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

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用【平面四桿機(jī)構(gòu)】,平面四桿機(jī)構(gòu),曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用【平面四桿機(jī)構(gòu)】,曲柄,連桿機(jī)構(gòu),應(yīng)用,利用,運用,平面,機(jī)構(gòu) 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)件的相對運動是平面運動還是空間運動，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。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)的類型、應(yīng)用、以及有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識； 并闡述了平面四桿機(jī)構(gòu)的一些常用的設(shè)計方法。著重介紹了鉸鏈四桿 機(jī)構(gòu)的類型及應(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)運動設(shè)計簡介. 14 第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計. 17 31 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點及其設(shè)計的基本問題 .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. 17 3.1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題 .18 3.1.4 設(shè)計方法 .18 32 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)：所有運動副均為 .18 3.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化. .19 33 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件和幾個基本概念. 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 壓力角和傳動角. 22 34 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計. 23 3.4.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計 .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 .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)件間的相對運動是平面運動還是空間運動，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。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)中的運動副都是低副。由于低副兩元素為面接觸，所以 在同樣的載荷條件下，其兩元素間的壓強比高副接觸的壓強為低，故 連桿機(jī)構(gòu)可以傳遞教大的動力。而且低副元素的幾何形狀比較簡單 （常為圓柱或平面等） ，故也便于加工。另外，在其原動件運動規(guī)律不 變的條件下，只要改變各構(gòu)件間的相對長度，就可以使其從動件實現(xiàn) 不同的運動規(guī)律要求。又由于連桿不與機(jī)架相連，故其上各點的軌跡 是形狀各異的曲線（我門稱這些曲線為連桿曲線） ，人們可利用這些曲 線來近似滿足不同軌跡的需要。連桿機(jī)構(gòu)的缺點是其必須經(jīng)過中間構(gòu) 件作運動傳遞，而由于不可避免的制造誤差和運動副中的間隙，致使 運動傳遞中的誤差環(huán)節(jié)教多；另外，由于連桿是平面運動構(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動。 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動就稱為曲柄，否則就 稱為搖桿。 2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)其兩個連架桿的運動形式的不同，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， 如果有一個連架桿做循環(huán)的整周運動而另一連架桿作搖動，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，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，成搖桿；隨著曲柄的緩緩轉(zhuǎn)動，天線仰角得 到改變。如圖 2-2 所示汽車刮雨器，隨著電動機(jī)帶著曲柄 AB 轉(zhuǎn)動， 刮雨膠與搖桿 CD 一起擺動，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 汽車雨刮器 圖 2-3 攪拌機(jī) 3 隨電動機(jī)帶曲柄 AB 轉(zhuǎn)動，攪拌爪與連桿一起作往復(fù)的擺動，爪端點 E 作軌跡為橢圓的運動，實現(xiàn)攪拌功能。 (2)雙曲柄機(jī)構(gòu)。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，兩個連架桿均能做整周的運 動，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)用實例。由于從動曲柄 3 與主動曲柄 1 的長度不同， 故當(dāng)主動曲柄 1 勻速回轉(zhuǎn)一周時，從動曲柄 3 作變速回轉(zhuǎn)一周，機(jī)構(gòu) 利用這一特點使篩子 6 作加速往復(fù)運動，提高了工作性能。當(dāng)兩曲柄 的長度相等且平行布置時，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)，其特點是兩曲柄轉(zhuǎn)向相同和轉(zhuǎn)速相等及連桿作平 動，因而應(yīng)用廣泛。火車驅(qū)動輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)利用了同向等速的特點；路 燈檢修車的載人升斗利用了平動的特點， 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，車門的啟閉機(jī)構(gòu)利用了兩曲柄反向轉(zhuǎn) 動的特點，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)運動的鉸鏈四桿機(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，在主動搖桿 AB 的驅(qū)動下，隨著機(jī)構(gòu)的運動 連桿 BC 的外伸端點 M 獲得近似直線的水平運動，使吊重 Q 能作水平 移動而大大節(jié)省了移動吊重所需要的功率。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，帶動 BC 作為主動件 繞 C 點擺動，使搖桿 AB 帶電動機(jī)及扇葉一起擺動，實現(xiàn)一臺電動機(jī) 同時驅(qū)動扇葉和搖頭機(jī)構(gòu)。圖 2-9 所示的汽車偏轉(zhuǎn)車輪轉(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 是等長的，適當(dāng) 選擇兩搖桿的長度，可以使汽車在轉(zhuǎn)彎時兩轉(zhuǎn)向輪軸線近似相交于其 它兩輪軸線延長線某點 P，汽車整車?yán)@瞬時中心 P 點轉(zhuǎn)動，獲得各輪 子相對于地面作近似的純滾動，以減少轉(zhuǎn)彎時輪胎的磨損。 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)的三種基本類型的區(qū)別在于機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄， 存在幾個曲柄。機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄與各構(gòu)件相對尺寸的大小以及哪 個構(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：最短桿與最長桿長度之和不大于其余兩桿長度之和。 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 的各桿長度如 圖 2-9 汽車轉(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。請根據(jù)基本類型判別準(zhǔn)則，說明機(jī)構(gòu)分別以 AB、BC、CD、AD 各桿為機(jī)架時屬于何種機(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，最長桿為 CD = 55，其余兩桿 AB = 30、BC = 50。 因為 ADCD = 2055 = 75 ABBC = 3050 = 80 LminL max 故滿足曲柄存在的第一個條件。 1)以 AB 或 CD 為機(jī)架時，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，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，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 點運動 軌跡的曲率半徑較大甚至是 C 點作直線運動，則搖桿 CD 的長度就特 別長，甚至是無窮大，這顯然給布置和制造帶來困難或不可能。為此， 在實際應(yīng)用中只是根據(jù)需要制作一個導(dǎo)路，C 點做成一個與連桿鉸接 的滑塊并使之沿導(dǎo)路運動即可，不再專門做出 CD 桿。這種含有移動 副的四桿機(jī)構(gòu)稱為滑塊四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊運動的軌跡為曲線時稱為曲 線滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機(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)動中心有一個偏距 e；當(dāng) e = 0 即導(dǎo)路通過曲柄轉(zhuǎn)動中心時， 稱為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖 2-11c）所示。由于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié) 構(gòu)簡單，受力情況好，故在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。因此，今后如 果沒有特別說明，所提的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即意指對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 應(yīng)該指出，滑塊的運動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 塞送出一個工件。當(dāng)需要將曲柄做得較短時結(jié)構(gòu)上就難以實現(xiàn)，通常 采用圖 2-12c)所示的偏心輪機(jī)構(gòu)，其偏心圓盤的偏心距 e 就是曲柄的 長度。這種結(jié)構(gòu)減少了曲柄 的驅(qū)動力，增大了轉(zhuǎn)動副的尺寸，提高了曲柄的強度和剛度，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) 在對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)路是固定不動的，如果將導(dǎo)路做成導(dǎo) 桿 4 鉸接于 A 點，使之能夠繞 A 點轉(zhuǎn)動，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) ABBC 時，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) ABBC 時導(dǎo)桿 4 只能作不 足一周的回轉(zhuǎn)，稱擺動導(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 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，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)在自卸貨車上的應(yīng)用，以車架為機(jī) 架 AC，液壓缸筒 3 與車架鉸接于 C 點成搖塊，主動件活塞及活塞桿 2 可沿缸筒 中心線往復(fù)移動成導(dǎo)路，帶動車箱 1 繞 A 點擺動實現(xiàn)卸料或復(fù)位。將對心曲柄 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)在手動唧筒上的應(yīng)用，用手上下扳動主動件 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，實現(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比。 2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性 一、運動特性 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)的運動特性 8 旋轉(zhuǎn)過程中每周有兩次與連桿重疊，如圖 2-17 中的 B1AC1 和 AB2C2 兩 位置。這時的搖桿位置 C1D 和 C2D 稱為極限位置，簡稱極位。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 稱為極位夾角。設(shè)曲柄以等角速度 1 順時針轉(zhuǎn)動，從 AB1 轉(zhuǎn)到 AB2 和從 AB2 到 AB1 所經(jīng)過的角度為（ ）和（） ，所需的 時間為 t1 和 t2 ，相應(yīng)的搖桿上 C 點經(jīng)過的路線為 C1C2 弧和 C2C1 弧， C 點的線速度為 v1 和 v2 ，顯然有 t1t 2 ，v 1v 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， 越大 K 值就越大，急回特性就越明顯。在機(jī)械設(shè)計時可 根據(jù)需要先設(shè)定 K 值，然后算出 值，再由此計算得各構(gòu)件的長度 尺寸。 急回特性在實際應(yīng)用中廣泛用于單向工作的場合，使空回程所花 的非生產(chǎn)時間縮短以提高生產(chǎn)率。例如牛頭刨床滑枕的運動。 二、傳力特性 1.壓力角和傳動角 在工程應(yīng)用中連桿機(jī)構(gòu)除了要滿 足運動要求外，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，主動曲柄 的動力通過連桿作用于搖桿上的 C 點， 驅(qū)動力 F 必然沿 BC 方向，將 F 分解 為切線方向和徑向方向兩個分力 Ft 和 Fr ，切向分力 Ft 與 C 點的運動 方向 vc 同向。由圖知 Ft = F 或 Ft = Fcossin Fr = F 或 Fr = Finco 角是 Ft 與 F 的夾角，稱為機(jī)構(gòu)的壓力角，即驅(qū)動力 F 與 C 點的 運動方向的夾角。 隨機(jī)構(gòu)的不同位置有不同的值。它表明了在驅(qū)動 圖 2-18 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動角 9 力 F 不變時，推動搖桿擺動的有效分力 Ft 的變化規(guī)律， 越小 Ft 就越 大。 壓力角 的余角 是連桿與搖桿所夾銳角，稱為傳動角。由于 更 便于觀察，所以通常用來檢驗機(jī)構(gòu)的傳力性能。傳動角 隨機(jī)構(gòu)的不 斷運動而相應(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 動角 min。一般可取 min40，重 載高速場合取 min50。曲柄搖桿 機(jī)構(gòu)的最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架 共線的兩個位置之一，如圖 2-18 所 示的 B1 點或 B2 點位置。 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以曲柄為主 動件，滑塊為工作件，傳動角 為連桿與導(dǎo)路垂線所夾銳角，如圖 2- 19 所示。最小傳動角 min 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位于 與偏距方向相反一側(cè)。對于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即偏距 e = 0 的情況， 顯然其最小傳動角 min 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。 對以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，因為滑塊對導(dǎo)桿的作用力始 終垂直于導(dǎo)桿，其傳動角 恒為 90，即 = min = max =90,表明導(dǎo) 桿機(jī)構(gòu)具有最好的傳力性能。 2.止點 從 Ft = F cos 知，當(dāng)壓力角 = 90時，對從動件的作用力或力矩 為零，此時連桿不能驅(qū)動從動件工作。機(jī)構(gòu)處在這種位置稱為止點， 又稱死點。如圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)從動曲柄 AB 與連桿 BC 共線時，出現(xiàn)壓力角 = 90，傳動角 = 0。如圖 2-20b)所示的曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果以滑塊作主動，則當(dāng)從動曲柄 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)的止點位置 10 時，外力 F 無法推動從動曲柄轉(zhuǎn)動。機(jī)構(gòu)處于止點位置，一方面驅(qū)動 力作用降為零，從動件要依靠慣性越過止點；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，取決于從動件是否與連桿共線。例如上 述圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如果改搖桿主動為曲柄主動，則搖 桿為從動件，因連桿 BC 與搖桿 CD 不存在共線的位置，故不存在止 點。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， 就不存在止點。 止點的存在對機(jī)構(gòu)運動是不利的，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止點。當(dāng)無法 避免出現(xiàn)止點時，一般可以采用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助 通過止點。例如內(nèi)燃機(jī)曲軸上的飛輪。也可以采用機(jī)構(gòu)錯位排列的方 法，靠兩組機(jī)構(gòu)止點位置差的作用通過各自的止點。 在實際工程應(yīng)用中，有許多場合是利用止點位置來實現(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 不能自動松開夾具，所以將夾頭構(gòu)件 1 看成主動件，當(dāng)連桿 2 和從動 件 3 共線時，機(jī)構(gòu)處于止點，夾緊反力 N 對搖桿 3 的作用力矩為零。 這樣，無論 N 有多大，也無法推動搖桿 3 而松開夾具。當(dāng)我們用手搬 動連桿 2 的延長部分時，因主動件的轉(zhuǎn)換破壞了止點位置而輕易地松 開工件。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 件為主動件，從動件 CD 與連桿 BC 成一直線， 機(jī)構(gòu)處于止點，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，只要用較小力量推動 CD， 因主動件改為 CD 破壞了止點位置而輕易地收起機(jī)輪。此外，還有汽 車發(fā)動機(jī)蓋、折疊椅等。 圖 2-21 機(jī)構(gòu)止點位置的應(yīng)用 11 2.4 平面四桿機(jī)構(gòu)運動設(shè)計簡介 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法有圖解法、試驗法、解析法三種。本節(jié)僅介 紹前兩種方法。 一、用圖解法設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 1.按連桿的預(yù)定位置設(shè)計四桿機(jī) 構(gòu) 例 2-1 已知連桿 BC 的長度和 依次占據(jù)的三個位置 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) 的其它各桿件的長度和位置。 解：顯然 B 點的運動軌跡是由 B1、B 2、B 3 三點所確定的圓弧，C 點的運動軌跡是由 C1、C 2、C 3 三點 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。因為此時機(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，畫出給定連桿的三個位置。實際機(jī)構(gòu)往往要通過 縮小或放大比例后才便于作圖設(shè)計，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)谋壤?尺 ，見式（ 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)實線） ，此兩垂直平分線的交點 A 即為所求 B1、B 2、B 3 三點所確定圓弧的圓心。 (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)實線）交于點 D，即為所求 C1、 C2、C 3 三點所確定圓 弧的圓心。 (4)以 A 點和 D 點作為連架鉸鏈中心，分別連結(jié) AB3、 B3C3、C 3D（圖中粗實線）即得所求四桿機(jī)構(gòu)。從圖中量得各桿 的長度再乘以比例尺，就得到實際結(jié)構(gòu)長度尺寸。 在實際工程中，有時只對連桿的兩個極限位置提出要求。這樣一 圖 2-2 12 來，要設(shè)計滿足條件的四桿機(jī)構(gòu)就會有很多種結(jié)果，這時應(yīng)該根據(jù)實 際情況提出附加條件。 例 2-2 如圖 2-23 所示的加熱爐門啟閉機(jī)構(gòu)，圖中為爐門關(guān)閉位 置，使用要求在完全開啟后門背朝上水平放 置并略低于爐口下沿，見圖中位置。 解：把爐門當(dāng)作連桿 BC，已知的兩個位 置 B1C1 和 B2C2 ，B 和 C 已成為兩個鉸點， 分別作直線段 B1B2、C 1C2 的平分線得 b12 和 c12 ，另外兩鉸點 A 和 D 就在這兩根平分線 上。為確定 A、D 的位置，根據(jù)實際安裝需 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 A 和 D 即為所求。 二、按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機(jī) 構(gòu) 設(shè)計具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)，一般是 根據(jù)運動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，結(jié)合其他輔助條件進(jìn) 行設(shè)計。 例 2-3 已知行程速比系數(shù) K，搖桿長度 lCD， 最大擺角 ，請用圖解法設(shè)計此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 解：設(shè)計過程如圖 2-24 所示，具體步驟： (1)由速比系數(shù) K 計算極位角 。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。取搖桿長度 CD 乘以比例尺 得圖中搖桿長 CD，以 CD 為半徑、任定點 D 為圓心、l 任定點 C1 為起點做弧 C，使弧 C 所對應(yīng)的圓心角等于或大于最大擺角 ，連接 D 點和 C1 點的線段 C1D 為搖桿的一個極限位置，過 D 點作 與 C1D 夾角等于最大擺角 的射線交圓弧于 C2 點得搖桿的另一個極限 位置 C2D。 (3)求曲柄鉸鏈中心。過 C1 點在 D 點同 側(cè)作 C1C2 的垂線 H，過 C2 點作與 D 點同 側(cè)與直線段 C1C2 夾角為（ 900）的直 線 J 交直線 H 于點 P，連接 C2P，在直線段 C2P 上截取 C2P/2 得點 O，以 O 點為圓點、 圖 2-24 按行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 圖 2-23 13 OP 為半徑，畫圓 K ，在 C1C2 弧段以外在 K 上任取一點 A 為鉸鏈中 心。 (4)求曲柄和連桿的鉸鏈中心。連接 A、C 2 點得直線段 AC2 為曲柄 與連桿長度之和，以 A 點為圓心、AC 1 為半徑作弧交 AC2 于點 E，可 以證明曲柄長度 AB = C2E/2，于是以 A 點為圓心、 C2E/2 為半徑畫弧 交 AC2 于點 B2 為曲柄與連桿的鉸接中心。 (5)計算各桿的實際長度。分別量取圖中 AB2、AD 、B 2C2 的長度， 計算得： 曲柄長 lAB = AB2，連桿長 lBC = B2C2 ，機(jī)架長 lAD = AD。lll 16 14 第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計 （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)的類型 2、掌握四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計：按機(jī)構(gòu)位置要求；按行程速比系數(shù)K 值 （二）重點與難點 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)的相對運動原理設(shè)計機(jī)構(gòu) （三）內(nèi)容 具體內(nèi)容參照以下章節(jié)說明。 31 平面連桿機(jī)構(gòu)的特點及其設(shè)計的基本問題 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 1、能實現(xiàn)多種運動形式。如：轉(zhuǎn)動，擺動，移動，平面運動 2、運動副為低副： 面接觸：承載能力大；便于潤滑。壽命長 幾何形狀簡單便于加工，成本低。 1，2 為優(yōu)點 3、缺點： 只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律；設(shè)計復(fù)雜；只用于速度較低的 場合。 3.1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題 選型：確定連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成：構(gòu)件數(shù)目，運動副類型、數(shù)目。 運動尺寸設(shè)計：確定機(jī)構(gòu)運動簡圖的參數(shù)：轉(zhuǎn)動副中心之間的距離； 移動副位置 尺寸 1、實現(xiàn)構(gòu)件給定位置 15 2、實現(xiàn)已知運動規(guī)律 3、實現(xiàn)已知運動軌跡 3.1.4 設(shè)計方法 1、圖解法，2、解析法，3、圖譜法，4 實驗法 32 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)：所有運動副均為 轉(zhuǎn)動副的平面四桿機(jī)構(gòu) 1、4機(jī)架 1，3連架桿定軸轉(zhuǎn)動 2連桿平面運動 整轉(zhuǎn)副：二構(gòu)件相對運動為整周轉(zhuǎn)動。擺動副：二構(gòu)件相對運動不整 周轉(zhuǎn)動。 （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)動的連架桿 搖桿：非整周轉(zhuǎn)動的連架桿 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)動副 偏心輪，偏心距，偏心輪機(jī)構(gòu) 2、轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副： 曲柄滑塊機(jī)械偏距e e0，偏置 16 e=0，對心 A，B 整轉(zhuǎn)副。 曲柄移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，正弦機(jī)構(gòu)， sin 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)架移動導(dǎo)桿 17 33 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件和幾個基本概念 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 整周相對轉(zhuǎn)動，則存在兩個特殊位置） a+bb+c (1) bc+d-a 即a+bc+d (2) cb+d-a 即a+cb+d (3) (1)+(2)得2a+b+de 即 ba+e 有曲柄的條件 18 AGE ：a+be e=0, ba 3.3.2 行程速度變化系數(shù) 1、機(jī)構(gòu)的急回運動特性： 原動件作勻速轉(zhuǎn)動，從動件作往復(fù)運動的機(jī)構(gòu)，從動件正行程和反行 程的平均速度不 相等。 2、行程速度變化系數(shù) K= ( 1) 從動件慢行程平均速度 從動件快行程平均速度 180 2180 1 221 = = = +1 1 2 2 t , t （從動件慢行程）（快行程） += = = = 180180212112tttK t或1180 1+=K K 極位夾角（G2AC1 ）（其值與構(gòu)件尺寸有關(guān)，可能90） 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：（慢行程方向不講）B2Ce11 慢行程C2B1A2 119 滑塊慢行程的運動方向不僅與曲柄轉(zhuǎn)向有關(guān)，還與導(dǎo)路偏置方向有關(guān)。 當(dāng)導(dǎo)路在A 下 方時，見P84 ，圖3-13 （b） 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)： = 無論曲柄轉(zhuǎn)向如何，導(dǎo)桿慢行程運動方向總是與曲柄轉(zhuǎn)向相同。 3.3.3 壓力角和傳動角 1、壓力角 19 F F cos t = F F sin n = ，從動件上某點的受力方向與從動件上該點速度方向的夾角 2、傳動角 ，F(xiàn) 與Fn 夾角，（經(jīng)常用 衡量機(jī)構(gòu)的傳動質(zhì)量） + = 90 3、許用壓力角 一般： 40 4、壓力角的計算 90 ,V = 90 ,V = 180 四、死點位置： = 0, = 90 的位置 1、機(jī)構(gòu)停在死點位置，不能起動。 運轉(zhuǎn)時，靠慣性沖過死點。 2、利用死點實例 20 34 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 一、設(shè)計原理：相對運動原理（轉(zhuǎn)換機(jī)架法） 以4 為機(jī)架，B1B2 B3 ，C1 C2C3 改2 為機(jī)架，C AB1 21 B2C2C1DPB2AB120 以原始位置B1C1 為機(jī)架 A A D D 1 1 , 2 A ， 2 D 剛化AB2C2D，使B2C2 與B1C2 重合，找到2 A ， 2 D 3 A ， 3 D 剛化AB3C3D，使B3C3 與B1C1 重合，找到3 A ， 3 D 3.4.1 平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計 1、已知B ，C 及連桿的三個位置，設(shè)計該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。 若知2 個位置，無窮解。 2、已知A，D，連桿的三個位置，設(shè)計鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。 以M1N1 為機(jī)架，M1N1 為原位 剛化AM2N2D，使得M2N2 與M1N1 重合，求得2 A ， 2 D 剛化AM3N3D，使得M3N3 與M1N1 重合，求得3 A ， 3 D 作1 2 2 3 AA , A A 的公垂線交于B1 作1 2 2 3 DD ,DD 的公垂線交于C1 A，B，C ，D 便是所求。 3、按兩連架桿的兩組對應(yīng)角位移分別為12 ， 12 和13 ， 13 知B1 ，B2，B3 設(shè)計鉸鏈 四桿機(jī)構(gòu)。（確定C） 以DF1 為機(jī)架，（機(jī)構(gòu)運動時，B 點繞C 點轉(zhuǎn)動） 剛化AB2F2D ，使DF2 與DF1 重合，得2 B 剛化AB3F3D ，使DF3 與DF1 重合，得3 B 4、按K 設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 21 已知：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿CD 長度，擺角 ，K 設(shè)計此機(jī)構(gòu)（確定曲柄和連桿長） 1） += 180K 180 2）任選D 的位置，按CD 長和 作搖桿兩極限位置，DC1 和DC2 3）當(dāng) 90 時，作= = 90 2 1 1 2C C O C C O 得C1O 與 C2O 交點O，A 點在圓弧 上任選，有無窮個解。 4） a bl b al b aACAC ,21 = += 例：已知曲柄和滑塊兩組對應(yīng)位移 分別12 12 13 13 , S , , S 設(shè)計一 21 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 取C 以 AE1 為機(jī)架，剛化AE2C2，使得AE2 與AE1 重合，求得2 C 取C 以 AE1 為機(jī)架，剛化AE3C3，使得AE3 與AE1 重合，求得3 C 作1 2 2 3 C C ,CC 公垂線交于B1。 例：已知固定鉸鏈中心A、D 位置，兩連架桿的一組對應(yīng)角位移12 ， 12 ，以及連桿 的兩個位置M1N1，M2N2，分別對應(yīng)于兩連架桿的兩位置，設(shè)計滿足 上述要求的四桿機(jī)構(gòu)。 解：1、以M1N1 為機(jī)架，剛化AM2N2D，使得M2N2 與M1N1 重合， 找到2 2 A ,D （B 在 2 AA 中垂線上，C 在2 DD 的中垂線上，取C1 點） 2、以AE1 為機(jī)架，剛化AE2C2D，使AE2 與AE1 重合，求得2 C 3、作1 2 C C 中垂線（B 在其上），與2 AA 中垂線交于B1 第四章 技術(shù)參數(shù)及維修 4.1 結(jié)構(gòu) (1)驅(qū)動機(jī) 22 型號：ZD2631 永磁式直流電動機(jī) 供電電壓：24VDC 額定電流：4.5A 輸出功率：80W 空載轉(zhuǎn)速：2350r/min (2)減速器 安裝方式：直聯(lián) 結(jié)構(gòu)形式：普通蝸輪蝸桿 模數(shù)：1.5 齒數(shù)：59/1 生產(chǎn)廠：杭州環(huán)球汽車配件廠 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 擺動幅度：0-60 4.2 維護(hù)保養(yǎng) 定期維護(hù)保養(yǎng)時首先檢查機(jī)構(gòu)是否有因外力推動或撞擊造成的松 動現(xiàn)象，若有松動或間隙過大，可能是蝸輪與減速器輸出軸之間的連 接撥叉被扭壞需 進(jìn)行銀焊。若銀焊后再次被外力制動或反推動則可能造成更大的損壞， 必須 更換整體機(jī)構(gòu)。正常保養(yǎng)內(nèi)容為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的鉸銷處（此處為 SF1 型無 潤滑軸承）噴淋 20 機(jī)油及全面擰緊紋緊固件。 4.3 注意事項 動蛇驅(qū)動裝置位于離地很高的地方游客不可能直接觸及，因此機(jī) 械損傷 事故很難發(fā)生，但珍妃墓的守神站在軌道兩側(cè)游客伸手可及，必須強 調(diào)嚴(yán)禁游人阻礙守神的揮劍動作。 23 第五章 結(jié)論 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是目前機(jī)構(gòu)研究的前沿方面，他既涉及到傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué) 理論和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計理論，有涵蓋機(jī)器人特別是并聯(lián)機(jī)器人中的有關(guān) 理論。本文以曲柄連桿混合驅(qū)動可控制機(jī)構(gòu)作為研究對象，對該 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)，運動學(xué)等問題進(jìn)行深入的分析研究，得到如下的結(jié)論： 5.1 對于兩曲柄分別為連架桿和連桿的混合輸入五桿機(jī)構(gòu)，其分析方 法不同于兩曲柄都是連桿的混合輸入五桿機(jī)構(gòu)。尤其是奇異分析時不 能利用輸入桿的速度雅可比矩陣因為它的輸出桿是定軸轉(zhuǎn)動的，其速 度雅可比矩陣，計算它的行列式的值進(jìn)行分析，并通過作機(jī)構(gòu)運動簡 圖和運動連續(xù)性原理驗證了其正確性。 5.2 用了矢量投影和復(fù)合三角函數(shù)的求異法進(jìn)行了該類機(jī)構(gòu)的角位移， 角速度和角加速度的分析。并用 Mathcad 進(jìn)行運動仿真得出各曲線都 是連續(xù)的，同時用幾何作圖法進(jìn)一步驗證了機(jī)構(gòu)的存在性和公式推導(dǎo) 的正確性。 5.3 分別采用正運動學(xué)和逆運動學(xué)方法對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化綜合，建立 教學(xué)模型，包括確定該機(jī)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量和約束條件等。并 通過對算例的優(yōu)化。 24 參考文獻(xiàn) 1熊濱生. 現(xiàn)代連桿機(jī)構(gòu)設(shè)M 化學(xué)工業(yè)出版社 2006-02-01 2牛鳴岐 機(jī)械原理課程設(shè)計手冊M 重慶大學(xué)出版社 2006-9-7 3申永勝 機(jī)械原理教程 M 清華大學(xué)出版社 2005 年 12 月 4孫桓 李繼慶 機(jī)械原理教程M 西北工業(yè)大學(xué)出版社 2005-1 5于駿一 鄒青 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M 機(jī)械工業(yè)出版社 2007-1 6紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計 M 高等教育出版社 2006-4 7戴枝榮 張遠(yuǎn)明 工程材料M 高等教育出版社 2006-12 8呂廣庶 張遠(yuǎn)明 工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)M 高等教育出版社 2001-1 25 致 謝 本論文是在導(dǎo)師張廣杰老師的精心指導(dǎo)下完成的，老師高深的學(xué) 術(shù)造詣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、求實的研究態(tài)度以及嚴(yán)以律己、寬以待人 的崇高品質(zhì)都使作者深感欽佩，并真誠感謝老師在論文寫作過程中給 與的大力支持和悉心指導(dǎo)。 通過這次畢業(yè)設(shè)計使我深深的體會到機(jī)械設(shè)計千變?nèi)f化，接觸知 識面廣，要學(xué)的知識多，我知道了走向工作崗位應(yīng)該在哪些方面努力。 在此，我要感謝支持和幫助過我的所有的老師和同學(xué)們，感謝學(xué) 校四年來對我的培養(yǎng)，我在此表示深深的謝意。