机械原理 2-1(58)

1、,第二章 平面连杆机构,学习目的： 掌握常用平面连杆机构的运动和动力性能，设计已知条件下的有关平面连杆机构。 学习重点： 曲柄摇杆机构、平面四杆机构的设计。,第二章 平面连杆机构,从第一章知，任何机构都是诸构件经运动副联接而成。我们常见的曲柄滑块机构、四杆机构、导杆机构、五杆机构，它们都是一些构件，经过运动副如高副、低副、转动副、移动副联接而成的。 这四个机构中，它们有一个共同的特点： 组成这些机构的构件都是刚性构件，且大部分呈杆状。,第二章 平面连杆机构, 它们都是由低副联接而成，因为除了回转副之外，就是移动副联接。 运动特点： 主动件：往复移动、转动、摆动、移动 从动件：转动、往复移动、摆

2、动、移动 它们之间可以任意地组合。,第二章 平面连杆机构,一、定义： 由刚性构件用低副联接起来的机构叫做平面连杆机构。 这种机构在工程实际中应用极为广泛，例如活塞式原动机、牛头刨床、颚式破碎机、插齿机、起重运输机、缝纫机、自动包装机、仪表的指示机构等等，都包含有平面连杆机构。,第二章 平面连杆机构,平面连杆机构的应用： 例，公共汽车上的门采用平面连杆机构。,第二章 平面连杆机构,平面连杆机构的应用：,第二章 平面连杆机构,曲柄摇杆机构,雷达天线,平面连杆机构的应用： 例，,第二章 平面连杆机构,搅拌机,碎石机,平面连杆机构的应用：,第二章 平面连杆机构,双曲柄机构,火车车轮机构,平面连杆机构的

3、应用： 又例，平面连杆机构 在汽车转向机构中的应用。 当汽车往右拐时，通 过驾驶盘推杆向前。 当汽车左转弯时，通 过驾驶盘拉5杆向后。,第二章 平面连杆机构,平面连杆机构的应用： 鹤式起重机,第二章 平面连杆机构,平面连杆机构的应用：,第二章 平面连杆机构,平面连杆机构的应用：,第二章 平面连杆机构,二、平面连杆机构的优缺点 优点：由于平面连杆机构全部是由低副联接的。因此，它的优点主要就是低副的优点。 面接触,单位压力及磨损都比高副小,容易润滑,寿命较长。 如果是回转副，则是园柱面相接触，如果是移动副，则是平面相接触，而高副则是点或线的接触，接触面积相比之下，低副要大得多。在作用力为常数的情况

4、下，面积增大，单位压力下降， 磨损降低，寿命增长。,第二章 平面连杆机构, 移动平面和回转的园柱面的加工简单,容易达到较高的精度。 因为平面和园柱面都是规范的几何形状，比起齿轮的不规则曲面和齿轮的渐开线曲面要好加工得多。因而，前者可以获得更好的加工精度。 低副的形状锁合，封闭，不需要另加外力来保证运动副的经常闭合。,第二章 平面连杆机构,如回转副，轴销和孔始终是接触的。 又如移动副，也是在不需要外力的情况下自 行接触。 然而，凸轮和从动杆则需要在有外力的作用 下才能保证经常的接触。,第二章 平面连杆机构, 理论上利用连杆机构可以使机构中的某点近似地产生任何给定的运动轨迹，或者说，使从动件和原动

5、件之间产生任何给定的运动（相对运动）。 缺点： 在实现较复杂的运动规律时，结构往往不如高副机构简单，因而设计和制造均复杂些。 由于低副中间有间隙，会引起一定的运动误差，特别是在为了满足复杂的运动而设计成多杆机构时，运动副增加，产生的积累误差可能会使运动规律的偏差增大。同时，机构自锁的可能性也增加。,第二章 平面连杆机构,本身能运动的机构在一定的条件下，由于结构上的原因，不论驱动力有多大，机构也不能运动，这就是自锁的初步概念。 用于高速时，平面连杆机构的惯性力难以平衡，因此一般只用于低速。,第二章 平面连杆机构,学习了平面连杆机构的优缺点后，使我们对它有了一个清醒的认识，今后我们在设计时，就要尽

6、可能地扬长避短。扬长避短是科学中经常采用的一种手法，充分地发挥优点，尽量地抑制缺点，比如，在传递的功率较大的情况下我们用低副机构，而运动很复杂时用高副机构。,第二章 平面连杆机构,最简单的平面连杆机构是由 一个起始构件和机架组成。它的 自由度为1，如图所示。这时起 始构件既是主动件，也是从动件 （电动机、鼓风机、电风扇）。 由三个构件组成的全回转副 连杆机构，其自由度为0，它实 际上是一个刚体，因此这种机构 是不存在的。,第二章 平面连杆机构,四杆机构是应用最广泛的 机构，同时它也是组成复杂的 多杆机构的基础。 主要研究、讨论四杆机构 的基本类型、性质及其常用的 基本设计方法。,第二章 平面连

7、杆机构,第二章 平面连杆机构,2.1 铰链四杆机构 的基本型式和特性,如图所示的四杆机构，它有一 个特点，它所有的运动副全部都是 回转副，这种四杆机构叫铰链四杆 机构。 定义：全部由回转副联接的四 杆机构称之为铰链四杆机构。 机架：在铰链四杆机构中， 假定某根杆件是固定不动的，这根 固定不运动的杆就称为机架。 连杆：与两根连架杆相联的叫连杆。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,连架杆：与机架相联的杆就 是连架杆。铰链四杆机构中有两 根连架杆。 曲柄：能绕固定点旋转360 的连架杆。连架杆上的固定点只 有一个，A和D就是与机架相联 的点。 摇杆：若连架杆只能绕其固定点摆动一个小于 360的角

8、度，就称为摇杆。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,对于任意一个铰链四杆机构而言，连杆和机 架是必然存在的，而连架杆有可能都是曲柄，有 可能都是摇杆，也有可能一个是曲柄，一个是摇 杆。 这样，我们就可以根据曲柄和摇杆存在的情 况，把铰链四杆机构分成三种类型。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,铰链四杆机构可分为： 1，曲柄摇杆机构 ，连架杆一为曲柄，一为摇杆。 2，双曲柄机构 ，连架杆全为曲柄。 3，双摇杆机构，连架杆全为摇杆 。 曲柄摇杆机构是重点，因为其应用极为广泛。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,曲柄摇杆机构,2.1 铰链四杆机构的基

9、本型式和特性,双曲柄机构,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,双摇杆机构,一、曲柄摇杆机构 如图所示的是颚式碎矿机就是曲柄摆杆机构的一个例子。在电动机的带动下，曲柄AB绕A点作圆周运动，通过连杆BC使摇杆CD不断地摇动，挤压矿石而达到矿石破碎的作用。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,书上图2-2是牛头刨床的横向自动进给机构，图2-3是调整雷达天线仰俯角的机构，它们都是以曲柄摇杆机构作为基础的。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,在这几个例子中，有一个共同的特点，曲柄一般都作为主动件（原动件），而摇杆则通常作为从动件。当然，也有相反的情况，图示的缝纫机的脚踏机构就是以摇杆为原动件，而

10、以曲柄为从动件。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,下面，讨论曲柄摇杆机构的运动特性、动力特性 。,A、极限位置、摆角 图示的曲柄摇杆机构， 以AB杆即曲柄作为原动件， 设若它作等角速旋转，CD 杆即摇杆作为从动件，它来 回地变速摆动。不断地旋转曲柄，我们可以发现， 曲柄AB在旋转360的过程中，A点到C点的距离是 不断地改变着的。在此过程中，曲柄AB和连杆BC 有两次共线，处在同一条直线上。而且使AC的距离 分别为最长和最短。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,当AB 在AB1位时，AC 最短，AC1=BCAB 当AB 在AB2位时，AC 最长，AC2=BC+AB 亦即说，摇杆的C点

11、在任何情况下都不能比C1点更靠近定点A；同样在任何情况下都不能比C2点更远离定点A。换句话说，C1和C2两点是动点C的极限位置。因而，摇杆CD分别在C1D和C2D取得极限位置。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,摆角：摇杆在两极限 位置之间的夹角称之为摇 杆的摆角。,B: 急回特性,急回运动 进一步研究、分析曲柄 在匀角速转动的条件下，摇 杆CD摆动速度的变化情况。 先假定曲柄AB的角速度为等于常数，且是 顺时针的。 曲柄 摇杆 AB1AB2 1 t1 C1DC2D C1C2 1 t1 AB2AB1 2 t2 C2DC1D C2C1 2 t2,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,注意：

12、1=180+ 2=180 =常数 t1=1/ t2 =2 / C1C2 = C2C1 1 = 2 如果我们以V表示C点的线速度，那么，C点在C1 和C2范围内的平均线速度就为：,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,结论：在AB旋转360的一个周期中，摇杆CD前进的速度要慢些，而返回的速度要快些。这就是曲柄摇杆机构著名的急回特性，即它具有急回运动的性质。 急回运动在生产实际中往往是很有用的。例如在刨床中，工作行程时，F上升希望V，这样所要求的电动机功率N，成本降低。空行程时，F，希望V，这样使回程的辅助时间t，提高工作效率。 曲柄摇杆机构,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,对于任一个曲柄摇

13、杆机构，又怎样知道它的反回速度比进给速度快多少呢？这就需要有一个评价标准来表示急回特性，一般我们用行程速比系数K来表示。 （2-1） 可见，曲柄摇杆机构有无急回运动，急回运动是否显著，最终只取决于最终只取决于。 是什么呢？是曲柄在摇杆处于两个极限位置时所夹的锐角，我们称之为极位夹角。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,由（2-1）式，我们可得： （2-2） 注意： 增大，K增大，V2 / V1增大。 = 0， K = 1， 无急回运动。 K1 在设计具有急回运动的机械时，一般先给出行程速比系数K，根据K算出进行设计。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,另一个确定极位夹角的例子，图示为一

14、个偏置式的曲柄滑块机构，同样，曲柄AB是原动件，滑块C 是从动件，从动件C 在其两个极限位置C1C2时，曲柄所夹的锐角 就是极位夹角。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,对中曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构,摆动导杆机构的极位夹角,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,C传力性能和死点位置 在一个曲柄摇杆机构中，设若曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件。如果忽略连杆的重力和惯性力，以及运动副的摩擦力。那么，连杆所传递的驱动力P 必然通过连杆BC，作用到CD摇杆的C点上。我们可以把P 分解成沿C点绝对速度方向的Pt 和沿摇杆CD 方向的分力P n。,2.1

15、铰链四杆机构的基本型式和特性,两个力的作用： Pn /CD，只能对铰链C、D产生径向压力，不能做功。 Pt /V c ，它能推动摇杆运动，是能做功的有效分力。也就是说，在P t 和P n中，P t 是有用的需要的力。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,如果设P与P n之 间的夹角为，那么： Pt = P sin 增加，Pt 增大， 在P 相同的条件下， Pt 增大，P n减小，这就对机构的传动有利。 = 90时，Pt最大。反之亦然。下降，Pt下降，P n减小，对机构传动就不利，甚至产生自锁。 = 0时，不论P力有多大，Pt = 0，机构不能运动。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,通常

16、，我们把 称为传动角，而的余角 则称之为压力角。显然，所谓压力角就是通过C点的P力和C点的绝对速度之间的夹角。 + = 90,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,由此可见， 减小，传动性能越好， 增大，传动性能越差。,因此，我们还可以用来表示曲柄摇杆机构的传力性能。但事实上，由于在机构中观察 比观察方便，连杆和摇杆之间的夹锐角正好就是 。所以，在实际应用中，为度量和观察方便，一般都以 来判断连杆机构的传动性能。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,由上面的分析可知，增大，减小，机构的传动性能就越不好，甚至要产生自锁。因此，传动角 不能太小。但是在机构运转过程中，传动角是变化的，为了保证机构

17、的正常工作，一般为 min 40,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,当传递功率N 较大时，传动角min应取得更大。 N大，如果 减小，则Pt 减小，P n增大，损耗就大。 因此，N 较大时，min=50。 N 较小时，如仪表机构，min=40。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,下面讨论曲柄摇杆机构的传动角是怎样变化的，进而确定最小传动角处在什么位置。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,假设： 曲柄和机架即水平线的夹角为， AB = l1, BC = l2, CD = l3, AD = l4 过B、D两点作辅助线，然后我们得到两个三角形ABD和BCD。根据余弦定理我们可以求出传动角

18、的变化规律。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,(2-3) 显然，当四根杆件的长度确定之后， 仅与角度有关，而在（0360）变化， = 0，cos = 1, cosBCD最大，BCD最小； = 180，cos = 1, cosBCD最小，BCD最大。 注意： 是用锐角表示的。 当BCD90， =BCD； 当BCD90， =180BCD。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,在学习曲柄摇杆 机构的传动角和压力 角的基础上，我们来 进一步分析此机构的另 外一种特性。 在前面我们讨论问题时，我们都是假设曲柄为 原动件，摇杆为从动件。现在反过来，假设摇杆为

19、原动件，曲柄为从动件，看看会出现一个什么样的 问题。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,摇杆CD来回摆动，当它处在极限位置C1或C2时，连杆和曲柄共线，即连杆和曲柄的夹角为零，这时传动角 = 0，因为当摇杆为原动件时，传动角就是连杆和从动件曲柄之间的夹角了。 = 0， Pt = 0， 有用的力等于0。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,或者说，P与运动方向，因而不能做功。从图上也可以清楚地看出，P力通过铰链中心A，对A点不能产生力矩，因而不能使曲柄AB转动。当然前提条件是忽视各杆件的重力、惯性力和运动副的摩擦力。 设想机构在这个位置启动，那么，不论驱动P有多大，也不能使曲柄转动。这个位置就称这为机构的死点位置。 此外，当运动构件通过死点位置时，如果受到某些突然外力的影响，从动曲柄就会产生不确定的运动，可能顺时针回转，也可能逆时针回转。,2.1 铰链四杆机构的基本型式和特性,死点位置的存在对很多机构都是有害的，比如缝纫机，初学缝衣服的人，不熟悉缝纫机，不是踏不动了，就是踏倒针了，这就是死点带来的害处。 为了克服死