曲柄連桿機構(gòu)的應(yīng)用【平面四桿機構(gòu)】

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I 曲柄連桿機構(gòu)的應(yīng)用 Linkage of the crank II 摘 要 按連桿機構(gòu)中的各構(gòu)件的相對運動是平面運動還是空間運動，可 將連桿機構(gòu)分成平面連桿機構(gòu)及空間連桿機構(gòu)兩大類。而在平面連桿 機構(gòu)中又以四連桿機構(gòu)組成的平面四桿機構(gòu)應(yīng)用最廣。本文主要介紹 平面四桿機構(gòu)的類型、應(yīng)用、以及有關(guān)平面四桿機構(gòu)的一些基本知識； 并闡述了平面四桿機構(gòu)的一些常用的設(shè)計方法。著重介紹了鉸鏈四桿 機構(gòu)的類型及應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：鉸鏈四桿機構(gòu)、曲柄、四連桿 III Abstract The linkage of the various components of the relative movement is still room for movement plane motion can be divided into plane linkage and linkage space linkage two categories. The plane linkage again in the four- bar linkage of the plane four agencies most widely. This paper describes the four plane types, applications, and the plane four bodies of some basic knowledge on the plane and four bodies of some commonly used methods of design. Focus on the hinge of the four types of agencies and applications. Key words: hinge four bodies, crank, four-link. IV 目 錄 第一章 論述.............................................. .1 第二章 平面連桿機構(gòu)....................................... 2 2.1 鉸鏈四桿機構(gòu) .....................................2 2.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的其它形式............................7 2.3 平面四桿機構(gòu)的工作特性........................... 9 2.4 平面四桿機構(gòu)運動設(shè)計簡介........................ 14 第三章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計............................... 17 3．1 平面連桿機構(gòu)的特點及其設(shè)計的基本問題 ............17 3.1.1 平面連桿機構(gòu).................................. 17 3.1.2 平面連桿機構(gòu)的特點............................ 17 3.1.3 平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題 ....................18 3.1.4 設(shè)計方法 ......................................18 3．2 平面四桿機構(gòu)的基本型式及其演化.................. 18 3.2.1 鉸鏈四桿機構(gòu)：所有運動副均為 ..................18 3.2.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化. ............................19 3．3 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件和幾個基本概念.......... 20 3.3.1 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件（也可作曲柄和連桿線圖. 20 3.3.2 行程速度變化系數(shù).............................. 21 3.3.3 壓力角和傳動角................................ 22 3．4 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計.............................. 23 3.4.1 平面四桿機構(gòu)的圖解法設(shè)計 ......................23 第四章 技術(shù)參數(shù)及維修 ....................................25 V 4.1 結(jié)構(gòu)............................................. 25 4.2 維護保養(yǎng)......................................... 25 4.3 注意事項 .........................................26 第五章 結(jié)論 ..............................................27 參考文獻 ..................................................28 致 謝.................................................... 29 1 第一章 論述 連桿機構(gòu)是一種常用的傳動機構(gòu)，廣泛地用于各種機器、儀表及操 縱裝置中。 連桿機構(gòu)中的各構(gòu)件間的相對運動是平面運動還是空間運動，可將 連桿機構(gòu)分成平面連桿機構(gòu)及空間連桿機構(gòu)兩大類。一般機械中多采 用平面連桿機構(gòu)。而在平面連桿機構(gòu)中又以由四個構(gòu)件組成的平面四 桿機構(gòu)應(yīng)用最廣。而且平面四桿機構(gòu)又往往是組成多桿機構(gòu)的基礎(chǔ)。 在連桿機構(gòu)中的運動副都是低副。由于低副兩元素為面接觸，所以 在同樣的載荷條件下，其兩元素間的壓強比高副接觸的壓強為低，故 連桿機構(gòu)可以傳遞教大的動力。而且低副元素的幾何形狀比較簡單 （常為圓柱或平面等） ，故也便于加工。另外，在其原動件運動規(guī)律不 變的條件下，只要改變各構(gòu)件間的相對長度，就可以使其從動件實現(xiàn) 不同的運動規(guī)律要求。又由于連桿不與機架相連，故其上各點的軌跡 是形狀各異的曲線（我門稱這些曲線為連桿曲線） ，人們可利用這些曲 線來近似滿足不同軌跡的需要。連桿機構(gòu)的缺點是其必須經(jīng)過中間構(gòu) 件作運動傳遞，而由于不可避免的制造誤差和運動副中的間隙，致使 運動傳遞中的誤差環(huán)節(jié)教多；另外，由于連桿是平面運動構(gòu)件，其所 產(chǎn)生的慣性力難以平衡，故連桿機構(gòu)一般不宜用于精密及高速運動。 2 第二章 平面連桿機構(gòu) 2.1 鉸鏈四桿機構(gòu) 一、鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式 1.鉸鏈四桿機構(gòu)的組成 如圖 1-14 所示，鉸鏈四桿機構(gòu)是由轉(zhuǎn)動副將各構(gòu)件的頭尾聯(lián)接起 的封閉四桿系統(tǒng)，并使其中一個構(gòu)件固定而組成。被固定件 4 稱為機 架，與機架直接鉸接的兩個構(gòu)件 1 和 3 稱為連架桿，不直接與機架鉸 接的構(gòu)件 2 稱為連桿。連架桿如果能作整圈運動就稱為曲柄，否則就 稱為搖桿。 2.鉸鏈四桿機構(gòu)的類型 鉸鏈四桿機構(gòu)根據(jù)其兩個連架桿的運動形式的不同，可以分為曲 柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種基本形式。 (1)曲柄搖桿機構(gòu)。在鉸鏈四桿機構(gòu)中， 如果有一個連架桿做循環(huán)的整周運動而另一連架桿作搖動，則該機構(gòu) 稱為曲柄搖桿機構(gòu)。如圖 2-1 所示曲柄搖桿機構(gòu)，是雷達(dá)天線調(diào)整機 構(gòu)的原理圖，機構(gòu)由構(gòu)件 AB、BC、固連有天線的 CD 及機架 DA 組 成，構(gòu)件 AB 可作整圈的轉(zhuǎn)動，成曲柄；天線 3 作為機構(gòu)的另一連架 桿可作一定范圍的擺動，成搖桿；隨著曲柄的緩緩轉(zhuǎn)動，天線仰角得 到改變。如圖 2-2 所示汽車刮雨器，隨著電動機帶著曲柄 AB 轉(zhuǎn)動， 刮雨膠與搖桿 CD 一起擺動，完成刮雨功能。如圖 2-3 所示攪拌器， 圖 2-1 雷達(dá)天線調(diào)整機構(gòu) 圖 2-2 汽車雨刮器 圖 2-3 攪拌機 3 隨電動機帶曲柄 AB 轉(zhuǎn)動，攪拌爪與連桿一起作往復(fù)的擺動，爪端點 E 作軌跡為橢圓的運動，實現(xiàn)攪拌功能。 (2)雙曲柄機構(gòu)。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，兩個連架桿均能做整周的運 動，則該機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。如圖 2-4 所示慣性篩的工作機構(gòu)原理， 是雙曲柄機構(gòu)的應(yīng)用實例。由于從動曲柄 3 與主動曲柄 1 的長度不同， 故當(dāng)主動曲柄 1 勻速回轉(zhuǎn)一周時，從動曲柄 3 作變速回轉(zhuǎn)一周，機構(gòu) 利用這一特點使篩子 6 作加速往復(fù)運動，提高了工作性能。當(dāng)兩曲柄 的長度相等且平行布置時，成了平行雙曲柄機構(gòu)，如圖 2-5a）所示為 正平行雙曲柄機構(gòu)，其特點是兩曲柄轉(zhuǎn)向相同和轉(zhuǎn)速相等及連桿作平 動，因而應(yīng)用廣泛?；疖囼?qū)動輪聯(lián)動機構(gòu)利用了同向等速的特點；路 燈檢修車的載人升斗利用了平動的特點， 如圖 2-6a、b)所示。如圖 2-5b)為逆平行 雙曲柄機構(gòu)，具有兩曲柄反向不等速的特 點，車門的啟閉機構(gòu)利用了兩曲柄反向轉(zhuǎn) 動的特點，如圖 2-6c)所示。 (3)雙搖桿機構(gòu)。兩根連架桿均只能在 不足一周的范圍內(nèi)運動的鉸鏈四桿機構(gòu)稱 為雙搖桿機構(gòu)。如圖 2-7 所示為港口用起 重機吊臂結(jié)構(gòu)原理。其中，ABCD 構(gòu)成 圖 2-7 起重機吊臂結(jié)構(gòu)原理 圖 2-5 平面雙曲柄機構(gòu) 圖 2-6 平面雙曲柄機構(gòu)的應(yīng)用 4 雙搖桿機構(gòu)，AD 為機架，在主動搖桿 AB 的驅(qū)動下，隨著機構(gòu)的運動 連桿 BC 的外伸端點 M 獲得近似直線的水平運動，使吊重 Q 能作水平 移動而大大節(jié)省了移動吊重所需要的功率。圖 2-8 所示為電風(fēng)扇搖頭 機構(gòu)原理，電動機外殼作為其中的一根搖桿 AB，蝸輪作為連桿 BC， 構(gòu)成雙搖桿機構(gòu) ABCD。蝸桿隨扇葉同軸轉(zhuǎn)動，帶動 BC 作為主動件 繞 C 點擺動，使搖桿 AB 帶電動機及扇葉一起擺動，實現(xiàn)一臺電動機 同時驅(qū)動扇葉和搖頭機構(gòu)。圖 2-9 所示的汽車偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用 了等腰梯形雙搖桿機構(gòu)。該機構(gòu)的兩根搖桿 AB、 CD 是等長的，適當(dāng) 選擇兩搖桿的長度，可以使汽車在轉(zhuǎn)彎時兩轉(zhuǎn)向輪軸線近似相交于其 它兩輪軸線延長線某點 P，汽車整車?yán)@瞬時中心 P 點轉(zhuǎn)動，獲得各輪 子相對于地面作近似的純滾動，以減少轉(zhuǎn)彎時輪胎的磨損。 二、鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件 1.鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件 鉸鏈四桿機構(gòu)的三種基本類型的區(qū)別在于機構(gòu)中是否存在曲柄， 存在幾個曲柄。機構(gòu)中是否存在曲柄與各構(gòu)件相對尺寸的大小以及哪 個構(gòu)件作機架有關(guān)?？梢宰C明，鉸鏈四桿機構(gòu)中存在曲柄的條件為： 條件一：最短桿與最長桿長度之和不大于其余兩桿長度之和。 條件二：連架桿或機架中最少有一根是最短桿。 2.鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的判別準(zhǔn)則 (1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機構(gòu)； (2)滿足條件一而且以最短桿作機架的是雙曲柄機構(gòu)； (3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機構(gòu); (4)不滿足條件一是雙搖桿機構(gòu)。 例 2-1 鉸鏈四桿機構(gòu) ABCD 的各桿長度如 圖 2-9 汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)圖 2-8 電風(fēng)扇搖頭機構(gòu) 圖 2-10 5 圖 2-10 所示。請根據(jù)基本類型判別準(zhǔn)則，說明機構(gòu)分別以 AB、BC、CD、AD 各桿為機架時屬于何種機構(gòu)。 解：分析題目給出鉸鏈四桿機構(gòu)知，最短桿為 AD = 20，最長桿為 CD = 55，其余兩桿 AB = 30、BC = 50。 因為 AD＋CD = 20＋55 = 75 AB＋BC = 30＋50 = 80 ＞ Lmin＋L max 故滿足曲柄存在的第一個條件。 1)以 AB 或 CD 為機架時，即最短桿 AD 成連架桿，故為曲柄搖桿 機構(gòu)； 2)以 BC 為機架時，即最短桿成連桿，故機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)； 3)以 AD 為機架時，即以最短桿為機架，機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)。 圖 2-11 曲柄滑塊機構(gòu) 6 2.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的其它形式 一、曲柄滑塊機構(gòu) 在圖 2-11a）所示的鉸鏈四桿機構(gòu) ABCD 中，如果要求 C 點運動 軌跡的曲率半徑較大甚至是 C 點作直線運動，則搖桿 CD 的長度就特 別長，甚至是無窮大，這顯然給布置和制造帶來困難或不可能。為此， 在實際應(yīng)用中只是根據(jù)需要制作一個導(dǎo)路，C 點做成一個與連桿鉸接 的滑塊并使之沿導(dǎo)路運動即可，不再專門做出 CD 桿。這種含有移動 副的四桿機構(gòu)稱為滑塊四桿機構(gòu)，當(dāng)滑塊運動的軌跡為曲線時稱為曲 線滑塊機構(gòu)，當(dāng)滑塊運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機構(gòu)。直線滑 塊機構(gòu)可分為兩種情況：如圖 2-11b）所示為偏置曲柄滑塊機構(gòu)，導(dǎo)路 與曲柄轉(zhuǎn)動中心有一個偏距 e；當(dāng) e = 0 即導(dǎo)路通過曲柄轉(zhuǎn)動中心時， 稱為對心曲柄滑塊機構(gòu)，如圖 2-11c）所示。由于對心曲柄滑塊機構(gòu)結(jié) 構(gòu)簡單，受力情況好，故在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。因此，今后如 果沒有特別說明，所提的曲柄滑塊機構(gòu)即意指對心曲柄滑塊機構(gòu)。 應(yīng)該指出，滑塊的運動軌跡不僅局限于圓弧和直線，還可以是任 意曲線，甚至可以是多種曲線的組合，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鉸鏈四桿機構(gòu) 簡單演化的范疇，也使曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用更加靈活、廣泛。 圖 2-12 所示為曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用。圖 2-12a）所示為應(yīng)用于內(nèi)燃 機、空壓機、蒸汽機的活塞－連桿－曲柄機構(gòu)，其中活塞相當(dāng)于滑塊。 圖 2-12b）所示為用于自動送料裝置的曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄每轉(zhuǎn)一圈活 塞送出一個工件。當(dāng)需要將曲柄做得較短時結(jié)構(gòu)上就難以實現(xiàn)，通常 采用圖 2-12c)所示的偏心輪機構(gòu)，其偏心圓盤的偏心距 e 就是曲柄的 長度。這種結(jié)構(gòu)減少了曲柄 的驅(qū)動力，增大了轉(zhuǎn)動副的尺寸，提高了曲柄的強度和剛度，廣泛應(yīng) 用于沖壓機床、破碎機等承受較大沖擊載荷的機械中。 二、導(dǎo)桿機構(gòu) 在對心曲柄滑塊機構(gòu)中，導(dǎo)路是固定不動的，如果將導(dǎo)路做成導(dǎo) 桿 4 鉸接于 A 點，使之能夠繞 A 點轉(zhuǎn)動，并使 AB 桿固定，就變成了 圖 2-13 導(dǎo)桿機構(gòu) 圖 2-14 導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用 7 導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖 2-13 所示。當(dāng) AB＜BC 時，導(dǎo)桿能夠作整周的回轉(zhuǎn)， 稱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖 2-13a＝所示。當(dāng) AB＞BC 時導(dǎo)桿 4 只能作不 足一周的回轉(zhuǎn)，稱擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，如圖 2-13b)所示。 導(dǎo)桿機構(gòu)具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場 合得到應(yīng)用。如圖 2-14a)所示為插床的工作機構(gòu)，如圖 2-14b)所示為 牛頭刨床的工作機構(gòu)。 三、搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu) 在對心曲柄滑塊機構(gòu)中，將與滑塊鉸接的構(gòu)件固定成機架，使滑塊只能搖擺 不能移動，就成為搖塊機構(gòu)，如圖 2-15a)所示。搖塊機構(gòu)在液壓與氣壓傳動系統(tǒng) 中得到廣泛應(yīng)用，如圖 2-15b)所示為搖塊機構(gòu)在自卸貨車上的應(yīng)用，以車架為機 架 AC，液壓缸筒 3 與車架鉸接于 C 點成搖塊，主動件活塞及活塞桿 2 可沿缸筒 中心線往復(fù)移動成導(dǎo)路，帶動車箱 1 繞 A 點擺動實現(xiàn)卸料或復(fù)位。將對心曲柄 滑塊機構(gòu)中的滑塊固定為機架，就成了定塊機構(gòu)，如圖 2-16a)所示。圖 2-16b)為 定塊機構(gòu)在手動唧筒上的應(yīng)用，用手上下扳動主動件 1，使作為導(dǎo)路的活塞及活 塞桿 4 沿唧筒中心線往復(fù)移動，實現(xiàn)唧水或唧油。表 2-1 給出了鉸鏈四桿機構(gòu)及 其演化的主要型式對比。 2.3 平面四桿機構(gòu)的工作特性 一、運動特性 在圖 2-17 所示的曲柄搖桿機構(gòu) 中，設(shè)曲柄 AB 為主動件。曲柄在 圖 2-15 搖塊機構(gòu)及其應(yīng)用 圖 2-12 曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用 圖 2-16 定塊機構(gòu)及其應(yīng)用 圖 2-17 曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性 8 旋轉(zhuǎn)過程中每周有兩次與連桿重疊，如圖 2-17 中的 B1AC1 和 AB2C2 兩 位置。這時的搖桿位置 C1D 和 C2D 稱為極限位置，簡稱極位。C 1D 與 C2D 的夾角 稱為最大擺角。曲柄處于兩極位 AB1 和 AB2 的夾角銳角? θ 稱為極位夾角。設(shè)曲柄以等角速度 ω 1 順時針轉(zhuǎn)動，從 AB1 轉(zhuǎn)到 AB2 和從 AB2 到 AB1 所經(jīng)過的角度為（ π＋θ）和（π－θ） ，所需的 時間為 t1 和 t2 ，相應(yīng)的搖桿上 C 點經(jīng)過的路線為 C1C2 弧和 C2C1 弧， C 點的線速度為 v1 和 v2 ，顯然有 t1＞t 2 ，v 1＜v 2 。這種返回速度大于 推進速度的現(xiàn)象稱為急回特性，通常用 v1 與 v2 的比值 K 來描述急回 特性，K 稱為行程速比系數(shù)，即 K= (2-1)?????0211218/tCv 或有 (2-2)80??? 可見， θ 越大 K 值就越大，急回特性就越明顯。在機械設(shè)計時可 根據(jù)需要先設(shè)定 K 值，然后算出 θ 值，再由此計算得各構(gòu)件的長度 尺寸。 急回特性在實際應(yīng)用中廣泛用于單向工作的場合，使空回程所花 的非生產(chǎn)時間縮短以提高生產(chǎn)率。例如牛頭刨床滑枕的運動。 二、傳力特性 1.壓力角和傳動角 在工程應(yīng)用中連桿機構(gòu)除了要滿 足運動要求外，還應(yīng)具有良好的傳力 性能，以減小結(jié)構(gòu)尺寸和提高機械效 率。下面在不計重力、慣性力和摩擦 作用的前提下，分析曲柄搖桿機構(gòu)的 傳力特性。如圖 2-18 所示，主動曲柄 的動力通過連桿作用于搖桿上的 C 點， 驅(qū)動力 F 必然沿 BC 方向，將 F 分解 為切線方向和徑向方向兩個分力 Ft 和 Fr ，切向分力 Ft 與 C 點的運動 方向 vc 同向。由圖知 Ft = F 或 Ft = F?cos?sin Fr = F 或 Fr = F?inco α 角是 Ft 與 F 的夾角，稱為機構(gòu)的壓力角，即驅(qū)動力 F 與 C 點的 運動方向的夾角。α 隨機構(gòu)的不同位置有不同的值。它表明了在驅(qū)動 圖 2-18 曲柄搖桿機構(gòu)的壓力角和傳動角 9 力 F 不變時，推動搖桿擺動的有效分力 Ft 的變化規(guī)律， α 越小 Ft 就越 大。 壓力角 α 的余角 γ 是連桿與搖桿所夾銳角，稱為傳動角。由于 γ 更 便于觀察，所以通常用來檢驗機構(gòu)的傳力性能。傳動角 γ 隨機構(gòu)的不 斷運動而相應(yīng)變化，為保證機構(gòu)有較 好的傳力性能，應(yīng)控制機構(gòu)的最小傳 動角 γmin。一般可取 γmin≥40°，重 載高速場合取 γmin≥50°。曲柄搖桿 機構(gòu)的最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架 共線的兩個位置之一，如圖 2-18 所 示的 B1 點或 B2 點位置。 偏置曲柄滑塊機構(gòu)，以曲柄為主 動件，滑塊為工作件，傳動角 γ 為連桿與導(dǎo)路垂線所夾銳角，如圖 2- 19 所示。最小傳動角 γmin 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位于 與偏距方向相反一側(cè)。對于對心曲柄滑塊機構(gòu)，即偏距 e = 0 的情況， 顯然其最小傳動角 γmin 出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。 對以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，因為滑塊對導(dǎo)桿的作用力始 終垂直于導(dǎo)桿，其傳動角 γ 恒為 90°，即 γ = γmin = γmax =90°,表明導(dǎo) 桿機構(gòu)具有最好的傳力性能。 2.止點 從 Ft = F cosα 知，當(dāng)壓力角 α = 90°時，對從動件的作用力或力矩 為零，此時連桿不能驅(qū)動從動件工作。機構(gòu)處在這種位置稱為止點， 又稱死點。如圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機構(gòu)，當(dāng)從動曲柄 AB 與連桿 BC 共線時，出現(xiàn)壓力角 α = 90°，傳動角 γ = 0。如圖 2-20b)所示的曲 柄滑塊機構(gòu)，如果以滑塊作主動，則當(dāng)從動曲柄 AB 與連桿 BC 共線 圖 2-19 曲柄滑塊機構(gòu)的傳角 圖 2-20 平面四桿機構(gòu)的止點位置 10 時，外力 F 無法推動從動曲柄轉(zhuǎn)動。機構(gòu)處于止點位置，一方面驅(qū)動 力作用降為零，從動件要依靠慣性越過止點；另一方面是方向不定， 可能因偶然外力的影響造成反轉(zhuǎn)。 四桿機構(gòu)是否存在止點，取決于從動件是否與連桿共線。例如上 述圖 2-20a)所示的曲柄搖桿機構(gòu)，如果改搖桿主動為曲柄主動，則搖 桿為從動件，因連桿 BC 與搖桿 CD 不存在共線的位置，故不存在止 點。又例如前述圖 2-20b)所示的曲柄滑塊機構(gòu)，如果改曲柄為主動， 就不存在止點。 止點的存在對機構(gòu)運動是不利的，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止點。當(dāng)無法 避免出現(xiàn)止點時，一般可以采用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助 通過止點。例如內(nèi)燃機曲軸上的飛輪。也可以采用機構(gòu)錯位排列的方 法，靠兩組機構(gòu)止點位置差的作用通過各自的止點。 在實際工程應(yīng)用中，有許多場合是利用止點位置來實現(xiàn)一定工作 要求的。如圖 2-21a）所示為一種快速夾具，要求夾緊工件后夾緊反力 不能自動松開夾具，所以將夾頭構(gòu)件 1 看成主動件，當(dāng)連桿 2 和從動 件 3 共線時，機構(gòu)處于止點，夾緊反力 N 對搖桿 3 的作用力矩為零。 這樣，無論 N 有多大，也無法推動搖桿 3 而松開夾具。當(dāng)我們用手搬 動連桿 2 的延長部分時，因主動件的轉(zhuǎn)換破壞了止點位置而輕易地松 開工件。如圖 2-21b)所示為飛機起落架處于放下機輪的位置，地面反 力作用于機輪上使 AB 件為主動件，從動件 CD 與連桿 BC 成一直線， 機構(gòu)處于止點，只要用很小的鎖緊力作用于 CD 桿即可有效地保持著 支撐狀態(tài)。當(dāng)飛機升空離地要收起機輪時，只要用較小力量推動 CD， 因主動件改為 CD 破壞了止點位置而輕易地收起機輪。此外，還有汽 車發(fā)動機蓋、折疊椅等。 圖 2-21 機構(gòu)止點位置的應(yīng)用 11 2.4 平面四桿機構(gòu)運動設(shè)計簡介 四桿機構(gòu)的設(shè)計方法有圖解法、試驗法、解析法三種。本節(jié)僅介 紹前兩種方法。 一、用圖解法設(shè)計四桿機構(gòu) 1.按連桿的預(yù)定位置設(shè)計四桿機 構(gòu) 例 2-1 已知連桿 BC 的長度和 依次占據(jù)的三個位置 B1C1、B 2C2、B 3C3 ，如圖 2-22 所示。 求確定滿足上述條件的鉸鏈四桿機構(gòu) 的其它各桿件的長度和位置。 解：顯然 B 點的運動軌跡是由 B1、B 2、B 3 三點所確定的圓弧，C 點的運動軌跡是由 C1、C 2、C 3 三點 所確定的圓弧，分別找出這兩段圓弧的圓心 A 和 D，也就完成了本四 桿機構(gòu)的設(shè)計。因為此時機架 AD 已定，連架桿 CD 和 AB 也已定。 具體作法如下： (1)確定比例尺，畫出給定連桿的三個位置。實際機構(gòu)往往要通過 縮小或放大比例后才便于作圖設(shè)計，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)谋壤?尺 ，見式（ 1-1） 。l? (2)連結(jié) B1B2、B 2B3 ，分別作直線段 B1B2 和 B2B3 的垂直平分線 b12 和 b23（圖中細(xì)實線） ，此兩垂直平分線的交點 A 即為所求 B1、B 2、B 3 三點所確定圓弧的圓心。 (3)連結(jié) C1C2、C 2C3，分別作直線段 C1C2 和 C2C3 的垂直平分線 c12、c 23（圖中細(xì)實線）交于點 D，即為所求 C1、 C2、C 3 三點所確定圓 弧的圓心。 (4)以 A 點和 D 點作為連架鉸鏈中心，分別連結(jié) AB3、 B3C3、C 3D（圖中粗實線）即得所求四桿機構(gòu)。從圖中量得各桿 的長度再乘以比例尺，就得到實際結(jié)構(gòu)長度尺寸。 在實際工程中，有時只對連桿的兩個極限位置提出要求。這樣一 圖 2-2 12 來，要設(shè)計滿足條件的四桿機構(gòu)就會有很多種結(jié)果，這時應(yīng)該根據(jù)實 際情況提出附加條件。 例 2-2 如圖 2-23 所示的加熱爐門啟閉機構(gòu)，圖中Ⅰ為爐門關(guān)閉位 置，使用要求在完全開啟后門背朝上水平放 置并略低于爐口下沿，見圖中Ⅱ位置。 解：把爐門當(dāng)作連桿 BC，已知的兩個位 置 B1C1 和 B2C2 ，B 和 C 已成為兩個鉸點， 分別作直線段 B1B2、C 1C2 的平分線得 b12 和 c12 ，另外兩鉸點 A 和 D 就在這兩根平分線 上。為確定 A、D 的位置，根據(jù)實際安裝需 要，希望 A、D 兩鉸鏈均安裝在爐的正壁面 上即圖中 yy 位置，yy 直線分別與 b12、c 12 相 交點 A 和 D 即為所求。 二、按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機 構(gòu) 設(shè)計具有急回特性的四桿機構(gòu)，一般是 根據(jù)運動要求選定行程速比系數(shù)，然后根據(jù) 機構(gòu)極位的幾何特點，結(jié)合其他輔助條件進 行設(shè)計。 例 2-3 已知行程速比系數(shù) K，搖桿長度 lCD， 最大擺角 ，請用圖解法設(shè)計此曲柄搖桿機構(gòu)。? 解：設(shè)計過程如圖 2-24 所示，具體步驟： (1)由速比系數(shù) K 計算極位角 θ。由式（2-2）知 180????? (2)選擇合適的比例尺，作圖求搖桿的極限位置。取搖桿長度 CD 乘以比例尺 得圖中搖桿長 CD，以 CD 為半徑、任定點 D 為圓心、l? 任定點 C1 為起點做弧 C，使弧 C 所對應(yīng)的圓心角等于或大于最大擺角 ，連接 D 點和 C1 點的線段 C1D 為搖桿的一個極限位置，過 D 點作? 與 C1D 夾角等于最大擺角 的射線交圓弧于 C2 點得搖桿的另一個極限? 位置 C2D。 (3)求曲柄鉸鏈中心。過 C1 點在 D 點同 側(cè)作 C1C2 的垂線 H，過 C2 點作與 D 點同 側(cè)與直線段 C1C2 夾角為（ 900－θ）的直 線 J 交直線 H 于點 P，連接 C2P，在直線段 C2P 上截取 C2P/2 得點 O，以 O 點為圓點、 圖 2-24 按行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu) 圖 2-23 13 OP 為半徑，畫圓 K ，在 C1C2 弧段以外在 K 上任取一點 A 為鉸鏈中 心。 (4)求曲柄和連桿的鉸鏈中心。連接 A、C 2 點得直線段 AC2 為曲柄 與連桿長度之和，以 A 點為圓心、AC 1 為半徑作弧交 AC2 于點 E，可 以證明曲柄長度 AB = C2E/2，于是以 A 點為圓心、 C2E/2 為半徑畫弧 交 AC2 于點 B2 為曲柄與連桿的鉸接中心。 (5)計算各桿的實際長度。分別量取圖中 AB2、AD 、B 2C2 的長度， 計算得： 曲柄長 lAB = AB2，連桿長 lBC = B2C2 ，機架長 lAD = AD。l?l?l? 16 14 第三章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計 （一）要求 1、了解四桿機構(gòu)的演化，掌握如何判斷機構(gòu)的類型 2、掌握四桿機構(gòu)的設(shè)計：①按機構(gòu)位置要求；②按行程速比系數(shù)K 值 （二）重點與難點 1、四桿機構(gòu)的演化，整轉(zhuǎn)副的條件 2、靈活應(yīng)用機構(gòu)的相對運動原理設(shè)計機構(gòu) （三）內(nèi)容 具體內(nèi)容參照以下章節(jié)說明。 3．1 平面連桿機構(gòu)的特點及其設(shè)計的基本問題 3.1.1 平面連桿機構(gòu) 用低副連接而成的平面機構(gòu)。 3.1.2 平面連桿機構(gòu)的特點 1、能實現(xiàn)多種運動形式。如：轉(zhuǎn)動，擺動，移動，平面運動 2、運動副為低副： 面接觸：①承載能力大；②便于潤滑。壽命長 幾何形狀簡單——便于加工，成本低。 1，2 為優(yōu)點 3、缺點： ①只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律；②設(shè)計復(fù)雜；③只用于速度較低的 場合。 3.1.3 平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題 選型：確定連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成：構(gòu)件數(shù)目，運動副類型、數(shù)目。 運動尺寸設(shè)計：確定機構(gòu)運動簡圖的參數(shù)：①轉(zhuǎn)動副中心之間的距離； ②移動副位置 尺寸 1、實現(xiàn)構(gòu)件給定位置 15 2、實現(xiàn)已知運動規(guī)律 3、實現(xiàn)已知運動軌跡 3.1.4 設(shè)計方法 1、圖解法，2、解析法，3、圖譜法，4 實驗法 3．2 平面四桿機構(gòu)的基本型式及其演化 平面連桿機構(gòu)：機構(gòu)中所有構(gòu)件均由低副連接而成 3.2.1 鉸鏈四桿機構(gòu)：所有運動副均為 轉(zhuǎn)動副的平面四桿機構(gòu) 1、4—機架 1，3—連架桿→定軸轉(zhuǎn)動 2—連桿→平面運動 整轉(zhuǎn)副：二構(gòu)件相對運動為整周轉(zhuǎn)動。擺動副：二構(gòu)件相對運動不整 周轉(zhuǎn)動。 （模型：鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)， 偏心輪機構(gòu)） 2、鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式 曲柄；作整周轉(zhuǎn)動的連架桿 搖桿：非整周轉(zhuǎn)動的連架桿 1）曲柄搖桿機構(gòu) 2）雙曲柄機構(gòu) 3）雙搖桿機構(gòu) 3.2.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化 1、擴大轉(zhuǎn)動副 偏心輪，偏心距，偏心輪機構(gòu) 2、轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副： 曲柄滑塊機械偏距e e≠0，偏置 16 e=0，對心 A，B 整轉(zhuǎn)副。 曲柄移動導(dǎo)桿機構(gòu)，正弦機構(gòu)， sinθ AB S = l 3、變換機架 鉸鏈四桿機構(gòu)： 構(gòu)件4 為機架，——曲柄搖桿 構(gòu)件1 為機架，——雙曲柄 構(gòu)件2 為機架，——曲柄搖桿 構(gòu)件3 為機架，——雙搖桿 曲柄滑塊機構(gòu)： 構(gòu)件4 為機架——曲柄滑塊 構(gòu)件1 為機架——轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿 構(gòu)件2 為機架——曲柄搖塊 構(gòu)件3 為機架——移動導(dǎo)桿 17 3．3 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件和幾個基本概念 3.3.1 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件（也可作曲柄和連桿線圖） （若1 和4 能繞A 整周相對轉(zhuǎn)動，則存在兩個特殊位置） a+b≤b+c (1) ba+e? 有曲柄的條件 18 △ AGE ：a+b>e e=0, b>a 3.3.2 行程速度變化系數(shù) 1、機構(gòu)的急回運動特性： 原動件作勻速轉(zhuǎn)動，從動件作往復(fù)運動的機構(gòu)，從動件正行程和反行 程的平均速度不 相等。 2、行程速度變化系數(shù) K= (≥ 1) 從動件慢行程平均速度 從動件快行程平均速度 180 2180 1 221 ? ?θ? θ? θ ?? =? ? ?= ?= +??1 1 2 2 ? → t ,? → t （從動件慢行程）（快行程） θθ?????+= = = = ??180180212112tttK t或1180 1+?=Kθ ? K 極位夾角（

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