教学材料《静力学》-第6章

6.1平面四杆机构的基本形式及其应用6.1平面四杆机构的基本形式及其应用平面连杆机构是由若干构件用低副连接而成的，又称低副机构。低幅运动具有可逆性，改变原动件，各构件的相对运动规律不变。6.1.1四杆机构的基本形式构件间的运动副均为转动副的四杆机构，是四杆机构的基本形式，称为铰链四杆机构。如图6.1所示，其中AD杆为机架，与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆，与机架相对的BC杆称为连杆。通常将能绕机架作整周回转运动的连架杆称为曲柄;只能在小于360。的范围内摆动的连架杆称为摇杆根据连架杆中是否存在曲柄以及曲柄的数日，铰链四杆机构分为曲柄摇杆机钩、双曲柄机构和双摇杆机构3种基本形式。返回下一页上一页6.1平面四杆机构的基本形式及其应用1.曲柄摇杆机构在铰链四杆机构的两连架杆中，一个为曲柄;另一个为摇杆时即称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可以实现定轴转动与定轴摆动之间的运动及动力传递。曲柄摇杆机构多以曲柄为主动件且作等速转动，摇杆为从动件做往复摆动，如图6.2所示的雷达天线俯仰角的调整机构和图6.3所示的搅拌机构。如图6.4所示的缝纫机踏板机构，则是以摇杆为主动件，曲柄为从动件的曲柄摇杆机构。2.双曲柄机构在铰链四杆机构中，两连架杆均为曲柄的是双曲柄机构。双曲柄机构可以实现定轴转动与定轴转动之间的运动及动力传递。图6.5所示双曲柄机构中，两曲柄的长度不等，主动曲柄AB返回下一页上一页6.1平面四杆机构的基本形式及其应用等速回转一周时，从动曲柄CD变速回转一周。图6.6所示的惯性筛就是利用从动曲柄CD的变速转动，使筛子具有适当的加速度，从而利用被筛物料的惯性达到筛分的日的。图6.7所示的双曲柄机构中，连杆与机架的长度相等，两曲柄的长度也相等，且转向相同，称为正平行四边形机构。这种机构的运动特点是两曲柄的角速度始终保持相等，且连杆始终作平动，故应用也很广泛。图6.8所示的摄影车的升降机构，其升降高度的变化采用两组正平行四边形机构来实现，利用连杆7始终作平动这一特点，可使与连杆固连一体的座椅始终保持水平位置，以保证摄影者安全可靠工作。图6.9所示的天平机构，能始终保持天平盘1,2处于水平位置。此外机车车轮的联动机构(如图6.10所示)也属于正平行四边形机构。返回下一页上一页6.1平面四杆机构的基本形式及其应用图6.11所示双曲柄机构中，两曲柄长度相等转向相反，连杆与机架的长度也相等称为逆平行四边形机构。图6.12所示的车门的启闭机构就是逆平行四边形机构的应用实例。3.双摇杆机构铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆时称为双摇杆机构。图6.13所示为鹤式起重机的变幅机构。当摇杆CD摆动时，连杆BC上悬挂重物的M点作近似水平直线运动，可避免重物移动时因不必要的升降而发生事故，或消耗过多能量两摇杆长度相等的双摇杆机构称等腰梯形机构，图6.14所示的汽车前轮转向机构就是其应用实例。6.1.2铰链四杆机构曲柄存在条件一、曲柄存在的条件图6.15所示铰链四杆机构中，构件1,2,3,4的杆长分别为a,返回下一页上一页6.1平面四杆机构的基本形式及其应用b,d,且a<d。由曲柄定义可知，杆1为曲柄，它能绕铰链A相对机架做整周转动，这就要求铰链B能通过Bz点(距离D点最远)和B.点(距离D点最近)两个特殊位置，AB位于ABZ和AB，位置时，杆1和杆4共线。综合分析以上不等式及图6.15，可得出铰链四杆机构有曲柄(有周转副)的条件，其条件如下(1)机构中的最短杆和最长杆长度之和不大于其他两杆长度之和;(2)连架杆或机架为最短杆。二、铰链四杆机构的基本类型图6.15中最短杆1为分别为该机构相邻两杆间的夹角。当曲柄1整周回转时，曲柄与相邻两杆的夹角的变化范围为0到360;而摇杆与相邻两杆的夹角变化范围小于360。根据相对运动返回下一页上一页6.1平面四杆机构的基本形式及其应用原理可知，连杆2和机架4相对曲柄1也是整周转动;相对于摇杆3则作小于360。的摆动。当各杆长度不变而以不同杆为机架时，可以得到不同类型的铰链四杆机构，如图6.16所示。若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和时，只能得到双摇杆机构。返回下一页上一页6.2平面四杆机构的演化机构上一节我们所介绍的3类铰链四杆机构，远远满足不厂实际工作机械的需要，在工程实际应用中，常常采用多种不同外形、构造和特性的四杆机构，这些四杆机构可以看做是由铰链四杆机构通过各种方法演化而来的。这些演化机构扩大厂平面连杆机构的应用，丰富厂平面四杆机构的内涵6.2.1改变相对杆长、转动副演化为移动副—曲柄滑块机构如图6.17所示，将曲柄摇杆机构中的摇杆的杆长增大至无穷长，摇杆与连杆相连的转动副就转化成厂移动副。曲柄滑块机构在工程实际中的应用非常广泛。图6.18(a)所示为应用于内燃机、空压机、蒸汽机的活塞一连杆机构中的曲柄滑块机构，其中活塞相当于滑块。图6.18(b)所示为用于自动送料装置的曲柄滑块机构，曲柄每转一圈活塞送出一个工件。当需要将曲柄做得较短时，通常采用图6.18(c)所示的返回下一页上一页6.2平面四杆机构的演化机构偏心轮机构，其偏心圆盘的偏心距己就是曲柄的长度。这种结构减少厂曲柄的驭动力，增大厂转动副的尺寸，提高厂曲柄的强度和刚度，广泛应用于冲压机床、破碎机等承受较大冲击载荷的机械中。6.2.2变换单移动副机构的机架将图6.17(a)所示的对心曲柄滑块机构，选用不同构件作为机架，可演化成如图6.19所示的具有不同运动特性和不同用途的机构。1.转动导杆机构所谓导杆是指机构中不与机架相连而组成移动副的构件，如图6.19(b)所示。转动导杆机构可以看做是在一个尺寸已定的对心曲柄滑块机构中，通过选取原机构中的曲柄为机架得到的。转动导杆机构的应用如图6.20所示回转式油泵及图6.21所示小型刨床返回下一页上一页6.2平面四杆机构的演化机构2.摇块机构选用曲柄滑块机构中的构件2为机架时，滑块3只能绕机架上铰链C作摆动，机构演化成曲柄摇块机构，如图6.19(c)所示。曲柄摇块机构广泛应用于机床、液压驭动及气动装置中，图6.22所示的Y54插齿机中驭动插齿刀的机构，图6.23所示的自卸卜车的翻斗机构，是曲柄摇块机构应用实例。3.定块机构如图6.19(d)所示，选用曲柄滑块机构中滑块3作机架，可演化成定块机构。它应用于手压卿筒(图6.24)和双作用式水泵等机械中。4.摆动导杆机构摆动导杆机构可以看做是在转动导杆机构的基础上，通过改变各构件的相对尺寸得到的。图6.25所示的牛头刨床的主传动机构是摆动导杆机构在机械中的应用。返回下一页上一页6.2平面四杆机构的演化机构6.2.3变化双移动副机构的机架1.移动导杆机构移动导杆机构如图6.26(a)所示，当主动件曲柄1等速回转时，从动件导杆3的位移与主动件1转角的正弦成正比，故又称为正弦机构该机构的运动简图可用图6.26(b)表示。2.双转块机构图6.26所示移动导杆机构中，若取杆1为机架，即可得到图6.27(a)所示的双转块机构。这种机构的两滑块均能相对于机架做整周转动，当主动滑块2转动时，通过连杆3(中间连接块)可使从动滑块4获得与滑块2完全同步的转动。图6.27(b)所示的十字滑块联轴器是双转块机构在工程中的应用。3.双滑块机构选取图6.26(b)所示的移动导杆机构中的构件3为机架，可返回下一页上一页6.2平面四杆机构的演化机构得到图6.28(a)所示的双滑块机构。一般两滑块移动方向互相垂直，连杆AB(或其延长线)上的任一点M的轨迹必为椭圆，故双滑块机构常用做椭圆仪，如图6.28(b)所示.返回下一页上一页6.3平面四杆机构的运动特性6.3.1急回特性在某些连杆机构中，当主动件(一般为曲柄)作等速转动时，从动摇杆做往复摆动，且摆回时的平均速度比摆去时的平均速度要大，这种性质称为连杆机构的急回特性。在生产实际中利用连杆机构的急回特性可以缩短非生产时间，提高生产效率。图6.29所示的曲柄摇杆机构，主动曲柄AB在等速转动一周的过程中，与连杆BC两次共线，此时从动摇杆CD分别位于两极限位置C,D和CZD，在这两个极限位置时，曲柄相应的两个位置所夹的锐角称为极位夹角，以e表示。6.3.2平面机构的传力特性一、压力角和传动角在工程应用中的连杆机构除厂要满足运动要求外，还应具有返回下一页上一页6.3平面四杆机构的运动特性良好的传力性能，以减小结构尺寸和提高机械效率。下面在不计重力、惯性力和摩擦作用的前提下，分析曲柄摇杆机构的传力特性。如图6.30所示。曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两个位置之一，如图6.30所示的B1点或B2点位置。图6.31所示偏置式曲柄滑块机构，以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角为连杆与导路垂线所夹锐角，最小传动角出现在曲柄位于与偏距方向相反一侧且垂直于导路时的位置;对心式曲柄滑块机构，其最小传动角，出现在曲柄垂直于导路时的位置。二、死点位置从F=Fcosa知，当压力角a=90时，马伙动力的有效分力F=0，对从动件的作用力或有效力矩为零，此时连杆返回下一页上一页6.3平面四杆机构的运动特性不能驭动从动件工作。机构处在这种位置称为死点，又称止点。图6.32(a)所示的曲柄摇杆机构，从动曲柄AB与连杆BC共线时，压力角a=90，传动角y=n。如图6.32(b)所示的曲柄滑块机构，以滑块做主动件，当从动曲柄AB与连杆Bc共线时，外力F作用线通过从动曲柄AB的转动中心，有效作用力矩为0，无法推动从动曲柄转动。(1)对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置，例如缝纫机踏板机构就是借助于带轮的惯性通过死点位置的，如图6.33所示。(2)采用机构错位排列，将两组以上的机构组合起来，各组机构的死点位置相互错开。蒸汽机车车轮联动机构是由两组位置相互错开900曲柄滑块机构组成，如图6.34所示。返回下一页上一页6.3平面四杆机构的运动特性工程上有时也利用死点位置来实现一定的工作要求。如图6.35(a)所示的飞机起落机构，当起落架放下时，BC与CD杆共线，机构处于死点位置，地面对机轮的作用力不会使CD杆转动，从而保证飞机起落可靠。又如图6.35(b)所示的夹紧机构，当工件被夹紧后，BC与切杆共线，机构处于死点位置，即使工作反力再大也不能使机构反转，要松开工件，只有向上推动手柄才能实现，从而保证厂夹紧可靠。图6.35(c)所示的折叠椅也利用厂死点位置来承受外力。返回下一页上一页6.4平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计，主要包括根据使用要求选定机构的型式，确定机构中各构件的尺寸。这种设计一般可归纳为两类:一是根据给定的设计要求选定机构型式;二是确定各构件尺寸，并满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。平面连杆机构设计的三大类基本问题如下。四杆机构的设计方法有图解法、解析法和实验法。其中图解法直观简便但精确度不高;解析法精确但计算量大，日前，使用计算机作辅助设计，既精确又迅速，是设计方法的新方向;实验法简便但不实用。本节通过设计实例介绍各类常见四杆机构的图解设计方法。四杆机构设计实例1.按给定行程速比系数K设计四杆机构设计具有急回特性的四杆机构，通常根据实际工作需要，先返回下一页上一页6.4平面四杆机构的设计确定行程速比系数K，然后根据机构在极限位置处的儿何关系，结合有关辅助条件，确定出机构中各杆的尺寸。例6.1已知摇杆CD的长度lcd,摆角必和行程速比系数K，试设计该曲柄摇杆机构。如图6.37所示。例6.2已知条件:机架长度LAC、行程速比系数K，试设计该摆动导杆机构。由图6.38可知。2.按给定的连杆位置设计四杆机构例6.3图6.39(a)所示加热炉的炉门，要求设计一四杆机构，把炉门从开启位置B2CZ(炉门水平位置，受热面向下)转变为关闭位置B,C,(炉门垂直位置，受热面朝向炉膛)。由以上分析可知，设计平面机构时，若只给定连杆两个位置，则有无穷多个解。一般是再根据具体情况增加辅助条件(比如限制最小传动角、各杆的尺寸范围或其他结构要求等)得到确定的解。返回下一页上一页图6.1铰链四杆机构返回下一页上一页图6.2俯仰角的调格机构返回下一页上一页图6.3搅拌机构返回下一页上一页图6.4缝纫机踏板机构返回下一页上一页图6.5双曲柄机构返回下一页上一页图6.6惯性筛返回下一页上一页图6.7正平行四边形机构返回下一页上一页图6.8摄影车升降机构返回下一页上一页图6.9天平机构返回下一页上一页图6.10机车车轮联动机构返回下一页上一页图