第2章 平面连杆机构

第2章平面连杆机构 第一节平面四杆机构的基本类型及其应用第二节平面四杆机构的基本特性第三节平面四杆机构的设计 机械设计基础 NorthwestA FUniversity 一 平面连杆机构及其特点二 铰链四杆机构三 含有一个移动副的四杆机构四 含有两个移动副的四杆机构五 具有偏心轮的四杆机构六 四杆机构的扩展 第一节平面四杆机构的基本类型及其应用 一 平面连杆机构及其特点 承载能力大 可实现多样化的运动规律 可实现远距离的运动和动力的传递 能实现特殊的运动轨迹 1 平面连杆机构 由若干刚性构件用低副连接而成的平面机构称为平面连杆机构 2 传动特点 优点 缺点 误差大 机械效率低 惯性力和惯性力矩不易平衡 不适于高速传动 一 平面连杆机构及其特点 3 连杆机构的应用 内燃机 鹤式吊 火车轮 手动冲床 牛头刨床 翻箱机 机械手爪 椭圆仪 开窗 车门 折叠伞 床 牙膏筒拔管机 自行车等 平面铰链四杆机构 所有运动副均为转动副的四杆机构称为平面铰链四杆机构 简称铰链四杆机构 二 铰链四杆机构 连杆 曲柄 摇杆 连架杆 直接与机架相连的构件 曲柄 能做整周回转的连架杆 连杆 不直接与机架相连的构件 摇杆 仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆 周转副 如果以转动副相连的两构件能作整周相对转动 则称此转动副为周转副 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副 机架 二 铰链四杆机构 对于铰链四杆机构来说 按照连架杆是曲柄还是摇杆 将铰链四杆机构分为三种基本形式 曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构 1 曲柄摇杆机构 定义 在铰链四杆机构中 若两连架杆中有一个为曲柄 另一个为摇杆 则称为曲柄摇杆机构 例如 缝纫机踏板机构 雷达天线机构 缝纫机踏板机构 1 定义 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构 2 按照双曲柄机构的结构特点可分为三类 1 平行四边形机构 在双曲柄机构中 若两对边杆长度相等且平行 则称为平行四边形机构 平行双曲柄机构 传动特点 主动曲柄和从动曲柄均以相同角速度转动 连杆作平动 应用于升降台 2 双曲柄机构 2 双曲柄机构 存在问题 运动不确定问题 AB CD与AD共线 克服方法 1 在从动曲柄CD上加装飞轮 利用惯性维持从动曲柄转向不变 2 采用两组相同机构错位排列的方法 例如 机车驱动联动机构 A B C D 2 双曲柄机构 2 逆平行四边形机构 如双曲柄机构中两相对杆的长度分别向等 但不平行 则称其为逆平行 或反平行 四边形机构 当以其长边为机架时 两曲柄沿相反的方向转动 当以其短边为机架时 其性能与一般双曲柄机构相似 3 一般双曲柄机构 车门的开闭机构 3 双摇杆机构 在铰链四杆机构中 若两连架杆为摇杆 则称为双摇杆机构 应用举例 飞机起落架 铸造翻箱机构 特例 等腰梯形机构 汽车前轮转向机构 1 曲柄滑块机构 改变构件的形状和运动副尺寸 1 当3 4演化成为曲柄滑块机构 当滑块3的导路中心线通过曲柄1的转动中心时 称为对心曲柄滑块机构 当滑块3的导路中心线不过曲柄1的转动中心时 称为偏置曲柄滑块机构 3 三 含有一个移动副的四杆机构 2 导杆机构 取不同构件为机架 曲柄滑块机构的演化 2 导杆机构 取不同构件为机架 导杆机构有可分为 1 曲柄转动导杆机构 转动导杆机构 两连架杆均可相对于机架整周回转 2 曲柄摆动导杆机构 摆动导杆机构 两连架杆中有一个连架杆只能相对于机架做往复摆动 导杆机构具有下述特点 导杆转动 导杆摆动 摆动导杆机构也存在急回特性 导杆机构的传动角恒等于90 具有很好的传力性能 因此常用于牛头刨床 插床和回转式油泵中 2 导杆机构 取不同构件为机架 3 摇块机构和定块机构 1 摇块机构 若原连杆为机架时 曲柄滑块机构演化为摆动滑块机构或称摇块机构 应用 自卸汽车卸料机构 2 定块机构 若原滑块为机架时 曲柄滑块机构就成为固定滑块机构或成为定块机构 应用 抽水唧筒 抽油泵 四 含有两个移动副的四杆机构 1 定义 具有两个移动副的四杆机构称为双滑块机构 2 按照两个移动副所处的位置不同 将双滑块机构分为 正切机构 正弦机构 双转块机构 双滑块机构 对心曲柄滑块机构 双滑块机构 正弦机构 lsin 正弦机构的演化 S 四 含有两个移动副的四杆机构 连杆上除去A B两点作直线运动和连杆中点M点做圆周运动外 连杆上其他各点的轨迹均为椭圆 双滑块机构的特点 四 含有两个移动副的四杆机构 五 具有偏心轮的四杆机构 曲柄滑块机构 偏心盘机构 改变运动副尺寸 扩大运动副 六 四杆机构的扩展 除上述以外 生产中常见的某些多杆机构 也可以看成是由若干个四杆机构组合扩展形成的 例如 手动冲床就是一个六杆机构 筛料机主体机构也可以看成由两个四杆机构组成的 A B C D 一 铰链四杆机构有整转副的条件二 急回特性三 压力角和传动角四 死点位置 第二节平面四杆机构的基本特性 一 铰链四杆机构有整转副的条件 最短杆 最长杆长度 其余两杆长度之和 组成周转副的两杆必有一杆为最短杆 整转副存在的条件 推论 有曲柄时 最短杆的两端必为周转副 有曲柄时 最短杆为连架杆时是曲柄摇杆机构 最短杆为连杆时是双摇杆机构 最短杆为机架时是双曲柄机构 无曲柄时 不符合杆长条件 无论哪个杆为机架时均为双摇杆机构 一 铰链四杆机构有整转副的条件 一 铰链四杆机构有整转副的条件 最短杆为连架杆 曲柄摇杆机构 最短杆为机架 双曲柄机构 最短杆为连杆 双摇杆机构 例题2 1 例2 1已知图示的四杆机构 求 在何范围内取值时 机构为 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 解 1 要使机构为曲柄摇杆机构 则必须满足曲柄存在的条件 而且杆4为最短杆的邻杆 根据题意最短杆只能是杆1 有 即 例题2 1 2 欲使机构为双曲柄机构 应满足曲柄存在的条件而且最短杆为杆4 根据题意杆1或杆2位最长杆 于是有 3 欲使机构为双摇杆机构 或在曲柄存在的条件最短杆的对边为机架 或者不存在曲柄 前一种情况不可能存在 根据前两种机构存在的结果得 考虑到教练四杆机构的组成条件 最长杆小于其余三杆的长度之和 得 例题2 1 总结 0 55 65 75 195 曲柄摇杆机构 双摇杆机构 双曲柄机构 二 急回特性 1 急回运动及在机械设计中的意义 a 急回运动指从动件空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度 b 意义 省时 省动力提高劳动生产率 2 行程速比系数 空回行程的平均速度v2与工作行程的平均速度v1之比 它是衡量急回运动大小的量 用K表示 1 极位 极位夹角 行程角 摆角 极位 对应于摇杆两极限位置的位置 此时曲柄与连杆重合或拉直 极位夹角 对应于极位的两个位置曲柄两位置所夹的锐角 行程角 摆角 对应极位摇杆所摆过的角度 二 急回特性 2 行程速比系数K 上式表明 极位夹角 越大 K值越大 急回运动的性质越显著 当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角 时 则机构具有急回运动特性 而且 越大 K值越大 机构的急回运动特性也越显著 二 急回特性 综上所述 平面四杆机构具有急回特性的条件是 1 原动件等速整周转动 2 输出件具有正 反行程的往复运动 3 极位夹角 0 二 急回特性 偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构也有急回运动特性 其极位夹角 如下图所示 二 急回特性 急回特性的应用 牛头刨床 往复式输送机 三 压力角和传动角 针对从动件 在图示的铰链四杆机构中 若不考虑各构件的重力 惯性力和运动副摩擦力 则主动件AB经过连杆BC传递到CD上的力将沿BC方向 现将力F分解为沿受力点C的速度方向和垂直于速度方向的两个力 三 压力角和传动角 针对从动件 1 压力角 作用在从动件上的力和力作用点的速度方向所夹的锐角 有效分力 有害分力 由上式可知 压力角愈大 有效分力愈小 有害分力愈大 因此 为使机构传力效果好 显然应使有效分力愈大愈好 压力角愈小愈好 三 压力角和传动角 针对从动件 2 传动角 压力角的余角 有效分力 有害分力 由上式可知 传动角愈大 有效分力愈大 有害分力愈小 机构传力效果愈好 在平面连杆机构中 由于传动角有时可以在机构的运动简图中直接观察其大小 故用传动角来衡量机构的传动质量 三 压力角和传动角 针对从动件 在铰链四杆机构ABCD中 当 BCD为锐角时 BCD 当 BCD为钝角时 180 BCD 3 许用传动角 设计条件 4 最小传动角的确定 推导过程参见课本31页 min发生在曲柄与机架重叠或拉直共线的位置 其值取或中小者 结论 三 压力角和传动角 针对从动件 四 死点位置 针对从动件 1 死点位置 在摇杆为主动件的曲柄摇杆机构中 连杆与从动曲柄出现两次共线称此位置为死点位置 2 死点存在的条件 从动件与连杆共线 3 死点的应用与克服 对于传动机构来讲 死点是不利的 应采取措施使机构能顺利通过死点位置 克服 缝纫机的踏板机构 加飞轮 火车轮机构 错位排列 四 死点位置 针对从动件 工程实践中 常利用死点来实现特定的工作要求 实例1 飞机起落架机构 在机轮放下时 BC杆与CD杆成一直线 机构处于死点位置 使降落更加安全可靠 实例2 工件夹紧机构 工件被夹紧后 BCD成一直线 即机构在工件反力的作用下处于死点 可保证在加工时 工件不会松脱 蒸汽机车驱动轮联动机构 利用机构错位排列 死点的应用与克服 例题8 2 例8 2在图所示的偏置曲柄滑块机构中 设曲柄长度为r 连杆长度为l 滑块C的行程为H 偏距为e 现需求 1 确定杆AB为曲柄的条件 2 分析此机构是否存在急回运动 若有 其行程速比系数为多少 3 若以杆AB为主动件 试确定该机构的最小传动角及位置 4 试问该机构在何种情况下有死点位置 5 若机构为对心式曲柄滑块机构 上述情况又如何 例题8 2 解 1 偏置式曲柄滑块机构有曲柄的条件 例题8 2 解 2 用作图法作出该机构的两个极限位置 如图所示 因其存在极为夹角 故机构有急回作用 此时行程速比系数为 例题8 2 解 3 当机构以曲柄为原动件时 在 BCD中 DBC 例题8 2 解 4 当机构以曲柄为原动件时 机构无死点 但是当机构以滑块为原动件时 因为机构从动件AB与连杆BC存在两次共线位置 故有两个死点位置 5 若机构为对心式曲柄滑块机构 曲柄存在的条件为 机构无急回运动 最小传动角为 死点位置 第三节平面四杆机构的设计 一 按照给定的行程速比系数设计四杆机构二 按照给定连杆位置设计四杆机构三 按两连架杆预定的位置设计四杆机构 平面连杆机构设计的基本问题 按照给定的运动轨迹设计四杆机构 按照给定从动件的运动规律设计四杆机构 例如车门的开闭机构 例如鹤式起重机 一 按照行程速比系数设计四杆机构 1 曲柄摇杆机构 已知条件 CD杆长 摆角 及K 设计此机构 分析 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 设计 计算 180 K 1 K 1 任取一点D 作等腰三角形 腰长为CD 夹角为 C1C2P 90 C2C1P 90 作 PC1C2的外接圆 在此圆上任选一点作为A 校核传动角 一 按照行程速比系数设计四杆机构 2 曲柄滑块机构 已知条件 行程速比系数k 冲程H和偏心距e 设计此机构 设计 计算 180 K 1 K 1 选作冲程H及偏心距e 作 C2C1O C1C2O 90 以O为圆心 C1O为半径作圆 作偏距线e 交圆弧于A 即为所求 以A为圆心 AC1为半径作弧交于E 得 一 按照行程速比系数设计四杆机构 3 导杆机构 已知条件 机架长度l4 行程速比系数K 设计此机构 分析 导杆机构的极位夹角 等于导杆的摆角 现需确定曲柄长度l1 设计 180 K 1 K 1 作 MDA ADN 0 5 得到两极限位置ND MD 任选作机架AD 以A为圆心 NA为半径作圆 过圆上任一点B作此导杆机构 二 按照给定连杆位置设计铰链四杆机构 1 已知活动铰链 B C 的位置如图1所示 设连杆上两活动铰链中心B C的位置确定 要求机构运动过程中能通过连杆给定的三个位置 要确定两固定铰链A D的位置 设计 选做机构简图 同理求D点 连接 并分别作 的中垂线 交于A点 连接即为所求的铰链四杆机构 唯一解 二 按照给定连杆位置设计铰链四杆机构 2 已知固定铰链 A D 的位置如图所示 设已知固定铰链的位置及机构在运动过程中 其连杆上的标线 在连杆上作出的标志连杆位置的线段 EF分别占据的三个位置 现要求确定两活动铰链中心B C的位置 设计 1 选 作AD d 3 作AA A A 的垂直平分线 两垂直平分线交于一点 此点即为B点 2 作四边形 四边形 4 同理作点 连接所得到的四边形即为所求 二 按照给定连杆位置设计铰链四杆机构 分析 根据机构倒置的概念 设改取四杆机构的连杆为机架 则原机构 图a 中固定铰链A D将变为活动铰链 而活动铰链B C将变为固定铰链 图b 这样 就将已知固定铰链中心的位置设计四杆机构的问题转化为前述问题 为了求出新连杆AD相对新机架BC运动时活动铰链A D的第二个位置 如图b所示 将原机构的第二个位置的构型视为刚体进行移动 使与重合 从而即可求得活动铰链A D中心在倒置机构中的第二个位置A A 三 按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构 1 按两连架杆预定的三个对应位置进行设计如图所示 设已知四杆机构机架长度d 要求原动件和从动件顺时针依次相应转过对应角度 设计此四杆机构 分析 反转法 图C 分析 如图所示 若改取两连架杆CD为机架 则构件AB变为连杆 而为了求出新连杆AB相对新机架CD运动时活动铰链A D的位置 可将原机构第