3.4　平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1　平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的基本問題

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就是根據(jù)給定的要求選定機(jī)構(gòu)的形式，確定機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸參數(shù)，并且還要滿足結(jié)構(gòu)條件、動(dòng)力條件和連續(xù)傳動(dòng)條件等技術(shù)要求。根據(jù)機(jī)械的用途和性能要求的不同，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求是多種多樣的，但是這些設(shè)計(jì)要求可以歸納為以下三類問題。

（1）實(shí)現(xiàn)連桿給定位置的設(shè)計(jì)。在這類問題中，要求連桿能有序的占據(jù)一系列的預(yù)定位置。圖3-38所示的鑄造造型機(jī)沙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，沙箱與連桿BC成為一體，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，連桿能依次到達(dá)位置Ⅰ和Ⅱ，以便引導(dǎo)沙箱實(shí)現(xiàn)造型振實(shí)和拔模。

（2）實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此類設(shè)計(jì)問題要求所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的主、從連架桿之間的關(guān)系能滿足某種給定的函數(shù)關(guān)系。圖3-12所示的車門開關(guān)機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足大小相等而轉(zhuǎn)向相反的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉；圖3-14所示的汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足某函數(shù)關(guān)系，以保證汽車順利轉(zhuǎn)彎。

（3）實(shí)現(xiàn)給定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。要求在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，連桿上某些點(diǎn)的軌跡能符合預(yù)定的軌跡要求。圖3-13所示的鶴式起重機(jī)構(gòu)，為避免貨物運(yùn)送過程中上下起伏運(yùn)動(dòng)，連桿上吊鉤滑輪中心點(diǎn)E應(yīng)沿水平直線移動(dòng)；圖3-39所示的攪拌機(jī)機(jī)構(gòu)，應(yīng)保證連桿上E點(diǎn)能按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以完成攪拌動(dòng)作。

3.4.2　按給定連桿位置設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)

如圖3-40所示，設(shè)連桿兩活動(dòng)鉸鏈中心B、C的位置已確定，四桿機(jī)構(gòu)的連桿在運(yùn)動(dòng)過程中能依次到達(dá)位置B1C1、B2C2和B3C3。設(shè)計(jì)的任務(wù)是要確定兩固定鉸鏈A、D的位置。由于B1、B2和B3位于以固定鉸鏈A為圓心的圓弧上，設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為給定圓上3個(gè)點(diǎn)求圓心的問題；同理，通過C1、C2和C3也能求得固定鉸鏈D。具體作法如下：分別作B1B2和B2B3線段的垂直平分線，其交點(diǎn)即為固定鉸鏈A的位置；同理分別作C1C2和C2C3線段的垂直平分線，其交點(diǎn)即為固定鉸鏈D的位置，連接AB1、C1D，即得所求的四桿機(jī)構(gòu)。

3.4.3　按給定行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)

3.4.3.1　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)已知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K，搖桿的長(zhǎng)度L和擺角Ψ（圖3-41），設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

（1）計(jì)算極位夾角。

θ=180°×（K-1）/（K+1）

（2）定出搖桿的兩個(gè)極限位置。任選鉸鏈D，由搖桿長(zhǎng)L和擺角Ψ作搖桿的兩極限位置C1D、C2D。

（3）以C1C2為弦作圓周角為θ的輔助圓。具體過程如下：連接C1C2，作直角三角形C1PC2，其中∠C1=90°，∠C2=90°-θ。

（4）在輔助圓上任取鉸鏈A都能滿足∠C1AC2=θ的要求，A、D為四桿機(jī)構(gòu)機(jī)架。

（5）確定曲柄和連桿長(zhǎng)度。

∵AC1=L連桿-L曲柄，AC2=L連桿+L曲柄

∴L曲柄=（AC2-AC1）/2，L連桿=（AC2+AC1）/2

求得鉸鏈B，則AB1C1D即為所設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)。

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意鉸鏈A不能選在劣弧段EF上，否則機(jī)構(gòu)將不滿足運(yùn)動(dòng)連續(xù)性的要求；而鉸鏈A具體位置的確定尚需要給出一些其他的附加技術(shù)條件。

3.4.3.2　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，行程H就是兩極限位形成的弦（圖3-42），鉸鏈A可由偏距e確定，其余設(shè)計(jì)步驟與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)完全相同。

3.4.3.3　導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖3-43所示，設(shè)已知機(jī)架長(zhǎng)度l4、行程速比系數(shù)K，設(shè)計(jì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）計(jì)算極位夾角。

θ=180°×（K-1）/（K+1）

（2）確定導(dǎo)桿兩極限位置（注意：θ=ψ）。

（3）過A點(diǎn)作導(dǎo)桿的垂線AB1。

（4）確定曲柄l1=AB1。

思考題與習(xí)題

3-1　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)以曲柄為原動(dòng)件時(shí)，機(jī)構(gòu)是否一定存在急回運(yùn)動(dòng)，且一定無(wú)死點(diǎn)？為什么？

3-2　四桿機(jī)構(gòu)中的極位和死點(diǎn)有何異同？

3-3　試說(shuō)明對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)當(dāng)以曲柄為主動(dòng)件時(shí)，其傳動(dòng)角在何處最大。

3-4　通過題圖3-1中各四桿機(jī)構(gòu)所標(biāo)注的構(gòu)件尺寸分別判定各鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型。

3-5　畫出題圖3-2所示各機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和壓力角（標(biāo)注箭頭的構(gòu)件為原動(dòng)件）。

3-6　若曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，極位夾角θ=30°，搖桿工作行程需時(shí)7s。試問：（1）搖桿空回行程需時(shí)幾秒？（2）曲柄每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)是多少？

3-7　用圖解法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)。已知：

3-8　已知滑塊行程50mm、偏距e=16mm、行程速比系數(shù)K=1.2，設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

3-9　如題圖3-3所示，已知加熱爐門兩活動(dòng)鉸鏈的間距為50mm，爐門打開時(shí)成水平位置且低溫面朝上，設(shè)機(jī)架在yy位于軸線，設(shè)計(jì)該爐門啟閉機(jī)構(gòu)。

3-10　設(shè)計(jì)一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。已知搖桿長(zhǎng)度LCD=100mm，機(jī)架長(zhǎng)度LAD=60mm，擺角ψ=30°，行程速比系數(shù)K=1.4，用圖解法確定其余三桿的尺寸。

3-11　題圖3-4所示為一種織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)減速后傳動(dòng)曲柄軸A轉(zhuǎn)動(dòng)。六桿機(jī)構(gòu)（ABCDEFG）組成打緯機(jī)構(gòu)，輸出件FG往復(fù)擺動(dòng)，通過裝在搖軸G上的專用機(jī)件完成打緯要求。此處選用這類六桿機(jī)構(gòu)的原因主要有兩點(diǎn)：一是取其從動(dòng)件上FG擺至遠(yuǎn)離A軸的極位附近時(shí)，近似停頓的時(shí)間較長(zhǎng)，以利緯紗隨氣流穿行而過；二是擺至靠近A軸的另一極位時(shí)又能有較大的角加速度，以利將緯紗打緊。要求找出該機(jī)構(gòu)的極位夾角（畫在圖上即可）