平面连杆机构.doc

第二章 平面连杆机构21 概 述一、有关的几个基本概念由几个构件通过低副联接，且所有构件在相互平行平面内运动的机构称为平面连杆机构。由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构，则称为平面四杆机构。它是平面连杆机构中最常见的形式，也是组成多杆机构的基础。由转动副联接四个构件而形成的机构，称为铰链四杆机构。二、平面连杆机构的特点及应用平面连杆机构的主要特点：优点：由于组成运动副的两构件之间为面接触，因而承受的压强小、便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷；构件形状简单，加工方便，工作可靠；在主动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时,从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。缺点：低副中存在间隙会引起运动误差，设计计算比较复杂，不易实现精确的复杂运动规律；连杆机构运动时产生的惯性力也不适用于高速的场合。这类机构常应用于机床、动力机械、工程机械、包装机械、印刷机械和纺织机械中。如：牛头刨床中的导杆机构，活塞式发动机和空气压缩机中的曲柄滑块机构，包装机中的执行机构等。22 铰链四杆机构的基本型式及其演化1234ABCD一、 铰链四杆机构的基本型式在铰链四杆机构中，固定不动的杆4为机架，与机架相连的杆1与杆3，称为连架杆，联接两连架杆的杆2为连杆。连架杆1与3通常绕自身的回转中心A和D回转，杆2作平行运动；若能作整周回转的连架杆称为曲柄，不能作整周回转的连架杆称为摇杆。铰链四杆机构共有三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。1曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄1为原动件，并作匀速转动；而摇杆3为从动件，作变速往复摆动。如教材图2-1所示为调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构。由柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2，使摇杆3在一定角度范围内摆动，以调整天线俯仰角的大小。2. 双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构。图2-6所示的惯性筛中的构件1、构件2、构件3、构件4组成的机构，为双曲柄机构。在惯性筛机构中，主轴曲柄AB等角度速回转一周，曲柄CD变角速度回转一周，进而带动筛子EF往复运动筛选物料。在双曲柄机构中，用得较多的是平行双曲柄机构，或称平行四边形机构，如图2-7所示。这种机构的对边长度相等，组成平行四边形。当杆AB杆等角速转动时，杆CD也以相同角速度同向转动，连杆2杆则作平移运动。此外，还有反平行四边形机构。如公共汽车车门启闭机构。当主动曲柄转动时，通过连杆从动曲柄朝相反方向转动，从而保证两扇车门同时开启和关闭。汽车前轮转向机构3. 双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。图2-13所示轮式车辆的前轮转向机构为双摇杆机构，该机构两摇杆长度相等，称为等腰梯形机构。车子转弯时，与前轮轴固联的两个摇杆的摆角和如果在任意位置都能使两前轮轴线的交点P落在后轴线的延长线上，则当整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动，避免轮胎因滑动而损伤。等腰梯形机构就能近似地满足这一要求。图2-12所示为用于鹤式起重机变幅的双摇杆机构。当摇杆AB摆动时，另一摇杆CD随之摆动，选用合适的杆长参数，可使悬挂点E的轨迹近似为水平直线，以免被吊重物做不必要的上下运动而造成的功耗。二、 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构可以演化为其他型式的四杆机构。演化的方式通常采用移动副取代转动副、变更机架、变更杆长和扩大回转副等途径。1.转动副转化成移动副（1）铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副RABCRABCDABC移动副可以认为是转动副的一种特殊情况，即转动中心位于垂直于移动副导路的无限远处的一个转动副（图2-14）。曲柄滑块机构就是用移动副取代曲柄摇杆机构中的转动副而演化得到的。如图2-14所示的曲柄摇杆机构，铰链中心C的轨迹为以D为圆心和L3为半径的圆弧mm.。若L3增至无穷大，则如图2-14b所示，C点轨迹变成直线。于是摇杆3演化为直线运动的滑块，转动副D演化为移动副， 曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。（2）铰链四杆机构中二个转动副转化为移动副两个移动副不相邻，如图2-15所示。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，故称为正切机构。两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联，如图2-16所示。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构。2. 取不同构件为机架对一个曲柄摇杆机构变更机架，该机构可以演化为双曲柄机构，如教材图217回转式油泵。双摇杆机构，如教材图218卡车自动卸料机构；以及图219手摇唧筒。同样，对曲柄滑块机构变更机架，该机构可以演化为导杆机构，摇动滑块机构，固定滑块机构。如下图，各机构。ABC 曲柄滑块机构 导杆机构 定块机构ABC 转动导杆机构 摆动导杆机构 摇块机构更多请看教材表21。23 平面四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构存在曲柄条件铰链四杆机构的三种基本形式，区别在于有无曲柄和有几个曲柄。而四个杆相对长度对机构有无曲柄起着决定的影响，铰链四杆机构的三种基本形式与机构中四个杆相对长度有怎样关系呢。下面我们分析。在铰链四杆机构中，AB为曲柄、BC为连杆、CD为摇杆、AD为机架。各杆长度分别为L1、L2、L3、L4。在B/C/ D中 L1+L4L2+L3在B/C/D中 L4L1L3L2 L4L1L2L3经整理 L1L4L2L3 L2L1L4L3 L3L1L4L2上式两两相加得L1L3 L1L4 L1L2上述关系说明：（1）在曲柄摇杆机构中，曲柄是最短杆；（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，是曲柄存在的必要条件。在满足了第二个条件后由于曲柄相对于机架和连杆均能作整周回转运动，所以机架和连杆相对于曲柄也能作整周回转运动，因此若取最短杆为机架就有两个曲柄存在。若满足最短杆最长杆其余两杆长度之和a.连架杆是最短杆为曲柄摇杆机构；b.机架是最短杆为双曲柄机构；c.若最短杆是连杆，此机构为双摇杆机构。最短杆最长杆其余两杆杆长度之和,为双摇杆机构。二、急回特性在曲柄摇杆机构，AB为曲柄是原动件等角速度转动，BC为连杆，CD为摇杆，当CD杆处于C1D位置为初始位置，C2D终止位置，摇杆在两极限位置之间所夹角度称为摇杆的摆角，用y表示。当摇杆CD由C1D摆动到C2D位置时，所需时间为t1，平均速度为: 曲柄AB以等角速度顺时针从AB1, 转到AB2，转过角度为：j1180+，当摇杆CD由C2D摆回到C1D位置时，所需时间为t2，平均速度为曲柄AB以等角速度顺时针从AB2转到AB1，转过的角度为：j2180-， 由于曲柄AB等角速度转动, 所以 j1j2，t1t2, 因此， v2v1由此可见，主动件曲柄AB以等角速度转动时，从动件摇杆CD往复摆动的平均速度不相等。往往我们把进程平均速度定为V1，而空行程返回速度则为V2，显而易见，从动件反回程速度比进程速度快。这个性质称为机构的急回特性。我们把回程平均速度与进程平均速度之比称为速度变化系数，用K表示:或 式中称为极位夹角，即摇杆在极限位置时，曲柄两位置之间所夹锐角。表示了急回程度的大小,越大急回程度越强,=0,机构无急回特性。三、 压力角和传动角在生产中，不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律，而且希望运转轻便，效率较高。教材图2-26所示的曲柄摇杆机构，如不计各杆质量和运动副中的摩擦，则连杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆CD上的力P是沿BC方向的。作用在从动件上的驱动力P与该力作用点绝对速度c之间所夹的锐角称为压力角。可见，力P在c方向的有效分力为PtPcos,这说明压力角越小，有效分力就越大。也即是说，压力角可作为判断机构传动性能的标志。在连杆设计中，为了度量方便，习惯用压力角的余角（即连杆和从动摇杆之间所夹的锐角）来判断传力性能，称为传动角。因90，所以越小，越大，机构传力性能越好；反之，越大，越小，机构传力越费劲，传动效率越低。机构运转时，传动角是变化的，为了保证机构正常工作，必须规定最小传动角min。对于一般工，通常取min 40；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，最小传动角应当取大一些，可取min50；对于小功率的控制机构和仪表，min可略小于40。四、 死点位置在曲柄摇杆机构中，当摇杆CD为主动件、曲柄AB为从动件时，当连杆BC与曲柄AB处于共线位置时，连杆BC与曲柄AB之间的传动角 0，压力角=90，这时连杆BC无论连杆BC给从动件曲柄AB的力多么大曲柄AB不动，机构所处的这种位置称为死点位置。例如在家用缝纫机的踏板机构中就存在死点位置。机构存在死点位置是不利的，对于连续运转的机器，采取以下措施使机构顺利地通过死点位置1.利用从动件的惯性顺利地通过死点位置。家用缝纫机的踏板机构中大带轮就相当于飞轮，利用惯性通过死点。工件夹紧机构2.采用错位排列地方式顺利地通过死点位置，例如V型发动机。有时可利用死点位置实现某种功能。如教材图231夹具当工件与被夹紧后，四杆机构的铰链中心，B、C、D处于同一条直线上，工件经杆1给杆2传给杆3的力，通过回转中心D此力不能使杆3转动，因此当F去掉后仍能夹紧工件。 24 平面四杆机构的设计平面连杆机构设计的基本问题：1.实现构件给定位置,即要求连杆机构能引导构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。2.实现已知运动规律，即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要求，或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。3.实现已知运动轨迹，即要求连杆机构中做平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。四杆机构设计的方法有解析法、几何作图法和实验法。本章仅介绍作图法，实验法。一、按给定连杆位置设计四杆机构给定连杆的三个位置给定连杆的两个位置B1C1和B2C2时与给定连杆的三个位置相似，设计四杆机构图解过程如下。选定长度比例尺 绘出连杆的两个位置B1C1、B2C2。连接B1B2、 C1C2，分别作线段B1B2和C1C2的垂直平分线B12和C12，分别在B12和C12上任意取A，D两点，A，D两点即是两个连架杆的固定铰链中心。连接AB1、C1D、B1C1、AD，AB1C1D即为所求的四杆机构。测量AB1、C1D、AD 计算lAB、LCD LAD 的长度, 由于A点可任意选取，所以有无穷解。在实际设计中可根据其他辅助条件，例如限制最小传动角或者A、D的安装位置来确定铰链A、D的安装位置。二、按给定行程速度变化系数K设计四杆机构按行程速度变化系数K设计曲柄摇杆机构往往是已知曲柄机构摇杆L3的长度及摇杆摆角和速度变化系数K。怎样用作图法设计曲柄摇杆机构设计的实质是确定铰链中心A点的位置，定出其他三杆的尺寸L1、L2和L4。其设计步骤如下：(1)由给定的行程速比系数K，按式:求出极位夹角,(2)任选固定铰链中心D的位置，由摇杆长度L3和摆角，作出摇杆两个极限位置C1D和C2D。(3) 连接C1和C2，并作C1M垂直于C1C2(4)作C1C2O = 90，C2C1O = 90，C2O与C1O相交于O点，由图可见，C1OC2=2。(5) 作C10C2的外接圆，此圆上任取一点A作为曲柄的固定铰链中心。连AC1和AC2，因同一圆弧的圆周角相等，故C1AC2C1OC2/2。(6) 因极限位置处曲柄与连杆共线。故AC1L2L1，从而得曲柄长度L1（AC2AC1）/2。再以A为圆心和以L1为半径作圆，交C1A的延线于B1，交C2A于B2，即得B1C1B2C2L2及ADL4。由于A点是C1PC2外接圆上任选的点，所以若仅按行程速比系数K设计，可得无穷多的解。A点位置不同，机构传动角的大小也不同。如欲获得良好的传动质量，可按照最小传动角最优或其他辅助条件来确定A点的位置。三、按给定的运动轨迹设计四杆机构（自学内容）本 章 小 结（1）平面连杆机械的应用非常广泛，在日常生活和生产中经常遇到各种型式的连杆机构，尽管它们的外形千变万化，但经分析、演化，都可归为少数几种基本类型，所以在学习过程中，对四杆机构的基本型式及其演化这部分内容要特别注意。（2）平面连杆机构的基本形式为平面铰链四杆机构，它有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种形式。平面铰链四杆机构的类型取决于组成机构的各杆长关系和对机架选择。将平面铰链四杆机构中的一个或两个转动