1、機 械 設 計 基 礎Fundamentals of Machine Design高等院校現代機械設計系列教材第三章一、根本內容及學習要求二、學習指導三、典型實例分析四、復習題五、復習題參考答案第三章 平面連桿機構回目錄 1根本內容(1) 鉸鏈四桿機構的根本型式及應用；(2) 鉸鏈四桿機構的傳動特性；(3) 鉸鏈四桿機構的曲柄存在條件；(4) 鉸鏈四桿機構的演化；(5) 平面四桿機構的設計。一、根本內容及學習要求 3. 重點鉸鏈四桿機構的傳動特性和曲柄存在條件；平面四桿機構的設計。 4難點四桿機構的根本型式及其演化、鉸鏈四桿機構的傳動特性、曲柄存在條件和圖解法設計平面四桿機構。 一、根本內容及

2、學習要求二、學習指導 1. 平面連桿機構 平面連桿機構是由多個剛性構件用低副轉動副和移動副連接組成的機構。 平面連桿機構中以四個構件組成的平面四桿機構應用最為廣泛。圖3-1所示為攪拌機機構，圖3-3所示為開關教室鋼窗的導桿機構，圖3-4所示為內燃機的曲柄滑塊機構等。對這些日常生活中隨處可見的四桿機構，應注意觀察，以穩固和擴大關于四桿機構應用的知識，進一步加深對機構運動簡圖的理解。二、學習指導C2B1A4D3圖3-1BAC1234圖3-3圖3-4BAC1234二、學習指導 2鉸鏈四桿機構的根本型式 圖3-5為鉸鏈四桿機構。其中構件4為機架；作整周轉動的構件1為曲柄；作往復擺動的構件 3為搖桿；不

3、與機架直接相連的構件2為連桿，它通常作平面復合運動。注意，通過這些判斷說明了每個構件的運動性質，對以后的分析非常重要。 二、學習指導曲柄234連桿1搖桿機架勻速轉動變速擺動2314圖3-5二、學習指導 選擇不同構件為機架可將曲柄搖桿機構演化為雙曲柄機構和雙搖桿機構。即可用一個根本機構型式表示三種不同的鉸鏈四桿機構。實質上 ，根據相對運動原理，當給整個機構加一個共同的運動時，各構件之間的相對運動并不發生變化，而各構件的絕對運動卻改變了，這樣就形成與原機構所不同的機構。在圖3-5所示的曲柄搖桿機構中，構件4為機架，曲柄1以角速度1轉動，現如給整個機構加一個角速度為“-1的公共運動，顯然各構件間的相

4、對運動并不發生改變，但此時原曲柄1卻因其角速度變為1-1= 0而成為“機架，原機架4那么變為以角速度“-1轉動的連架桿，于是整個機構演化成雙曲柄機構。 3鉸鏈四桿機構的傳動特性 (1) 急回運動性質和行程速比系數 圖3-6所示為曲柄搖桿機構，當曲柄為原動件并作等速回轉時，從動搖桿作往復變速擺動，具有急回運動的性質。用行程速比系數K來表示急回運動的相對程度，即二、學習指導 在圖3-5中，為極位夾角(當曲柄與連桿兩次共線時，曲柄所夾的銳角)；為擺角(搖桿在兩極限位置間的夾角) 。 上式說明，曲柄搖桿機構有無急回運動性質，取決于有無極位夾角。對于一個機構，假設=0，K=1，那么該機構沒有急回運動性質

5、；假設0 ，K1，那么該機構具有急回運動性質，且角越大，K 值越大，急回運動性質也越顯著。或二、學習指導圖3-6二、學習指導(2) 壓力角和傳動角見圖3-7 壓力角 ：從動件所受的壓力F與受力點絕對速度方向線vc之間所夾的銳角稱為壓力角。壓力角可作為判斷一個連桿機構是否具有良好傳力性能的標志。 傳動角：連桿和從動搖桿之間所夾的銳角稱為傳動角，傳動角是壓力角的余角，即= 90o 。 由于是用銳角表示的，當BCD為銳角時， =BCD，BCD的最小值即為min；但當BCD為鈍角時，傳動角就應當以 =180 oBCD表示，BCD的最大值也對應于min。曲柄搖桿機構的最小傳動角min可能出現在曲柄與機架

6、兩次共線處，見圖3-6。 二、學習指導圖3-7二、學習指導 (3) 死點位置 圖3-6所示的曲柄搖桿機構，當以搖桿3作為原動件、曲柄1作為從動件，在搖桿擺到兩極限位置時，連桿與曲柄出現兩次共線的位置即為死點位置。曲柄搖桿機構產生死點位置的條件是必須以搖桿作為原動件，機構在該位置是不能運動的。 (4) 存在曲柄的條件 鉸鏈四桿機構中存在曲柄的條件是： 曲柄為最短桿； 最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。 在滿足上述條件的前提下，機構中究竟有無曲柄，還需要根據取哪一個構件作為機架來判斷。二、學習指導死點特性的應用(圖3-8 ) ：a) 夾緊機構 b) 飛機起落架圖3-8二、學習指導

7、推論1 如果鉸鏈四桿機構存在曲柄，那么： 假設取最短桿作為機架，那么該機構為雙曲柄機構； 假設取最短桿的相鄰桿作為機架，那么該機構為曲柄搖桿機構； 假設取最短桿的相對桿作為機架，那么該機構為雙搖桿機構。 推論2 如果鉸鏈四桿機構不存在曲柄，那么不管取哪一個桿作為機架，該機構均為雙搖桿機構。 其判斷思路見圖 3-9。學習本節內容切忌不顧具體條件死記 “曲柄是最短構件這個特殊結論此結論只適用于曲柄搖桿機構。 二、學習指導lmax+lmin l余1+l余2不存在曲柄雙搖桿機構雙搖桿機構雙曲柄機構曲柄搖桿機構可能有曲柄固定件是否最短構件最短構件的鄰邊最短構件的對邊圖3-9二、學習指導4鉸鏈四桿機構的演

8、化鉸鏈四桿機構可通過以下途徑演化成其他形式的四桿機構：(1) 通過擴大轉動副獲得偏心輪機構； (2) 通過改變構件的相對長度將轉動副演變成移動副； (3) 通過取不同的構件為機架獲得不同的機構。以上三種演化方法應該牢固掌握。二、學習指導演化為曲柄滑塊機構(圖3-10)及偏心輪機構(圖3-11)：圖3-10圖3-11二、學習指導 5平面四桿機構的設計 要求掌握用圖解法按給定行程速比系數和給定連桿位置設計四桿機構的方法。 本章還介紹了用“實驗法設計四桿機構，該方法帶有試湊的性質，從理論上看來似乎不夠嚴謹，但卻是一種行之有效的設計方法。 隨著計算機技術的開展，解析法越來越得到重視，可參閱有關文獻。

9、三、典型實例分析 例3-1 見圖3-12，在鉸鏈四桿機構中，l2= 50mm，l3=35mm， l4= 30mm，構件AD為機架，試問(1) 假設此機構為曲柄搖桿機構，且構件AB為曲柄，求l1max；(2) 假設此機構為雙曲柄機構，求l1min；(3) 假設此機構為雙搖桿機構，求l1的數值。圖3-12三、典型實例分析 解：由式得 lmax + lmin l余1 + l余2(1) 假設此機構為曲柄搖桿機構，且構件AB為曲柄，應滿足的條件是 l1 + l2 l3 + l4 l1 l3 + l4l2 =35 +3050 = 15mm 所以l1max =15mm(2) 假設此機構為雙曲柄機構，依題意A

10、D應為最短桿。當AB為最長桿時，應滿足的條件是： l1 + l4 l2+ l3 l1 l2 + l3l4 = 50 +3530 = 55mm 當AB不為最長桿時，應滿足的條件是： l4 + l2 l1 + l3 l1 l4 + l2l3 = 30+5035 = 45mm 當45mml155mm時，該機構為雙曲柄機構。 故l1min =45mm(3) 假設此機構為雙搖桿機構，只要l1不滿足上述兩種情況均能滿足此題要求。即當15mm l145mm和55mml1115mm極限情況，即l4+ l2+l3 = 115mm時，機構均為雙搖桿機構。1. 填空題(1) 曲柄搖桿機構中行程速比系數K的大小取決于

11、 ，K值越大，機構的 越顯著。 (2) 在曲柄搖桿機構中，當 與 共線時，機構可能出現最小傳動角min 。(3) 在鉸鏈四桿機構中，與機架用轉動副相連接的桿稱為 。(4) 在曲柄滑塊機構中，假設滑塊作為主動件，當 時，機構會出現死點位置。(5) 鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件是 ； 。 四、復習題 選擇題(1) 平面連桿機構是由 組成的機構。(A) 高副； (B) 高副和低副； (C) 轉動副； (D) 低副。(2) 平面連桿機構，構件的最少數量是 。(A) 二件； (B) 三件； (C) 四件； (D) 五件。(3) 有急回運動性質的四桿機構是 。(A) 對心曲柄滑塊機構； (B) 偏置曲柄滑塊

12、機構； (C) 擺動導桿機構。(4) 壓力角可作為判斷機構傳力性能的標志，在平面連桿機構中，壓力角越大，機構傳力性能 。(A) 越差； (B) 不受影響； (C) 越好。(5) 曲柄搖桿機構的死點位置在 。(A) 原動桿與連桿共線； (B) 原動桿與機架共線； (C) 從動桿與連桿共線； (D) 從動桿與機架共線。四、復習題 問答題 1何謂平面連桿機構？其根本型式有哪幾種？ 2鉸鏈四桿機構的根本型式哪有幾種？ 3何謂曲柄搖桿機構急回運動性質？何參數反映了機構的急回運動程度？ 4曲柄搖桿機構具有死點位置的條件是什么？ 5鉸鏈四桿機構存在曲柄的條件是什么？ 6在曲柄搖桿機構中，作圖標出極位夾角、擺

13、角、壓力角 和傳動角、機構的極限位置、死點位置及最小傳動角 min；并能表達上述概念的含義。 7何謂平面連桿機構的壓力角和傳動角？壓力角的大小對平面連桿機構的工作有何影響？ 8鉸鏈四桿機構有幾種演化方式？演化后的機構有何特點？四、復習題四、復習題 計算題 根據圖3-13中注明的尺寸計算并判斷各鉸鏈四桿機構的類型。圖3-13圖3-14 設計一腳踏軋棉機的曲柄搖桿機構( 見圖3-14)。要求踏板 CD 在水平位置上下各擺 10o ，且 lCD= 500mm，lAD= 1000mm 。試用圖解法求曲柄AB和連桿BC的長度。 在鉸鏈四桿機構中，各桿的長度分別為l1=28mm，l2=52mm，l3=50mm，l4=72mm，試用圖解法求： 當取桿4為機架時，該機構的極位夾角和搖桿3的擺角； 求該機構的最小傳動角 min； 試討論該機構在什么條件下具有死點位置，并繪圖表示。 (4) 設計一曲柄搖桿機構。搖桿長度l3=100mm，擺角=30o， 搖桿的行程速比系數K=1.2。試根據最小傳動角min 40o 的條件確定其余三桿的尺寸。四、復習題 試設計一偏置曲柄滑塊機構。滑塊的行程速比系數 K=1.4，滑塊的行程 lc1c2=60mm，導路的偏距e=20mm，試用圖解法求曲柄AB和連桿BC的長度。四、