《機械分析與設計基礎》

情境3常用機械機構的分析與設計任務3.1平面連桿機構的分析與設計

曲柄滑塊機構

【下達任務】內燃機曲柄滑塊機構

【能力目標】1.學會鉸鏈四桿機構的類型、特性。2.學會鉸鏈四桿機構的演化機構的分析。3.學會用圖解法設計平面連桿機構。4

知識導航氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10引導問題：內燃機曲柄滑塊機構的組成？曲柄滑塊機構認知：平面連桿機構

1.平面連桿機構：構件間用低副連接而構成的平面機構3.1.1平面四桿機構的組成和特點一、平面四桿機構簡介2.平面四桿機構：

具有四個構件的平面連桿機構。平面四桿機構是平面連桿機構最簡單的類型，常見的形式是鉸鏈四桿機構。其為全轉動副的四桿機構。1.機架：固定件（AD）。2.連架桿：與機架相連的桿（AB、CD）。3.連桿：不直接與機架相連的桿（BC），而是通過回轉副與連架桿相連。其中：二、平面四桿機構的組成【曲柄】：作整周（360度）轉動的連架桿。【搖桿】：僅能在某一角度內擺動的連架桿。

三、平面四桿機構的優(yōu)點和缺點優(yōu)點1優(yōu)點2優(yōu)點3缺點

低副是面接觸，壓強低，磨損量小低副的接觸表面是圓柱面或平面，故制造方便，容易獲得較高的精度

容易實現(xiàn)常見的轉動、移動及其轉換

低副中存在的間隙不易消除，會引起運動誤差，從而降低傳動的精度和效率3.1.2鉸鏈四桿機構的基本類型曲柄搖桿機構雙曲柄機構雙搖桿機構flash

1.曲柄搖桿機構兩連架桿中:一個是曲柄，一個是搖桿的鉸鏈四桿機構

搖桿擺動

運動特點:曲柄為原動件曲柄轉動搖桿為原動件搖桿擺動曲柄轉動flash雷達天線仰俯角的調整機構曲柄搖桿機構應用舉例-1和面機曲柄搖桿機構應用舉例-2縫紉機的踏板機構

曲柄搖桿機構應用舉例-3

2.雙曲柄機構

兩個連架桿都是曲柄的鉸鏈四桿機構（1）普通雙曲柄機構運動特點：主動曲柄等速轉動從動曲柄變速轉動flash普通雙曲柄機構應用舉例

慣性篩flash（2）平行雙曲柄機構：

連桿與機架相等雙曲柄的轉向相同，且長度也相等。

運動特點：兩曲柄轉動的角速度始終相等，連桿作平動，且始終平行于機架。flash天平機構平行雙曲柄機構應用舉例-1平行雙曲柄機構應用舉例-2攝影車座斗升降機構平行雙曲柄機構應用舉例-3路燈檢修車(3)反向雙曲柄機構

連桿與機架長度相等，兩曲柄的轉向相反，且長度也相等。

反向雙曲柄機構應用舉例

車門的啟閉機構

3.雙搖桿機構

具有兩個搖桿的鉸鏈四桿機構。運動特點：擺動擺動（擺幅相等或不相等）雙搖桿機構舉例-1港口起重機雙搖桿機構舉例-2

飛機起落架取不同的構件為機架—變換機架曲柄搖桿機構

雙曲柄機構曲柄搖桿機構

雙搖桿機構3.1.3鉸鏈四桿機構基本類型的判別提出問題：以不同的桿作機架有四種情況，如何判斷類別？

設構件1、2、3、4的長度分別為a、b、c、d

當桿長d>a時，由△B′C′D存在的幾何條件可知，四桿的長度必然滿足：

由△B″C″D存在的幾何條件可知，四桿的長度必然滿足：

即即各式中的等號表示當B處在B′點和B″點時，A、B、C、D四點共線，這時剛好也能形成整轉副。一、鉸鏈四桿機構有曲柄的條件

a≤b，a≤c，a≤d

對于桿長d<a的情況

，同理得出：d≤a，d≤b，d≤c

上式兩兩相加得：課后求證？

鉸鏈四桿機構中存在曲柄的條件（即能做整周轉動）是：

（A）機架或連架桿中必有一桿為最短桿——最短構件條件（B）最短構件與最長構件長度之和小于或等于其余兩構件長度之和——構件長度之和條件

結論：格拉肖夫判別式二、鉸鏈四桿機構基本類型的判別方法（A）機架和連架桿中必有一桿為最短構件，稱為最短構件條件。（B）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其他兩桿件長度之和，稱為構件長度和條件。【引導案例】（A）機架和連架桿中必有一桿為最短構件，稱為最短構件條件。（B）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其他兩桿件長度之和，稱為構件長度和條件。課堂練習-1曲柄搖桿機構課堂練習-2雙搖桿機構課堂練習-3雙曲柄機構課堂練習-4雙搖桿機構3.1.4平面四桿機構的基本特性觀察一下急回特性

1.特性分析

圖示曲柄搖桿機構中，搖桿所處的C1D、C2D兩位置稱為搖桿的兩極限位置

從動件在兩極限位置時，原動件AB在對應兩位置間所夾的銳角θ稱為極位夾角

當曲柄以等角速度ω轉動時，因Ф

1＞

Ф

2、固有t1＞

t2、則ν2＞

ν1，即搖桿的擺回平均速度大于擺出的平均速度，這種性質稱為急回特性。一、急回特性——運動特性一般情況：擺出——工作行程AB1順時針到AB2擺回——非工作行程AB2順時針AB1K=

為了表明機構急回運動的程度，可用擺桿擺回平均速度與擺出平均速度的比值來衡量，該比值稱為行程速比系數(shù)。用K表示。即

K＞1機構具有急回特性。若K＞1，θ≠0,θ越大，機構的急回特性越顯著。θ=0,機構無急回特性。2.行程速比系數(shù)的引入：推導后3.平面四桿機構具有急回特性的條件是：（1）原動件等角速整周轉動，即曲柄為原動件；（2）輸出件作往復運動；（3）極位夾角滿足θ≠0。對于對心式曲柄滑塊機構，因其θ＝0，故無急回特性（1）對于偏置曲柄滑塊機構，因其θ≠0，就有急回特性。θ=ψθ≠0機構具有急回特性（2）擺動導桿急回特性的條件二、

壓力角與傳動角——傳力性能1.壓力角α：從動件上某點所受作用力方向與其速度方向間所夾的銳角壓力角α越小，機構的傳力性能越好，理想的壓力角α=0°FFn=Fsinα有害分力Ft=Fcosα有效分力ABCDαγδFvcFtFn

2.傳動角（γ）：壓力角的余角。vcABCDαγδFFtFn通常用γ表示.傳動角γ越大，機構的傳力性能越好，理想的傳動角γ=90°3.設計時最小傳動角的確定

機構的傳動角和壓力角作出如下規(guī)定：

γmin≥[γ][γ]=30

60°αmax≤[α][γ]、[α]分別為許用傳動角和許用壓力角?！厩闆r分析】最小傳動角出現(xiàn)的位置：

（1）曲柄搖桿機構（曲柄為主動件）最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架共線的位置【情況分析】最小傳動角出現(xiàn)的位置：

（2）曲柄滑塊機構（曲柄為主動件）最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與滑塊移動方向線垂直的位置【情況分析】最小傳動角出現(xiàn)的位置：

（3）擺動導桿機構（曲柄為主動件）

在任何情況下α=0°

γ=90°機構的死點：當機構處于壓力角等于

90°（傳動角等于0°）位置時無論驅動力多，均不能使從動件運動的位置。死點位置舉例1：曲柄搖桿機構（搖桿為主動件）死點出現(xiàn)在曲柄與連桿共線的位置三、

死點位置死點位置舉例2：曲柄滑塊機構死點出現(xiàn)在曲柄與連桿共線的位置

死點位置舉例3：擺動導桿機構以曲柄為原動件時無死點出現(xiàn)，以導桿為原動件死點出現(xiàn)在曲柄與導桿垂直的位置。工程實際中利用和克服死點：死點不利的一面克服止點用慣性力有利的一面利用止點克服死點（機構的錯位排列）（加大飛輪）（加大飛輪）利用死點（飛機起落架）（夾緊裝置）3.1.5平面四桿機構的演化一、演化方法1：改變構件形狀和相對尺寸

轉化為含有一個移動副的四桿機構1.將轉動副轉化為移動副a.對心曲柄滑塊機構

2.選用不同構件做為機架的演化構件3（滑塊）；構件4（導桿）（1）曲柄滑塊機構——取構件4作機架flashb.偏置曲柄滑塊機構flash（2）曲柄搖塊機構--取構件2作機架Flash（3）定塊機構——取構件3作機架手搖唧筒.avi

a.轉動導桿機構（L1＜L2）

3.2鉸鏈四桿機構的演化（4）導桿機構--取構件1作機架b.擺動導桿機構（L2＜L1）擺動導桿機構.swf牛頭刨.avi曲柄滑塊機構搖塊機構定塊機構轉動導桿機構

擺動導桿機構

【總結】演化后的運動簡圖二、

演化的方法之2：擴大轉動副尺寸偏心輪機構：當曲柄的尺寸很小時，由于結構和強度的需要，常通過擴大轉動副尺寸，將曲柄改作成為一個幾何中心與回轉中心不重合的圓盤。

3.1.6平面四桿機構的設計一、

平面連桿機構設計的基本問題主要任務：根據(jù)機構的工作要求、運動特性和設計條件選定機構形式，并確定出各構件的尺寸參數(shù)。連桿機構設計兩類問題：（1）實現(xiàn)給定從動件的運動規(guī)律（2）實現(xiàn)給定的運動軌跡1圖解法2解析法3

實驗法平面四桿機構的設計方法一、圖解法設計平面四桿機構1.按給定位置設計四桿機構

（1）給定連桿兩位置設計

已知：連桿上兩活動鉸鏈的中心B、C及其在運動過程中的兩個位置B1C1、B2C2

（給定BC的兩個位置）B1C1B2C2(2)按連桿的三個給定位置設計

（1）設計曲柄搖桿機構已知曲柄機構搖桿Lcd的長度，及搖桿擺角ψ和行程速比因數(shù)K。2.

按給定的行程速比因數(shù)設計具體數(shù)據(jù)：已知Lcd=600mmψ=30。

K=1.5試設計此曲柄搖桿機構

四桿機構分析圖曲柄搖桿機構【總結】按給定的行程速比系數(shù)設計四桿機構的公式。C1DAB1C2B2設計結果圖【任務完成】

內燃機曲柄滑塊機構的設計【任務實施】1.任務分析

根據(jù)任務已知的條件，在設計內燃機的曲柄滑塊機構時，把偏置曲柄滑塊機構的行程H，視為曲柄搖桿機構當搖桿無限長時C點擺過的弦長，應用上述的方法可求得滿足要求的機構，為解決圖解法的精準性，作圖時可用AutoCAD軟件配合，得到的數(shù)據(jù)更準確。2.任務完成結論參考教材。

設計一偏置曲柄滑塊機構，已知滑塊的行程速度變化系數(shù)K=1.5，滑塊的