平面連桿機(jī)構(gòu)概述

 

　　平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)剛性構(gòu)件用低副鏈接組成的，各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件均在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)類(lèi)型有鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)等。

 

　　一、平面連桿機(jī)構(gòu)概述

 

　　1.平面連桿機(jī)構(gòu)： 由若干個(gè)構(gòu)件以低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副)連接而成，且所有構(gòu)件在相互平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，也稱(chēng)平面低副機(jī)構(gòu)。

 

　　2.平面四桿機(jī)構(gòu)： 最簡(jiǎn)單的平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件組成的，簡(jiǎn)稱(chēng)平面四桿機(jī)構(gòu)。

 

　　3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： 構(gòu)件間用四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的平面四桿機(jī)構(gòu)。

　　1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

 

　　(1) 曲柄：1作360°周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，

 

　　(2) 搖桿：3作往復(fù)擺動(dòng)，主動(dòng)件可以為曲柄，也可以為搖桿。右面機(jī)構(gòu)中搖桿的擺角為60°，作小于360的運(yùn)動(dòng)

 

　　(3) 連桿：連接曲柄與搖桿的桿件

 

　　(4)連架桿：連接機(jī)架與連桿的桿件。

 

　　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：兩連架桿中一個(gè)為曲柄另一個(gè)為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

 

　　雙曲柄機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

 

　　雙搖桿機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

 

　　平行四邊形機(jī)構(gòu)

　　平行四邊形機(jī)構(gòu)是雙曲柄機(jī)構(gòu)的一個(gè)特例。組成四邊形對(duì)邊的構(gòu)件長(zhǎng)度分別相等。從動(dòng)曲柄3和主動(dòng)曲柄1的回轉(zhuǎn)方向相同，角速度時(shí)時(shí)相等

　　雙搖桿機(jī)構(gòu)：

　　構(gòu)件1和3都作往復(fù)擺動(dòng)，一般主動(dòng)搖桿作等速擺動(dòng)，從動(dòng)搖桿作變速擺動(dòng)。

　　平面四桿機(jī)構(gòu)的演化形式(Ⅰ)——含一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)

 

　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

　　正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

　　滑塊(slider)鉸鏈點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方位線通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心，滑塊動(dòng)程(pitch)等于兩倍曲柄1的長(zhǎng)度，無(wú)急回運(yùn)動(dòng)特性。主動(dòng)件可以為曲柄，也可以為滑塊。

 

　　偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

 

　　滑塊鉸鏈點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方位線不通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心，偏距(offset)為e,滑塊動(dòng)程大于兩倍曲柄長(zhǎng)度，有急回運(yùn)動(dòng)特性

　　導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

　　曲柄1和導(dǎo)桿3都能作360°周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)曲柄作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)導(dǎo)桿作變速轉(zhuǎn)動(dòng)，

　　擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

　　曲柄1作360°周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)導(dǎo)桿3作往復(fù)擺動(dòng)，且有較大的急回運(yùn)動(dòng)特性 　　

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)

　　移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　構(gòu)件2作往復(fù)擺動(dòng)，構(gòu)件4在滑塊中作往復(fù)移動(dòng)。

 

　　2 平面連桿機(jī)構(gòu)的工作特性

 

　　1、轉(zhuǎn)動(dòng)副為整轉(zhuǎn)副的充分必要條件

 

　　急回運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)

 

　　原動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，有兩次與連桿共線，即重疊共線和拉直共線，搖桿兩個(gè)極限位置分別為C1D和C2D。

 

　　曲柄AB以等角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α1角由位置AB1轉(zhuǎn)到位置AB2，搖桿從C1D擺到C2D,擺角為φ，所需時(shí)間為t1，C點(diǎn)平均速度為V1。當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角α2，搖桿從C2D返回到C1D, 所需時(shí)間為t2，C點(diǎn)平均速度為V2。

 

　　因?yàn)棣?>α2，t1>t2，所以v1  

　　行程速比系數(shù)

　　來(lái)表示。 　　壓力角與傳動(dòng)角

　　在不計(jì)運(yùn)動(dòng)副中摩擦力、構(gòu)件質(zhì)量和慣性力的情況下，機(jī)構(gòu)從動(dòng)件受力方向Fc和受力點(diǎn)速度方向Vc所夾的銳角α，稱(chēng)為機(jī)構(gòu)在此位置的壓力角。

　　壓力角越小，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好，效率越高。

　　壓力角α的余角稱(chēng)為傳動(dòng)角γ，即γ+α=90º

 

　　在連桿機(jī)構(gòu)中，為了度量方便，常用傳動(dòng)角γ來(lái)衡量機(jī)構(gòu)的傳力性能。傳動(dòng)角是指連桿BC與從動(dòng)件CD之間所夾的銳角。γ與α互余。

 

　　大多數(shù)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角是變化的。為保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，一般規(guī)定機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin≥40º，在傳遞較大力矩時(shí)，應(yīng)使γmin≥50º。

　　在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD中，當(dāng)∠BCD為銳角時(shí)，γ=∠BCD;當(dāng)∠BCD為鈍角時(shí)，γ=180º-∠BCD

　　死點(diǎn)：搖桿CD為主動(dòng)件。當(dāng)機(jī)構(gòu)處于連桿與從動(dòng)曲柄共線的兩個(gè)位置時(shí)，出現(xiàn)了傳動(dòng)角γ=0º，壓力角α=90º的情況。主動(dòng)件CD通過(guò)連桿作用于從動(dòng)件AB的力恰好通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心，不能使AB桿轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)此位置稱(chēng)為死點(diǎn)

　　飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)

　　在機(jī)輪放下時(shí)，連桿BC桿與從動(dòng)桿CD桿成一直線，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，使降落更加安全可靠。

 

　　工件夾緊機(jī)構(gòu)

　　工件被夾緊后，土黃色構(gòu)件與分紅色從動(dòng)構(gòu)件成一直線，即機(jī)構(gòu)在工件反力的作用下處于死點(diǎn)，可保證在加工時(shí)，工件不會(huì)松脫

　　3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　已知：搖桿長(zhǎng)度CD ，擺角φ，行程速比系數(shù)K

　　要求：設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

 

　　解：1、計(jì)算極位夾角θ θ=180(K-1)/ (K+1)

 

　　2、任取一點(diǎn)D為搖桿固定鉸鏈中心，作等腰三角形C1C2D，兩腰長(zhǎng)度等于CD，∠C1DC2=φ

　　3、以C1C2為一條邊，分別作∠O C1C2=∠OC2C1=90°_θ。以O(shè)為圓心，OC1為半徑作圓β

　　4、連接并延長(zhǎng)C1D，交圓β于G點(diǎn)，連接并延長(zhǎng)C2D，交圓β于F點(diǎn)。 圓弧C1F和GC2上任意一點(diǎn)A到C1和C2的連線的夾角∠C1AC2都等于極位夾角θ。曲柄軸心A點(diǎn)可在這兩段圓弧上選取

 

　　注意：曲柄軸心A不能在FG圓弧上選取，否則機(jī)構(gòu)不滿運(yùn)動(dòng)連續(xù)性要求。 在C1F和GC2兩段圓弧上選取A點(diǎn)時(shí)，當(dāng)A點(diǎn)越靠近F(或G)點(diǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角將隨之減小。

　　5、A點(diǎn)選定后，四桿機(jī)構(gòu)尺寸即確定。設(shè)曲柄長(zhǎng)度為a，連桿長(zhǎng)度為b,則

　　AC1=b-a

 

　　AC2=b+a

 

　　所以：a=(AC2-AC1)/2

 

　　b=(AC1+AC2)/2

　　2)對(duì)于給定行程速比系數(shù)K和滑塊行程H時(shí),可以用同樣方法求出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

　　2) 對(duì)于擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),由于其導(dǎo)桿的擺角φ 剛好等于其極位夾角θ,因此,只要給定曲柄長(zhǎng)度LAB (或給定機(jī)架長(zhǎng)度LAC)和行程速比系數(shù)K就可以由右圖求得機(jī)構(gòu).

　　4.平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)運(yùn)動(dòng)副都是低副，壽命長(zhǎng)，傳遞動(dòng)力大。

 

　　(2)何形狀簡(jiǎn)單，易于加工，成本低。

 

　　(3)在主動(dòng)件等速連續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件下，當(dāng)各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度不同時(shí),從動(dòng)件可滿足多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求。

 

　　(4)連桿上各點(diǎn)軌跡形狀各異，可利用這些曲線來(lái)滿足不同的軌跡要求。

 

　　(5)能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，容易滿足生產(chǎn)中各種動(dòng)作要求;

 

　　(6)構(gòu)件間接觸面上的比壓小、易潤(rùn)滑、磨損輕、適用于傳遞較大載荷的場(chǎng)合;

 

　　(7)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的元素形狀簡(jiǎn)單、易于加工制造和保證精度。

 

　　5.平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)：

 

　　(1)誤差較大，降低機(jī)械效率。

 

　　(2)不容易實(shí)現(xiàn)精確復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

 

　　(3)不宜用于高速傳動(dòng)。

 

　　二、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

 

　　1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成

 

　　(1)機(jī)架——固定件，如下圖所示構(gòu)件4;

 

　　(2)連架桿——與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接的構(gòu)件，如下圖所示構(gòu)件1和構(gòu)件3;

 

　　(3)連桿——不與機(jī)架直接相連的構(gòu)件，如下圖所示構(gòu)件2。

    　　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

　　2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式

 

　　根據(jù)連架桿運(yùn)動(dòng)形式的不同，相對(duì)機(jī)架能做整周轉(zhuǎn)動(dòng)的稱(chēng)為曲柄，只能在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)的稱(chēng)為搖桿。這樣，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可分為三種基本形式：

 

　　(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu):兩連架桿中，一個(gè)為曲柄，而另一個(gè)為搖桿。

 

　　(2)雙曲柄機(jī)構(gòu) 兩連架桿均為曲柄。

 

　　(3)雙搖桿機(jī)構(gòu) 兩連架桿均為搖桿。

    　　

3.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

　　在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中，若一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。通常曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿作變速往復(fù)擺動(dòng)。

    　　攪拌機(jī)

　　4.雙曲柄機(jī)構(gòu)

 

　　在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為曲柄，則此四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

    　　平行四邊形機(jī)構(gòu)和反平行四邊形機(jī)構(gòu)

　　5.雙搖桿機(jī)構(gòu)

 

　　在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

    　　鶴式起重機(jī)

　　6.曲柄存在的條件：

 

　　(1)連架桿和機(jī)架中必有一桿是最短桿。

 

　　(2)最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。

 

　　上述兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足，否則機(jī)構(gòu)不存在曲柄。當(dāng)滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)，說(shuō)明存在整轉(zhuǎn)副，當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時(shí)，可得不同的機(jī)構(gòu)。如曲柄搖桿 、雙曲柄、 雙搖桿機(jī)構(gòu)。

 

　　(1)連架桿是最短桿 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu);

 

　　(2)機(jī)架是最短桿 為雙曲柄機(jī)構(gòu);

 

　　(3)若最短桿是連桿，此機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。若滿足最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí),為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

 

　　三、含有一個(gè)移動(dòng)副的平面四桿機(jī)構(gòu)

 

　　1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

 

　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是用移動(dòng)副取代曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副而演化得到的。

    　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：(左)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu);(右)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)動(dòng)與往復(fù)移動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于活塞式內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)、沖床和自動(dòng)送料機(jī)等機(jī)械設(shè)備中。

 

　　2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可看成是通過(guò)改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件演化而來(lái)的。

    　　(a)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu);(b)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);(c)移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);(d)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

　　3.曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

    　　曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在電器開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用

　　4.移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　也稱(chēng)為定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒和抽油泵中。

    　　抽水唧筒

　　5.擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

    　　汽車(chē)自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)

　　四、平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

 

　　1.急回特性

 

　　搖桿CD處此兩極限位置時(shí)曲柄所在直線之間的銳角θ稱(chēng)為極位夾角，機(jī)構(gòu)中輸出件在兩極限位置間的移動(dòng)距離或擺動(dòng)角度φ稱(chēng)為行程。

      　　綜上所述，在輸入件曲柄作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作往復(fù)擺動(dòng)的輸出件搖桿在空載行程中的平均速度大于工作行程中的平均速度，這一性質(zhì)稱(chēng)為連桿機(jī)構(gòu)的急回特性。通常用行程速度變化系數(shù)K來(lái)表示這種特性：   　　機(jī)構(gòu)的急回速度取決于夾角θ的大小。θ越大，K值越大，機(jī)構(gòu)的急回程度也越高，但從另一方面看，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性就越差。 　　2.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)急回特性

　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)偏心距e=0時(shí)，θ=0，K=1，機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性;當(dāng)偏心距e不等于0時(shí)，θ不等于0，則K>1，機(jī)構(gòu)有急回特性。

    　　偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

　　3.壓力角和傳動(dòng)角

 

　　如下圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如不考慮構(gòu)件的重量和摩擦力，可將F分解可得推動(dòng)搖桿的有效分力Ft=Fcosα，只能產(chǎn)生摩擦阻力的有害分力Fr=Fsinα。

    　　壓力角和傳動(dòng)角

　　其中，α稱(chēng)為壓力角，即為作用在從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力與該力作用點(diǎn)的絕對(duì)速度方向之間所加銳角稱(chēng)為壓力角，通常把壓力角座位判斷一連桿機(jī)構(gòu)是否具有良好的傳力性能的標(biāo)志。

 

　　常以連桿與搖桿所夾銳角γ來(lái)衡量機(jī)構(gòu)的傳力性能。顯而易見(jiàn)，γ即壓力角的余角，稱(chēng)為傳動(dòng)角。因?yàn)棣?90°−α，故γ愈大，對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)愈有利。

 

　　4.死點(diǎn)

 

　　如下圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)搖桿CD為主動(dòng)件、曲柄AB為從動(dòng)件時(shí)，當(dāng)搖桿處在兩個(gè)極限位置時(shí)，連桿BC與曲柄AB共線。若不計(jì)各構(gòu)件質(zhì)量，則這時(shí)連桿加給曲柄的力將通過(guò)鉸鏈A的中心，這時(shí)連桿BC無(wú)論給從動(dòng)件曲柄AB的力多么大都不能推動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)所處的這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)位置。

    　　死點(diǎn)位置

　　在實(shí)際應(yīng)用中也有利用死點(diǎn)位置的性質(zhì)來(lái)進(jìn)行工作的。如下圖所示快速夾具，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，在去除外力F后仍可加緊工件而不自動(dòng)脫落。只有向上扳動(dòng)手柄3方可松開(kāi)夾具。

    　　死點(diǎn)的應(yīng)用

　　五、平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

 

　　1.四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

 

　　(1)給定位置或運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如連桿位置、連架桿對(duì)應(yīng)位置或行程速度變化系數(shù)等。

 

　　(2)給定運(yùn)動(dòng)軌跡，如要求起重機(jī)中吊鉤的軌跡為一直線;攪面機(jī)中攪拌桿端能按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)等，這些都是連桿上的點(diǎn)的軌跡。為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理、可靠，還應(yīng)考慮幾何條件和傳力性能要求等。

 

　　2.四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

 

　　(1)已知連桿的兩個(gè)位置、及其長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

    　　已知連桿兩位置設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

　　(2)按給定連桿三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

    　　按給定連桿三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

　　(3)按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

    　　按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)