法。,3.1 概述,連桿機構是用轉(zhuǎn)動副和移動副將構件相互聯(lián)接而成，用以實現(xiàn)運動變換和動力傳遞的機構。 連桿機構按各構件間相對運動性質(zhì)的不同，可分為空間連桿機構和平面連桿機構兩類。平面連桿機構是由若干構件通過低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接而成的平面機構，又稱為平面低副機構。,平面連桿機構的優(yōu)點： （1）能夠進行多種運動形式的轉(zhuǎn)換。 （2）運動副一般均為低副。兩構件之間為面接觸，接觸表面是圓柱面或平面，單位面積上的壓力較小，制造容易，磨損較慢，可承受較大載荷。 （3）具有豐富的連桿曲線。,3.1

3、概述,平面連桿機構的缺點： （1）連接處的間隙造成的積累誤差較大，機械效率較低。 （2）連桿機構運動時產(chǎn)生慣性力，不適用于高速場合。 （3）設計方法比較復雜，難以實現(xiàn)精確的軌跡。 平面連桿機構應用于各種機器和儀器中，如金屬加工機床、起重運輸機械、采礦機械、農(nóng)業(yè)機械、交通運輸機械和儀表等。本章著重介紹平面四連桿機構的類型、基本特性和設計方法。,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,鉸鏈四桿機構：所有運動副均為轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構 。,連桿,連架桿,連架桿,機架,構件名稱：（1）機架：機構中固定不動的構件AD。（2）連架桿：與機架相連的構件AB和CD。（3） 連桿：不與機架直接連接的構件BC。,3

4、.2 平面連桿機構的基本類型和應用,（1）曲柄搖桿機構,（2）雙曲柄機構,（3）雙搖桿機構,連架桿,曲柄：能繞軸線作整周回轉(zhuǎn)運動的連架桿。,搖桿：只能在某一角度(小于360)內(nèi)擺動的連架桿。,因此，鉸鏈四桿機構又根據(jù)其連架桿運動形式的不同，分為以下三種基本類型：,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,3.2.1曲柄搖桿機構,兩連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿的鉸鏈四桿機構。,運動特點： 若選曲柄為主動件，則該機構可將曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復擺動。 若選搖桿為主動件，則該機構可將搖桿的往復擺動轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼芑剞D(zhuǎn)運動。,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,破碎機的破碎機構,縫紉

5、機的驅(qū)動機構,應用實例：,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,3.2.2雙曲柄機構,兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機構。1.普通雙曲柄機構,運動特點： 主動曲柄等速回轉(zhuǎn)一周，從動曲柄變速回轉(zhuǎn)一周，從動曲柄的角速度在一周中有時小于主動曲柄的角速度，有時大于主動曲柄的角速度。,普通雙曲柄機構,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,應用實例：,慣性篩,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,2.平行雙曲柄機構,運動特點： 兩曲柄的回轉(zhuǎn)方向相同，且角速度時時相等。,應用實例：,機車聯(lián)動機構,路燈檢修車升降機構,平行雙曲柄機構,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,3

6、.反向雙曲柄機構,運動特點： 兩曲柄反向不等速。,應用實例：,車門啟閉機構,反向雙曲柄,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,3.2.3雙搖桿機構,兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構。,運動特點： 兩搖桿均可作為主動件。當主動搖桿擺動時，通過連桿帶動從動搖桿擺動。,應用實例：,雙搖桿機構,港口起重機,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.2 平面連桿機構的基本類型和應用,電風扇搖頭機構,汽車前輪轉(zhuǎn)向機構,3.3 平面四桿機構的演化形式,在實際機械中，還廣泛采用著其他多種形式的四桿機構。這些機構可認為是由四桿機構的基本類型演化而成的。 其演變的方法有：（1）改變構件的形狀、長度。（2）改變運動

7、副的尺寸。（3）選不同構件為機架等。,較為常用的演化機構有： 曲柄滑塊機構、導桿機構、搖塊機構、定塊機構等。 它們均屬于滑塊四桿機構，即含有移動副和轉(zhuǎn)動副的四桿機構。,3.3 平面四桿機構的演化形式,曲柄滑塊機構是由曲柄、連桿、滑塊及機架組成。是在曲柄搖桿機構的基礎上，采用了改變構件尺寸和形狀的方法而得到的另一種平面連桿機構，常用作回轉(zhuǎn)運動與往復直線運動之間的轉(zhuǎn)換。,3.3.1 曲柄滑塊機構,曲柄搖桿機構,圓弧導軌曲柄滑塊機構,3.3 平面四桿機構的演化形式,若滑塊移動導路中心通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，則稱為對心曲柄滑塊機構；若不通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，則稱為偏置曲柄滑塊機構，e為偏心距。,對心曲柄滑塊機構

8、,偏置曲柄滑塊機構,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.3 平面四桿機構的演化形式,應用實例：,機構示意圖 機構簡圖 內(nèi)燃機中的曲柄滑塊機構1-曲軸；2-連桿；3-活塞,機構示意圖 機構簡圖 壓力機中的曲柄滑塊機構 1-工件；2-滑塊；3-連桿；4-曲軸；5-齒輪,3.3 平面四桿機構的演化形式,3.3.2 導桿機構,曲柄滑塊機構,轉(zhuǎn)動導桿機構（l1l2）,若改選曲柄滑塊機構中的構件AB為機架，則構件AC將繞A轉(zhuǎn)動，而滑塊將以構件AC為導軌，沿該構件相對移動，并一起繞A點轉(zhuǎn)動，構件AC稱為導桿，而由此演化成的四桿機構稱為導桿機構。,擺動導桿機構（l1l2）,改選AB為機架,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.3 平面

9、四桿機構的演化形式,應用實例：,簡易刨床的主運動機構,動態(tài)演示,牛頭刨床的主運動機構,3.3 平面四桿機構的演化形式,3.3.3 搖塊機構,曲柄滑塊機構,曲柄滑塊機構中，如改選與滑塊鉸接的構件BC為機架，使滑塊只能搖擺不能移動，則將演化成搖塊機構，,改選BC為機架,搖塊機構,應用實例：,自卸汽車的翻斗機構,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.3 平面四桿機構的演化形式,3.3.4 定塊機構,將曲柄滑塊機構中的滑塊改為機架，將演化成定塊機構。,應用實例：,手動唧筒,曲柄滑塊機構,改選滑塊為機架,動態(tài)演示,定塊機構,3.4 平面連桿機構的基本特性,平面連桿機構具有傳遞和變換各種運動，實現(xiàn)力的傳遞和變換的功能，

10、前者稱為平面連桿機構的運動特性，后者稱為平面連桿機構的傳力特性。,3.4.1 運動特性,1鉸鏈四桿機構存在曲柄的條件 鉸鏈四桿機構中有曲柄的前提是運動副中必有整轉(zhuǎn)副存在。 影響平面鉸鏈四桿機構中曲柄存在的因素有：（1）構成四桿運動鏈的各構件長度。（2）運動鏈中選取的機架與其它構件的相對位置。,下面以曲柄搖桿機構為例，討論鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件。,3.4 平面連桿機構的基本特性,設曲柄搖桿機構各桿的桿長分別為a、b、c、d，設da，在桿AB繞轉(zhuǎn)動副A轉(zhuǎn)動過程中，要使A成為整轉(zhuǎn)副，則AB應能占據(jù)與機架AD重疊和拉直共線的兩個特殊位置AB1和AB2，即可構成B1C1D和B2C2D。,根據(jù)三角形兩

11、邊之和大于第三邊這一幾何關系，并結(jié)合機構運動的特點，可得：,將上式兩兩相加，得：ac；ab；ad,3.4 平面連桿機構的基本特性,故四桿機構有曲柄的條件為： （1）最短桿與最長桿的長度之和應小于其他兩桿長度之和； （2）連架桿或機架中必有一最短桿。,曲柄搖桿機構 雙曲柄機構 雙搖桿機構,根據(jù)上述結(jié)論，可得出以下推論： （1）當lmin+lmaxl+ l時： 若以最短桿的相鄰構件為機架，該機構為曲柄搖桿機構。 若以最短桿為機架，該機構為雙曲柄機構。 若以最短桿相對的構件為機架，該機構為雙搖桿機構。,3.4 平面連桿機構的基本特性,l1，l2，l3，l4,lmax+lminl+l,lmin為連架桿

12、嗎？,曲柄搖桿機構,lmin為機架嗎？,雙曲柄機構,雙搖桿機構,N,N,N,Y,Y,Y,鉸鏈四桿機構基本類型的判別流程可用下面框圖表示：,（2）當lmin+lmaxl+ l時： 則無論取哪個構件為機架，均無曲柄存在，只能為雙搖桿機構。,3.4 平面連桿機構的基本特性,2急回運動特性,（1）曲柄搖桿機構分析 曲柄搖桿機構中，設曲柄AB為原動件。在曲柄以等角速度1逆時針轉(zhuǎn)動一周的過程中，兩次與連桿共線。,此時C1D和C2D為搖桿的兩個極限位置，簡稱極位。其夾角稱為最大擺角。曲柄與連桿兩次共線位置間所夾的銳角為極位夾角。 當主動件曲柄AB以等角速度1逆時針旋轉(zhuǎn)，從動件在正行程（行程）C1D至C2D和

13、反行程（回程）C2D至C1D時C點的平均線速度分別為 和 ，所需時間為t1和t2 ，對應曲柄的轉(zhuǎn)角分別為1=+和2=-，顯然有t1t2，即搖桿(回程)的速度大于行程的速度。,3.4 平面連桿機構的基本特性,（2）急回運動特性 構件返回速度大于推進速度的現(xiàn)象稱為急回運動特性。,（3）行程速比因數(shù) 通常用 與 的比值K來描述急回特性，K稱為行程速比因數(shù)。,0，K1，有急回特性； 越大，K越大，急回特性越明顯； 越小，K越小，急回特性越不明顯； =0時，K=1，機構無急回特性。,機構有無急回特性，急回特性是否顯著，取決于機構的極位夾角,3.4 平面連桿機構的基本特性,除曲柄搖桿機構外，偏置曲柄滑塊機

14、構、擺動導桿機構等也都具有急回特性。,偏置曲柄滑塊機構,擺動導桿機構,3.4 平面連桿機構的基本特性,3.4.2 傳力特性,1壓力角和傳動角 （1）壓力角 力F與受力點的速度vc方向之間所夾的銳角，稱為壓力角。,（2）傳動角 壓力角的余角。,Ft= FcosFn= Fsin,有效分力,有害分力,壓力角越小，或傳動角越大，則力F在vc方向的有效分力越大，機構的傳力性能越好。因此，壓力角或傳動角的大小是衡量機構傳力性能的重要標志。,3.4 平面連桿機構的基本特性,（3）機構具有良好傳力性能的條件 傳動角隨機構的不斷運動而相應變化，為保證機構有較好的傳力性能，應控制機構的最小傳動角min。一般可取m

15、in40，重載高速場合取min50。,（4）最小傳動角min的確定 曲柄搖桿機構的min 在曲柄整轉(zhuǎn)一周的過程中，當曲柄轉(zhuǎn)到與機架共線的兩個位置時，傳動角將出現(xiàn)極值和，其中較小者即為最小傳動角min。,3.4 平面連桿機構的基本特性,曲柄滑塊機構的最大壓力角max 若機構的主動件為曲柄AB，從動件為滑塊C，在曲柄與滑塊導路垂直時，=max。,擺動導桿機構的最小壓力角min 構件3作用于導桿4上的力F和導桿4上的C點速度VC4都始終垂直于AC，壓力角始終為0，傳力性能最好。,曲柄滑塊機構的max,擺動導桿機構的min,3.4 平面連桿機構的基本特性,2死點位置 不管在主動件上作用多大的驅(qū)動力，都

16、不能在從動件上產(chǎn)生有效分力的機構位置，稱為機構的死點位置。（1）死點位置舉例,曲柄搖桿機構的死點位置,擺動導桿機構的死點位置,曲柄滑塊機構的死點位置,3.4 平面連桿機構的基本特性,（2）死點位置的克服 當死點位置的存在對機構運動不利時，應盡量避免出現(xiàn)死點，克服死點位置的方法有：,采用機構死點位置錯位排列的辦法，以保持從動曲柄的轉(zhuǎn)向不變。,利用飛輪慣性,采用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助通過死點。,3.4 平面連桿機構的基本特性,（3）死點位置的利用 在實際工程應用中，有許多場合是利用死點位置來實現(xiàn)一定工作要求的，例如：,工件夾緊機構,飛機起落架,動態(tài)演示,動態(tài)演示,3.5 平面連桿機構的設計,3.5.1 連桿機構設計的基本問題,連桿機構設計可歸納為下列兩類問題： （1）按照給定從動件的位置設計四桿機構，即位置設計。 （2）按照給定點的運動軌跡設計四桿機構，即軌跡設計。,設計方法：,（1）作圖法：直觀、清晰，簡單易行，但誤差較大。 （2）實驗法：適用于運動要求較復雜的四桿機構的初步設計，但工作較繁瑣。 （3）解析法：可得到較準確的結(jié)果并具有較高的精度，但計算求解較麻煩。,本節(jié)主要介紹