平面連桿機(jī)構(gòu)◆掌握鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成和基本類(lèi)型?！粽莆浙q鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件?！羰煜て矫嫠臈U機(jī)構(gòu)的性質(zhì)。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

如圖4—1—1所示為單缸內(nèi)燃機(jī)原理模型圖，其中，活塞、連桿、曲軸等組成了平面連桿機(jī)構(gòu)。在做功行程中，活塞承受燃?xì)鈮毫υ谄變?nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并由曲軸對(duì)外輸出動(dòng)力。這就是平面連桿機(jī)構(gòu)在汽車(chē)上的運(yùn)用。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖4—1—1單缸內(nèi)燃機(jī)原理a）實(shí)物圖b）原理圖平面連桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)一些較為復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。如圖4—1—2所示為車(chē)門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿BC使曲柄CD朝著反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證兩扇車(chē)門(mén)的同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉到預(yù)定的各自工作位置?？梢?jiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)是一些剛性構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副相互連接而組成的機(jī)構(gòu)。構(gòu)件之間的連接處是圓柱面或平面接觸，其承載能力強(qiáng)，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)，易于制造；另外，平面連桿機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，所以在生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖4—1—2車(chē)門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)示意圖一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

平面連桿機(jī)構(gòu)的種類(lèi)較多，其中最基本的是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，即四個(gè)桿全部用鉸鏈（轉(zhuǎn)動(dòng)副）連接的平面四桿機(jī)構(gòu)，如圖4—1—3所示。圖4—1—3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖4-1-4曲柄搖桿機(jī)構(gòu)1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成由圖4—1—3，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上的最基本特征是四個(gè)構(gòu)件均為桿狀，且構(gòu)件之間的連接是鉸鏈連接。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中四個(gè)構(gòu)件的名稱(chēng)分別為：機(jī)架——機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的桿，圖4—1—3中的桿4。連架桿——與機(jī)架直接連接的桿，圖4—1—3中桿1和桿3。連桿——機(jī)構(gòu)中不與機(jī)架直接連接的桿，圖4—1—4中桿2。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中連桿通常作平面運(yùn)動(dòng)，連架桿1和3繞各自的回轉(zhuǎn)中心A和D轉(zhuǎn)動(dòng)。其中能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連架桿稱(chēng)為曲柄；而僅能在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)的連架桿稱(chēng)為擺桿。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有三種類(lèi)型：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿分別為曲柄和搖桿，則該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖4—1—4所示：當(dāng)曲柄AB為主動(dòng)件并作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件搖桿CD將在C1D到C2D范圍內(nèi)作變速往復(fù)擺動(dòng)。圖4—1—5；圖4—1—6；圖4—1—7就是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的具體應(yīng)用。圖4—1—4曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖4—1—5刮雨器機(jī)構(gòu)

圖4—1—6攪拌機(jī)機(jī)構(gòu)圖4—1—7家用縫紉機(jī)的踏板機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)（2）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時(shí)，則稱(chēng)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖4—1—8、4—1—9所示。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若連桿與機(jī)架相等，且兩曲柄的轉(zhuǎn)向相同、長(zhǎng)度也相等時(shí)，則稱(chēng)為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖4—1—9a所示；若兩曲柄轉(zhuǎn)向相反的情況，則稱(chēng)為反向雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖4—1—9b及圖4—1—2車(chē)門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)（3）雙搖桿機(jī)構(gòu)兩連架桿均為搖桿的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖4—1—10汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

圖4—1—10汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3.曲柄存在的條件

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄,取決于機(jī)構(gòu)中各桿的長(zhǎng)度關(guān)系,即要使連架桿能做整周的轉(zhuǎn)動(dòng)而成為曲柄,各桿必須滿足一定的條件，這就是曲柄存在的條件。如圖4—1—11中，a、b、c、d分別表示構(gòu)件ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、ＡＤ的長(zhǎng)度，若ＡＤ為機(jī)架，ＡＢ為曲柄，在ＡＢ轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，ＡＢ與ＡＤ[BC?是的]存在拉直共線和重疊共線兩個(gè)位置。要使ＡＢ成為曲柄，它必須能順利地通過(guò)這兩個(gè)共線位置。由此可知，在四桿機(jī)構(gòu)中，要使連架桿成為曲柄，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件，即：（1）連架桿與機(jī)架中必須有一個(gè)是最短桿；（2）最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和必小于或等于其余兩桿的長(zhǎng)度之和。根據(jù)曲柄存在的條件，還可以做出如下推論：（3）以最短桿相鄰的桿做機(jī)架時(shí)，該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；（4）以最短桿做機(jī)架時(shí)，該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；（5）以最短桿相對(duì)的桿做機(jī)架時(shí)，該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。如果鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和大于其余兩桿的長(zhǎng)度之和，則無(wú)論以哪一桿件為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖4—1—11急回運(yùn)動(dòng)特性圖4—1—12壓力角和傳動(dòng)角二、平面四桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)1.急回運(yùn)動(dòng)特性如圖4—1—11所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄AB沿順時(shí)針?lè)较蛞缘冉撬俣圈貜呐cBC共線位置ABl轉(zhuǎn)到共線位置AB2時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為φ1(180o+θ)；搖桿CD從左極限位置ClD擺到右極限位置C2D，設(shè)所需時(shí)間為t1，C點(diǎn)平均速度為V1；當(dāng)曲柄AB再繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度φ2(180o一θ)，即從AB2到ABl，搖桿CD自C2D擺回到ClD，設(shè)所需時(shí)間為t2，C點(diǎn)的平均速度為V2。由于φ1>φ2，則t1>t2。又因搖桿CD往返的擺角都是相同的，而所用的時(shí)間卻不同，往返的平均速度也不相同，即V1﹤V2。由此可見(jiàn)，當(dāng)曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)的平均速度是不同的，搖桿的這種運(yùn)動(dòng)特性稱(chēng)為急回運(yùn)動(dòng)特性。為了表明搖桿的急回運(yùn)動(dòng)特性的程度，通常用行程速比系數(shù)Ｋ表示，K值越大，回程越快。（4—1）式中，θ稱(chēng)為極位夾角，即從搖桿處于左、右兩極限位置時(shí)，主動(dòng)曲柄相應(yīng)兩位置所夾的銳角。由式（4－１）可知，行程速比系數(shù)K與極位夾角θ有關(guān)，θ越大，Ｋ越大。當(dāng)θ＝０時(shí)，Ｋ＝１，說(shuō)明機(jī)構(gòu)無(wú)急回運(yùn)動(dòng)。由式（4－１）可得：（4—2）由式（4－2）可見(jiàn)，如果要得到既定的行程速比系數(shù)，只要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的極位夾角θ即可。在各種機(jī)器中，應(yīng)用四桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)特性，可以節(jié)省空回行程的時(shí)間，以提高生產(chǎn)效率。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)2.壓力角和傳動(dòng)角

如圖4—1—12所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，主動(dòng)曲柄通過(guò)連桿ＢＣ傳遞到Ｃ點(diǎn)上的力Ｆ的方向與從動(dòng)搖桿BC[CD?是的]受力點(diǎn)Ｃ的絕對(duì)速度Vc的方向之間所夾的銳角α，稱(chēng)為壓力角。壓力角α的余角γ，稱(chēng)為傳動(dòng)角。力Ｆ可分解為沿Ｃ點(diǎn)絕對(duì)速度Vc方向的分力Ｆt，及沿?fù)u桿ＣＤ的徑向力Fn，而Ｆt則是推動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)的有效分力。α越小，γ越大，有效分力Ft越大，而Fn越小，對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)越有利，為保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常要使γmin≥40°，傳動(dòng)力矩較大時(shí)，則要使γmin≥50°鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3.死點(diǎn)位置于兩個(gè)極限位置時(shí)，連桿與曲柄共線，此時(shí)傳動(dòng)角γ＝０°。這樣主動(dòng)件搖桿ＣＤ通過(guò)連桿作用于從動(dòng)曲柄ＡＢ上的力，恰好通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心Ａ，所以理論上不論作用多大的力，均不能使曲柄ＡＢ轉(zhuǎn)動(dòng)，因而產(chǎn)生“頂死”現(xiàn)象，如圖4—1—１3（b）的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊主動(dòng)并處于極限位置時(shí)，機(jī)構(gòu)的這種狀態(tài)位置稱(chēng)為死點(diǎn)位置。

圖4—1—13四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)順利通過(guò)死點(diǎn)位置的方法

為了使機(jī)構(gòu)能夠順利地通過(guò)死點(diǎn)位置，繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，常采用以下方法：

（1）利用從動(dòng)曲柄本身的質(zhì)量或附加一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的飛輪，如圖4-1-14所示，依靠其慣性作用來(lái)導(dǎo)向通過(guò)死點(diǎn)位置。

（2）采用多組機(jī)構(gòu)錯(cuò)列，如圖4-1-15所示的兩組車(chē)輪的錯(cuò)列裝置，兩組機(jī)構(gòu)的曲柄錯(cuò)列成90°。

（3）增設(shè)輔助構(gòu)件。如圖4-1-16所示機(jī)車(chē)車(chē)輪聯(lián)動(dòng)裝置，在機(jī)構(gòu)中增設(shè)了一個(gè)輔助曲柄EF。

圖4-1-14依靠慣性作用通過(guò)死點(diǎn)位置圖4-1-15采用多組機(jī)構(gòu)錯(cuò)列通過(guò)死點(diǎn)位置圖4-1-16增設(shè)輔助構(gòu)件通過(guò)死點(diǎn)位置鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)