平面連桿機(jī)構(gòu)概述

 

　　平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個剛性構(gòu)件用低副鏈接組成的，各個運(yùn)動構(gòu)件均在同一平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)類型有鉸鏈四桿機(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)： 由若干個構(gòu)件以低副(轉(zhuǎn)動副和移動副)連接而成，且所有構(gòu)件在相互平行平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，也稱平面低副機(jī)構(gòu)。

 

　　2.平面四桿機(jī)構(gòu)： 最簡單的平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個構(gòu)件組成的，簡稱平面四桿機(jī)構(gòu)。

 

　　3.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： 構(gòu)件間用四個轉(zhuǎn)動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，

 

　　(2) 搖桿：3作往復(fù)擺動，主動件可以為曲柄，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

 

　　(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)：兩連架桿中一個為曲柄另一個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)的一個特例。組成四邊形對邊的構(gòu)件長度分別相等。從動曲柄3和主動曲柄1的回轉(zhuǎn)方向相同，角速度時時相等

　　雙搖桿機(jī)構(gòu)：

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

　　平面四桿機(jī)構(gòu)的演化形式(Ⅰ)——含一個移動副的四桿機(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)動方位線通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，滑塊動程(pitch)等于兩倍曲柄1的長度，無急回運(yùn)動特性。主動件可以為曲柄，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)動方位線不通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，偏距(offset)為e,滑塊動程大于兩倍曲柄長度，有急回運(yùn)動特性

　　導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

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

　　擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

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

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)

　　移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

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

 

　　2 平面連桿機(jī)構(gòu)的工作特性

 

　　1、轉(zhuǎn)動副為整轉(zhuǎn)副的充分必要條件

 

　　急回運(yùn)動和行程速比系數(shù)

 

　　原動曲柄轉(zhuǎn)動一周過程中，有兩次與連桿共線，即重疊共線和拉直共線，搖桿兩個極限位置分別為C1D和C2D。

 

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

 

　　因為α1>α2，t1>t2，所以v1  

　　行程速比系數(shù)

　　來表示。 　　壓力角與傳動角

　　在不計運(yùn)動副中摩擦力、構(gòu)件質(zhì)量和慣性力的情況下，機(jī)構(gòu)從動件受力方向Fc和受力點(diǎn)速度方向Vc所夾的銳角α，稱為機(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的余角稱為傳動角γ，即γ+α=90º

 

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

 

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

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

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

　　飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)

　　在機(jī)輪放下時，連桿BC桿與從動桿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，工件不會松脫

　　3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計

　　已知：搖桿長度CD ，擺角φ，行程速比系數(shù)K

　　要求：設(shè)計曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

 

　　解：1、計算極位夾角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C1D，交圓β于G點(diǎn)，連接并延長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)動連續(xù)性要求。 在C1F和GC2兩段圓弧上選取A點(diǎn)時，當(dāng)A點(diǎn)越靠近F(或G)點(diǎn)時，機(jī)構(gòu)最小傳動角將隨之減小。

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

　　AC1=b-a

 

　　AC2=b+a

 

　　所以：a=(AC2-AC1)/2

 

　　b=(AC1+AC2)/2

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

　　2) 對于擺動導(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,只要給定曲柄長度LAB (或給定機(jī)架長度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)動副都是低副，壽命長，傳遞動力大。

 

　　(2)何形狀簡單，易于加工，成本低。

 

　　(3)在主動件等速連續(xù)運(yùn)動的條件下，當(dāng)各構(gòu)件的相對長度不同時,從動件可滿足多種運(yùn)動規(guī)律的要求。

 

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

 

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

 

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

 

　　(7)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動副的元素形狀簡單、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)不容易實現(xiàn)精確復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。

 

　　(3)不宜用于高速傳動。

 

　　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)動形式的不同，相對機(jī)架能做整周轉(zhuǎn)動的稱為曲柄，只能在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的稱為搖桿。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，一個為曲柄，而另一個為搖桿。

 

　　(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，若一個為曲柄，另一個為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。通常曲柄等速轉(zhuǎn)動，搖桿作變速往復(fù)擺動。

    　　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)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。

 

　　上述兩個條件必須同時滿足，否則機(jī)構(gòu)不存在曲柄。當(dāng)滿足桿長條件時，說明存在整轉(zhuǎn)副，當(dāng)選擇不同的構(gòu)件作為機(jī)架時，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桿長度之和大于其余兩桿長度之和時,為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

 

　　三、含有一個移動副的平面四桿機(jī)構(gòu)

 

　　1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

 

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

    　　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：(左)對心曲柄滑塊機(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)動與往復(fù)移動之間的運(yùn)動轉(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)可看成是通過改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件演化而來的。

    　　(a)對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu);(b)曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);(c)移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);(d)擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

　　3.曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

    　　曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在電器開關(guān)中的應(yīng)用

　　4.移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

 

　　也稱為定塊機(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.擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

    　　汽車自動卸料機(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處此兩極限位置時曲柄所在直線之間的銳角θ稱為極位夾角，機(jī)構(gòu)中輸出件在兩極限位置間的移動距離或擺動角度φ稱為行程。

      　　綜上所述，在輸入件曲柄作等速轉(zhuǎn)動時，作往復(fù)擺動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，θ=0，K=1，機(jī)構(gòu)無急回特性;當(dāng)偏心距e不等于0時，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。

    　　壓力角和傳動角

　　其中，α稱為壓力角，即為作用在從動件上的驅(qū)動力與該力作用點(diǎn)的絕對速度方向之間所加銳角稱為壓力角，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來衡量機(jī)構(gòu)的傳力性能。顯而易見，γ即壓力角的余角，稱為傳動角。因為γ=90°−α，故γ愈大，對機(jī)構(gòu)傳動愈有利。

 

　　4.死點(diǎn)

 

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

    　　死點(diǎn)位置

　　在實際應(yīng)用中也有利用死點(diǎn)位置的性質(zhì)來進(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脫落。只有向上扳動手柄3方可松開夾具。

    　　死點(diǎn)的應(yīng)用

　　五、平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

 

　　1.四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計條件

 

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

 

　　(2)給定運(yùn)動軌跡，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)動等，這些都是連桿上的點(diǎn)的軌跡。為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理、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)計方法

 

　　(1)已知連桿的兩個位置、及其長度，設(shè)計鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

    　　已知連桿兩位置設(shè)計鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

　　(2)按給定連桿三個位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)

    　　按給定連桿三個位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)

　　(3)按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)

    　　按給定的行程速度變化系數(shù)設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)