第6單元

平面連桿機(jī)構(gòu)

項(xiàng)目背景

牛頭刨床是刨削類機(jī)床中應(yīng)用較廣的一種機(jī)床，圖6-1為牛頭刨床傳動(dòng)示意圖。牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)為電動(dòng)機(jī)→帶傳動(dòng)→齒輪變速機(jī)構(gòu)→擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)→滑枕往復(fù)運(yùn)動(dòng)→刨刀切削運(yùn)動(dòng)；牛頭刨床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為電動(dòng)機(jī)→帶傳動(dòng)→齒輪變速機(jī)構(gòu)→棘輪機(jī)構(gòu)→工作臺(tái)橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

通過分析可知，學(xué)習(xí)平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型、應(yīng)用、工作特性及設(shè)計(jì)的基本方法等知識(shí)，以幫助分析和解決平面連桿機(jī)構(gòu)方面的工程實(shí)際問題。

圖6-1牛頭刨床傳動(dòng)示意圖

第6單元

平面連桿機(jī)構(gòu)

平面四桿機(jī)構(gòu)的演化

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性內(nèi)容CONTENTS綜合項(xiàng)目分析第6單元平面連桿機(jī)構(gòu)

知識(shí)目標(biāo)

1.了解平面連桿機(jī)構(gòu)的組成、分類及應(yīng)用。2.熟練掌握鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、應(yīng)用及演化，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件。3.熟悉平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性。

1.能夠準(zhǔn)確分析與識(shí)別平面連桿機(jī)構(gòu)的類型。2.能了解各種典型連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及應(yīng)用工況。

能力目標(biāo)

第6單元

平面連桿機(jī)構(gòu)

素質(zhì)目標(biāo)

1.培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新意識(shí)。2.養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、精益求精的工匠精神。

1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型判斷、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化。2.平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析。

學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

預(yù)備知識(shí)：

（1）連桿機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件只采用低副連接的機(jī)構(gòu)稱為連桿機(jī)構(gòu)。

（2）平面連桿機(jī)構(gòu)：所有構(gòu)件均在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)稱為平面連桿機(jī)構(gòu)。

（3）四桿機(jī)構(gòu)：由四個(gè)構(gòu)件組成的平面連桿機(jī)構(gòu)稱為四桿機(jī)構(gòu)

縫紉機(jī)腳踏機(jī)構(gòu)鋸管機(jī)構(gòu)

基本概念：

（1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：四個(gè)構(gòu)件全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的四桿機(jī)構(gòu)，稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

（2）機(jī)架：機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的構(gòu)件。

（3）連架桿：與機(jī)架連接的構(gòu)架。

曲柄：若能繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿則稱為曲柄。

搖桿：只能繞著機(jī)架在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的連架桿。

（4）連桿：不直接與機(jī)架相連的構(gòu)件。

6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知圖6-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

6.1.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)按是否存在曲柄可分為三類：

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

（1）概念：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿中，若一個(gè)是曲柄，另一個(gè)是搖桿，則稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。其功能是：將原動(dòng)件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件擺動(dòng)，或?qū)⒃瓌?dòng)件擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6-3腳踏式人力脫粒機(jī)a)雷達(dá)天線俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)b)水稻插秧機(jī)的秧爪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖6-4曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

2.雙曲柄機(jī)構(gòu)

（1）概念：具有兩個(gè)曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

（2）其功能是：將原動(dòng)件等速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件等速同向、不等速同向、等速反向等多種轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）應(yīng)用案例：慣性篩機(jī)構(gòu)

圖6-5雙曲柄機(jī)構(gòu)圖6-6慣性篩機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

（3）雙曲柄機(jī)構(gòu)的其他類型

1）平行四邊形機(jī)構(gòu)：如果兩曲柄的長度相等，且連桿和機(jī)架的長度也相等，則稱為四邊形機(jī)構(gòu)或平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。

應(yīng)用案例：掘土機(jī)的驅(qū)動(dòng)鏟斗機(jī)構(gòu)等

圖6-7平行四邊形機(jī)構(gòu)圖6-8掘土機(jī)的驅(qū)動(dòng)鏟斗機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

2）反平行四邊形機(jī)構(gòu)：兩相對(duì)構(gòu)件長度相等，一對(duì)構(gòu)件互相平行的雙曲柄機(jī)構(gòu)。

應(yīng)用案例：公共汽車的車門開關(guān)機(jī)構(gòu)

3）功能：將等速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為等速同向、不等速同向、等多種轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6-9反平行四邊形機(jī)構(gòu)圖6-10公共汽車的車門開關(guān)機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

3.雙搖桿機(jī)構(gòu)

（1）概念：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿若都是搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

（2）功能是：將原動(dòng)件的一種擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件的另一種擺動(dòng)。

（3）應(yīng)用案例：港口鶴式起重機(jī)

、汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)、飛機(jī)起落架等機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)圖6-11雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

☆基礎(chǔ)能力訓(xùn)練

請(qǐng)根據(jù)所學(xué)的知識(shí)判斷圖6-12和圖6-13所示機(jī)構(gòu)屬于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的哪類機(jī)構(gòu)，并簡述其工作原理。

圖6-12天平機(jī)構(gòu)圖6-13腳踏砂輪機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知6.1.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判別

1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件

機(jī)構(gòu)中相鄰構(gòu)件能否相對(duì)轉(zhuǎn)整周，由各構(gòu)件長度間的關(guān)系決定。

（1）長度和條件：機(jī)構(gòu)中最短構(gòu)件與最長構(gòu)件長度之和小于或等于其余兩構(gòu)件長度之和，即

（式6-1）

（2）最短構(gòu)件條件：連架桿與機(jī)架中必有一桿為最短構(gòu)件。圖6-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本類型的判別方法

（1）滿足長度和條件，即

1)若以最短構(gòu)件相鄰邊為機(jī)架時(shí)，機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；2)若以最短構(gòu)件為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；3)若以最短構(gòu)件對(duì)邊為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

（2）不滿足長度和條件，則無論取哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

圖6-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

☆基礎(chǔ)能力訓(xùn)練

請(qǐng)判斷圖6-14所示各機(jī)構(gòu)屬于何類鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

圖6-14鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

項(xiàng)目6-1

如圖6-15所示縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)，已知AB=4cm、AD=11cm、BC=16cm，若BC為機(jī)構(gòu)的最長構(gòu)件，請(qǐng)問縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件應(yīng)滿足什么條件，縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)才能為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)？

圖6-15縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)6.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)知

在實(shí)際工作機(jī)械中，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，生產(chǎn)實(shí)踐中，常常采用多種不同外形、結(jié)構(gòu)和特性的四桿機(jī)構(gòu)，都可以認(rèn)為是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式。

常用的的演化方法：

（1）變轉(zhuǎn)動(dòng)副為移動(dòng)副；（2）取不同的構(gòu)件作機(jī)架；

（3）擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的尺寸。

6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

（1）演化過程：由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，將CD→無窮大，C點(diǎn)軌跡變成直線；

（2）演化方法：將轉(zhuǎn)動(dòng)副→移動(dòng)副；

（3）類型：

a.偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

，e≠0偏距：曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心距導(dǎo)路的距離。

b.對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，e=0

圖6-16曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的過程6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化

（4）應(yīng)用案例：內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)、沖床和送料機(jī)構(gòu)等。

圖6-17沖床6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-18活塞式內(nèi)燃機(jī)

（5）功能：將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的往復(fù)移動(dòng)

圖6-19爬桿機(jī)器人6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-20偏心輪機(jī)構(gòu)1—偏心輪2—連桿3—滑塊4—機(jī)架

在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或其他含有曲柄的四桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄長度很短時(shí)，由于存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，工程中常將曲柄設(shè)計(jì)成偏心輪或偏心軸的形式。

這樣不僅克服了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，而且還提高了偏心軸的強(qiáng)度和剛度。曲柄為偏心輪結(jié)構(gòu)的連桿機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。

6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-20偏心輪機(jī)構(gòu)1—偏心輪2—連桿3—滑塊4—機(jī)架

2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

（1）演化過程：改變對(duì)心曲柄滑塊中的機(jī)架而演化來的；

（2）演化方法：改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)架,以構(gòu)件1為機(jī)架。

圖6-16c對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-21導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

1—機(jī)架2—曲柄3—滑塊4—導(dǎo)桿

（3）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)類型：a.若l1<l2為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)b.若l1>l2為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-21導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

1—機(jī)架2—曲柄3—滑塊4—導(dǎo)桿

（4）應(yīng)用案例：常用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)油泵中。

6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-22牛頭刨床驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1-曲柄2-機(jī)架

3、5-滑塊4-導(dǎo)桿6-滑枕圖6-23插床插刀機(jī)構(gòu)1-曲柄2-機(jī)架3-滑塊4-導(dǎo)桿5-連桿6-刀架

3.搖塊機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1）演化方法：以構(gòu)件2為機(jī)架，可得搖塊機(jī)構(gòu)。

（2）應(yīng)用實(shí)例：卡車車廂自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)

6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-24搖塊機(jī)構(gòu)1-曲柄2-機(jī)架

3-滑塊4-導(dǎo)桿圖6-25貨車自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)1—車廂2—車身3—液壓缸4—活塞桿4.移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)：

（1）演化方法：以構(gòu)件3為機(jī)架，得到定塊機(jī)構(gòu)。

（2）應(yīng)用實(shí)例：手動(dòng)抽水機(jī)

圖6-26移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化圖6-27手動(dòng)壓水機(jī)☆基礎(chǔ)能力訓(xùn)練

圖6-28所示為平面連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例，圖6-28a所示為折疊桌椅機(jī)構(gòu)，圖6-28b所示為玩具步行機(jī)構(gòu)，試?yán)盟鶎W(xué)知識(shí)分析圖6-28所示平面連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例，判斷它們屬于哪種平面連桿機(jī)構(gòu)？

圖6-28平面連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例6.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化請(qǐng)觀察下列動(dòng)畫：

問題：1.牛頭刨床的往返速度是否相同？2.縫紉機(jī)的腳踏機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)，該怎么辦？

牛頭刨床6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性縫紉機(jī)的腳踏機(jī)構(gòu)6.3.1急回特性

1.基本概念：（以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，曲柄為原動(dòng)件）

（1）四桿機(jī)構(gòu)的極限位置：當(dāng)曲柄與連桿二次共線時(shí)，搖桿位于機(jī)構(gòu)的最左或最右的位置。

（2）極位夾角（θ）：從動(dòng)件處于二個(gè)極限位置時(shí)，相對(duì)應(yīng)的原動(dòng)件曲柄所夾的銳角。

圖6-29曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性分析6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

（3）擺角（ψ）：搖桿（從動(dòng)件）在兩個(gè)極限位置z之間所夾角稱為搖桿的擺角，用ψ表示。

2.急回特性：原動(dòng)件曲柄作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖桿在空回行程的平均速度大于工作行程的特性稱為急回特性。

圖6-29曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性分析6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

３.行程速比系數(shù)（K）：從動(dòng)件空回行程與工作行程的平均速度之比。

極位夾角為：

討論：a.θ>0o→K>1→此時(shí)機(jī)構(gòu)具有急回特性，θ↑

→K↑

→急回特性越顯著。

b.θ=0o→K=1，此時(shí)機(jī)構(gòu)無急回特性。

圖6-29曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性分析6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

6.3.2壓力角和傳動(dòng)角

1.壓力角（α）：從動(dòng)件上的作用力F與該點(diǎn)速度vc所夾銳角α稱為機(jī)構(gòu)的壓力角。

F的兩個(gè)分力：

Fn=Fsinα—引起摩擦力，有害分力

Ft=Fcosα—有效分力

圖6-30鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

2.傳動(dòng)角（γ）：壓力角α的余角，即γ=90o-α稱為傳動(dòng)角。

討論：α↑（γ↓）

→

Fn↑→傳力性能差。

α↓（γ↑

）→Fn

↓→傳力性能好。

為保證機(jī)構(gòu)的傳力性能良好，必須限定機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角，通常γmin≥[γ]。

對(duì)于一般機(jī)械，通常γmin

≥40o,[γ]=40o~50o;對(duì)于傳遞功率大的機(jī)械γmin≥50o，對(duì)于一些非傳力機(jī)構(gòu)，也可取γmin<40o,但不能過小。

圖6-30鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

3.γmin的確定

（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的γmin位置

搖桿CD為從動(dòng)件，曲柄AB為原動(dòng)時(shí)，當(dāng)原動(dòng)件AB與機(jī)架AD共線時(shí)，傳動(dòng)角最小。比較兩者兩次共線的γmin，并取小值為該機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin

。

圖6-30鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性

（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)αmax位置

對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)件為曲柄時(shí)，最大壓力角出現(xiàn)在曲柄與滑塊導(dǎo)路垂直時(shí)的位置。

（3）擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1）以曲柄為原動(dòng)件，傳動(dòng)角γ恒等于90o，具有良好的傳力性能。2）以導(dǎo)桿為原動(dòng)件，傳動(dòng)角γmin=0o，位置出現(xiàn)在導(dǎo)桿與曲柄垂直處。

圖6-31偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性圖6-32擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

6.3.3死點(diǎn)位置

1.概念：如圖6-33所示，以搖桿CD為原動(dòng)件，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0o（α=90o），這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)

力矩為零，從動(dòng)件不轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)處于停頓位置稱為死點(diǎn)位置。

圖6-33曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性圖6-34縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

1—曲柄2—連桿3—踏板4—機(jī)架

2.死點(diǎn)位置的利弊

利：工程上利用死點(diǎn)位置進(jìn)行工作，如飛機(jī)起落架、夾具機(jī)構(gòu)。

弊：機(jī)構(gòu)有死點(diǎn)，從動(dòng)件出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)方向不確定現(xiàn)象，對(duì)傳動(dòng)不利，如縫紉機(jī)的腳踏機(jī)構(gòu)。

飛機(jī)起落架-利用死點(diǎn)位置進(jìn)行工作案例6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性圖6-34縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

1—曲柄2—連桿3—踏板4—機(jī)架

3.克服死點(diǎn)的方法

（1）增大從動(dòng)件的質(zhì)量，利用慣性度過死點(diǎn)位置。

（2）在從動(dòng)曲柄上施加外力或安裝飛輪以增加慣性。

（3）采用相同的機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列。

6.3平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性圖6-34縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)

1—曲柄2—連桿3—踏板4—機(jī)架圖6-35機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

☆綜合應(yīng)用能力訓(xùn)練

圖6-37a所示為折疊式靠椅，靠背AD可視為機(jī)架，靠背腳AB可視為原動(dòng)件。圖6-37b所示為夾緊工件用的連桿式快速