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機械設計基礎,武漢理工大學物流工程系工業(yè)工程研究所羅齊漢qhluo@2004年3月,FoundationofMachineDesign,第2章平面連桿機構(gòu),鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的演變平面四桿機構(gòu)的設計,3,2020年4月28日星期二,平面連桿機構(gòu)的特點,平面連桿機構(gòu)是構(gòu)件全部由平面低副連接而構(gòu)成的機構(gòu)。優(yōu)點1.低副是面接觸，因此壓強小、耐磨損。適用于載荷較大的場合。2.低副的接觸面通常是容易加工的平面或圓柱面，容易獲得較高的制造精度。3.連桿可做得很長，可較長距離傳遞運動。適合于操縱機構(gòu)。4.低副的約束為幾何約束(靠形狀限制運動)，無需附加約束裝置。,4,2020年4月28日星期二,平面連桿機構(gòu)的特點,缺點1.低副存在間隙，會引起運動誤差積累。不宜用于高精度。2.連桿機構(gòu)設計復雜，難于實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。3.有相當部分構(gòu)件處于變速運動中，存在慣性力。不適合高速。由自由度計算公式可知，最簡單的單自由度平面連桿機構(gòu)是四桿機構(gòu)。四桿機構(gòu)工程上應用最多，它也是構(gòu)成多桿機構(gòu)的基礎，本章著重討論四桿機構(gòu)。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),5,2020年4月28日星期二,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),全部運動副都是回轉(zhuǎn)副的平面四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu)。如圖所示，固定桿4稱為機架，與機架相連的桿1、3稱為連架桿，不與機架直接連接的桿2稱為連桿，作整周回轉(zhuǎn)的連架桿1稱為曲柄，作往復擺動的連架桿3稱為搖桿。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),6,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件,圖示曲柄搖桿機構(gòu)來討論存在曲柄的條件。圖中給出了搖桿處于兩極限位置時的情況。根據(jù)三角形任意兩邊邊長之和必大于等于第三邊邊長的定理:,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),7,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件,上述關(guān)系說明,鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件：①最短、最長桿長度之和≤另外兩桿的長度之和；②連架桿或機架是最短桿。其中條件①又稱為格拉肖夫(Grashof)判別式,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),8,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型判別,1、如果滿足格拉肖夫判別式①以最短桿相鄰的桿作機架，得到曲柄搖桿機構(gòu)；②以最短桿作機架，得到雙曲柄機構(gòu)；③以最短桿相對的桿作機架，得到雙搖桿機構(gòu)。2、如果不滿足格拉肖夫判別式，則無論以哪個桿作機架，都只能得到雙搖桿機構(gòu)。,不滿足：雙搖桿機構(gòu)格拉肖夫判別式最短桿為連架桿：曲柄搖桿機構(gòu)滿足：最短桿為機架：雙曲柄機構(gòu)最短桿為連桿：雙搖桿機構(gòu),,,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),9,2020年4月28日星期二,鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型和特性,曲柄搖桿機構(gòu)兩個連架桿中，一個是曲柄，一個是搖桿。通常曲柄主動，搖桿從動，但也有搖桿主動的情況。應用例：縫紉機腳踏機構(gòu)、復擺式腭式破碎機、鋼坯輸送機等。,10,2020年4月28日星期二,雷達調(diào)整機構(gòu)和縫紉機腳踏機構(gòu),,,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),11,2020年4月28日星期二,復擺式腭式破碎機,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),12,2020年4月28日星期二,鋼材輸送機,,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),13,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性,當曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，搖桿作變速擺動，而且往復擺動的平均速度是不同的。若將平均速度小的行程作為工作行程(正行程)，將平均速度大的行程作為非工作行程(反行程)，那麼，我們把曲柄搖桿機構(gòu)這種正、反行程平均速度不等的特性稱為急回特性。急回特性很有用，牛頭刨床、往復式運輸機等機械就常常利用急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),14,2020年4月28日星期二,行程速比系數(shù)Ｋ,急回特性常用行程速比系數(shù)Ｋ(搖桿反、正行程平均速度之比)來度量。如圖所示，曲柄順時針勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右擺動(順時針為正行程，逆時針為反行程)。我們把搖桿處于兩極限位置時連桿對應位置所夾的銳角稱為極位夾角，用θ表示。根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),15,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機構(gòu)的死點,搖桿為主動件的曲柄搖桿機構(gòu)，當曲柄與連桿兩次共線時，機構(gòu)就會出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。這種機構(gòu)出現(xiàn)卡死或運動不確定的位置點稱為死點。死點通常有害，應設法消除。消除方法有：①對從動曲柄施加附加力矩。②利用構(gòu)件自身或飛輪的慣性。③多組相同機構(gòu)錯開一定角度布置。縫紉機腳踏板機構(gòu)就存在死點。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),16,2020年4月28日星期二,死點的應用,如圖所示為利用死點夾緊工件，當卸去夾緊驅(qū)動力P后，由于BCD三點共線，工件對壓頭(桿1)的反作用力Ｎ不能使桿１轉(zhuǎn)動，因而工件不會松。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),17,2020年4月28日星期二,飛機起落架是利用死點工作的又一個典型實例,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),18,2020年4月28日星期二,曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角,定義：作用力和力作用點運動線速度方向之間所夾的銳角稱為壓力角，常用α表示；壓力角的余角稱為傳動角，常用γ表示。曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角隨曲柄的轉(zhuǎn)動而變。傳動角越大則機械效率越高，動力傳動中一般要求傳動角最小值應大于40。因此設計曲柄搖桿機構(gòu)時有必要檢驗γmin值。不難看出，對于曲柄主動的曲柄搖桿機構(gòu)，最小傳動角就是連桿和搖桿所夾的最小銳角。,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),19,2020年4月28日星期二,雙曲柄機構(gòu),兩連架桿都作整周轉(zhuǎn)動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。通常，主動曲柄勻速轉(zhuǎn)動，從動曲柄變速轉(zhuǎn)動。無死點。,,2-1鉸鏈四桿機構(gòu),20,2020年4月28日星期二,雙搖桿機構(gòu),兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,21,2020年4月28日星期二,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,一、曲柄滑塊機構(gòu),22,2020年4月28日星期二,二、曲柄滑塊機構(gòu)的演變,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,23,2020年4月28日星期二,1.導桿機構(gòu),導桿機構(gòu)中，通常曲柄２整周轉(zhuǎn)動，滑塊３在導桿４上滑動并跟隨導桿轉(zhuǎn)動或擺動。由圖容易知道，若l2≥l1，則得到轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)；若l2＜l1，則得到擺動導桿機構(gòu)?？梢钥闯觯孩賹U機構(gòu)的傳動角始終等于90，具有很好的傳力性能，因此常用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵中。②擺動導桿機構(gòu)也存在急回特性。,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,24,2020年4月28日星期二,2.搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu),搖塊機構(gòu)廣泛應用于擺缸式內(nèi)燃機和液壓驅(qū)動裝置中，自卸貨車就是很典型的應用。定塊機構(gòu)常用于抽水唧筒和抽油泵中。,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,25,2020年4月28日星期二,3、雙滑塊機構(gòu),將鉸鏈四桿機構(gòu)的其中兩桿桿長增至無窮可演化為具有兩個移動副的四桿機構(gòu)——雙滑塊機構(gòu)。按照兩個移動副所處的位置不同，雙滑塊機構(gòu)可分為四種形式：(1)兩移動副不相鄰。例如圖a)所示的正切機構(gòu)(其從動件3的位移與主動件1轉(zhuǎn)角的正切成正比)。(2)兩移動件相鄰且其中一個與機架相連。例如圖b的正弦機構(gòu)(從動件3的位移與曲柄1轉(zhuǎn)角的正弦成正比)。(3)兩移動件相鄰但都不與機架相連。下面所示的十字滑塊機構(gòu)就是這種機構(gòu)。十字滑塊機構(gòu)常用作聯(lián)軸器，它可以自動補償主、從動軸由于對中不良而產(chǎn)生的位置誤差。(4)兩移動副相鄰且都與機架相連。下面所示的橢圓儀就是這種機構(gòu)。當兩個滑塊在機架的滑槽中移動時，連桿上的各點的軌跡是長短半徑不同的橢圓。,2-2鉸鏈四桿機構(gòu)的演變,26,2020年4月28日星期二,三、偏心輪機構(gòu),下圖所示為兩種偏心輪機構(gòu)。構(gòu)件１為圓盤，其幾何中心Ｂ。因運動時該圓盤繞軸Ａ轉(zhuǎn)動，故稱為偏心輪。Ａ、Ｂ之間的距離e稱為偏心距。按照相對運動關(guān)系，可畫出機構(gòu)運動簡圖如圖中紅線所示。由圖可知，偏心輪是將回轉(zhuǎn)副Ｂ擴大到包括回轉(zhuǎn)副Ａ而形成的，偏心距e即為曲柄的長度。當曲柄長度很小或傳遞很大的動力時，通常都把曲柄做成偏心輪。這樣一方面提高了偏心軸的強度和剛度(因軸頸的直徑增大了)；另一方面當軸頸位于中部時也便于安裝整體式連桿，使結(jié)構(gòu)簡化。因此，偏心輪機構(gòu)廣泛應用于傳力較大的剪床、沖床、顎式破碎機、內(nèi)燃機等機械中。,27,2020年4月28日星期二,2-3鉸鏈四桿機構(gòu)的設計,四桿機構(gòu)的設計，就是根據(jù)給定的運動條件來確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)。有時為使設計更加合理、可靠，還應考慮幾何條件和動力學條件(如最小傳動角要求)等。設計問題分類1、按照給定從動件的位置設計四桿機構(gòu)，稱為位置設計。2、按照給定點的運動軌跡設計四桿機構(gòu)，稱為軌跡設計。設計方法圖解法——簡便直觀，同時也是解析法的基礎，應用較多。但由于其設計精度低，一般用于求解初始值。解析法——精度高，應用最為廣泛，其缺點是不太直觀。實驗法——較為煩瑣，而且精度也低，是不得已時才使用的方法。,28,2020年4月28日星期二,一、按給定連桿位置設計四桿機構(gòu),下圖為鑄造車間振實造型機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。它利用一個鉸鏈四桿機構(gòu)來實現(xiàn)翻臺的兩個工作位置。,29,2020年4月28日星期二,二、按給定行程速比系數(shù)設計四桿機構(gòu),①曲柄搖桿機構(gòu)設計已知條件：搖桿長度l3，擺角ψ和行程速比系數(shù)K。設計關(guān)鍵是確定鉸鏈A的位置，從而確定其余三桿長l1、l2和l4。,30,2020年4月28日星期二,二、按給定行程速比系數(shù)設計四桿機構(gòu),②擺動導桿機構(gòu)設計已知條件：機架長度l4、行程速比系數(shù)Ｋ。由右圖知，擺動導桿機構(gòu)的極位夾角θ等于導桿的擺角ψ，需要確定的尺寸是曲柄長度。設計步驟如下：1）根據(jù)行程速比系數(shù)Ｋ求極位夾角。2）任選固定鉸鏈中心C，以夾角作出導桿兩極限位置cm、cn。3）作擺角ψ的角平分線，并在線上取AC=l4，得鉸鏈A的位置。4）過A點作導桿極限位置的垂線AB1(或AB2)，得l1=AB1。,31,2020年4月28日星期二,三、給定連架桿的三對對應位置,在給定主、從動連架桿三對對應位置條件下設計鉸鏈四桿機構(gòu)時，可用圖解的反轉(zhuǎn)機架法。設計一個鉸鏈四桿機構(gòu)，使其能實現(xiàn)左下圖所示的連架桿AB、CD的三對對應位置。,32,2020年4月28日星期二,小結(jié),