机械设计教程-平面四杆机构
作者:机械圈日期:2022-06-21 08:26:01浏览:4547分类:机械设计
概述
平面连杆机构定义:由若干构件通过低副(铰链或滑道)连接而成的机构。因构件形状多呈杆状,所以称连杆机构。
平面连杆机构的特点:(1)能够进行多种运动形式的转换;(2)构件之间连接处是面接触,单位面积上的压力较小,磨损较慢,可以承受较大载荷;(3)两构件接触表面是圆柱面或平面,制造容易;(4)连接处的间隙造成的积累误差较大;(5)连杆机构运动时产生惯性力,不适用于高速场合。
平面连杆机构的应用:各种机器和仪器中,例如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。
四杆机构的基本型式及演化
平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构。其它型式的四杆机构都可看成是在它的基础上通过演化而成的。
由四个构件用铰链连接而成的机构称为铰链四杆机构。如图所示,机构中固定不动的构件AD称为机架,与机架相连的构件AB和CD称为连架杆。如果连架杆能绕轴线作360 o的回转运动,称为曲柄;若只能在某一角度(小于360°)内摆动,称为摇杆。与机架不相连接的构件BC称为连杆。
铰链四杆机构可按有无曲柄、摇杆,分为以下三种基本型式。

1、曲柄摇杆机构
定义:在铰链四杆机构中,若两连架杆之一为曲柄,另一个是摇杆,此机构称为曲柄摇杆机构。
应用:在曲柄摇杆机构中,当曲柄为主动件时,可将曲柄的连续回转运动转换成摇杆的往复摆动。如雷达天线俯仰角调整机构。当摇杆为主动件时,可将摇杆的往复摆动转换成曲柄的连续回转运动,如缝纫机踏板机构。


雷达天线俯仰角调整机构 缝纫机踏板机构
2、双曲柄机构
定义:铰链四杆机构中,若两连架杆均为曲柄时,此机构称为双曲柄机构。
在双曲机构中,如果两曲柄的长度不相等,主动曲柄等速回转一周,从动曲柄变速回转一周,如惯性筛。如果两曲柄的长度相等,且连杆与机架的长度也相等,称为平行双曲柄机构。这种机构运动的特点是两曲柄的角速度始终保持相等,在机器中应用也很广泛,如机车车轮联动机构。

惯性筛 机车车轮联动机构
3、双摇杆机构
定义:铰链四杆机构中,若两连架杆均为摇杆时,此机构称为双摇杆机构。
在双摇杆机构中,两摇杆可分别为主动件,当主动摇杆摆动时,通过连杆带动从动摇杆作摆动运动。如码头起重机中的双摇杆机构,当CD摇杆摆动时,连杆BC上悬挂重物的点M近似水平直线移动。

码头起重机
平面四杆机构的演化
1、曲柄滑块机构
如图所示,由曲柄AB、连杆BC、滑块C及机架组成的平面连杆机构,称为曲柄滑块机构。

在曲柄滑块机构中,若曲柄为主动件,当曲柄连续回转时,通过连杆带动滑块作往复直线运动;反之,若滑块为主动件,当滑块作往复直线运动时,通过连杆带动曲柄作连续回转运动。
2、导杆机构
导杆机构由曲柄、滑块、导杆和机架组成。

(1)摆动导杆机构
如图所示,若L4>L1,则该机构称为摆动导杆机构,它由曲柄、滑块、摆动导杆和机架组成。在摆动导杆机构中,当曲柄连续转动时,滑块一方面沿着导杆滑动,另一方面带动导杆绕铰链A往复摆动。摆动导杆机构常用作回转式油泵、插床和等的传动机构。
(2)转动导杆机构
若L4
3、摇块机构和定块机构

(1)摇块机构
如图所示为摇块机构的简图。当曲柄为主动件转动或摆动时,连杆相对滑块滑动,并一起绕C点摆动。例如卡车自动卸料机构就是应用的摇块机构。
(2)定块机构
在曲柄滑块机构中,若取滑块为机架,则得到定块机构。定块机构常用于抽水机筒中。
4、偏心轮机构
在实际生产中,当传递力较大,滑块行程又较小,曲柄也就很短,以致于曲柄两端很难安装铰销时,往往用一个回转中心与几何中心不相重合的偏心轮代替曲柄,连杆的一端有大圆环套在偏心轮上,这种机构称偏心轮机构。

这种机构常用于冲床、剪床等机器中。
小结:
1.平面连杆机构概述
2.平面连杆机构基本类型
3.平面连杆机构的演化
作业与思考:
1、铰链四杆机构有那几种基本型式?各有什么特点?
2、铰链四杆机构可以通过那几种方式演变成其它型式的四杆机构?试说明曲柄摇块机构是如何演化而来的?
3、什么是偏心轮机构?它主要用于什么场合?
平面四杆机构的基本特性
铰链四杆机构有曲柄的条件
在铰链四杆机构中,曲柄存在的条件为:
(1)曲柄为最短构件,又称最短构件条件;
(2)最短构件与最长构件长度之和小于或等于其他两构件长度之和,又称构件长度和条件。
结论:
1、在铰链四杆机构中,若最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和时:(1)取最短杆为连架杆,得曲柄摇杆机构;(2)取最短杆为机架,得双曲柄机构;(3)取最短杆为连杆,得双摇杆机构。
2、在铰链四杆机构中,若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和时,则不论取哪一个构件为机架,都只能得到双摇杆机构。
压力角和传动角
平面连杆机构不仅要保证实现预定的运动要求,而且应当运转效率高,具有良好的传力特性。通常以压力角或传动角表明连杆机构的传力特性。
如图所示的曲柄摇杆机构中,若忽略各杆的质量和铰链中摩擦力影响,则连杆为二力构件,主动件AB通过连杆对从动件摇杆CD的作用力F沿BC方向。

从动件受力方向与受力点速度方向之间的锐角称压力角,用表示。将力F分解成沿速度
方向的分力F
和垂直于
的分力Fr。Ft=
cos
是推动摇杆绕D点转动的有效分力,压力角愈小,有效分力就愈大,所以可用压力角的大小来判断机构的传力特性。Fr=Fsin
,不但对摇杆无推动作用,反而在铰链处引起摩擦消耗动力,因此它是有害分力,愈小愈好。实用上为了度量方便,常用压力角
的余角
判断机构传力性能的优劣,
角称为传动角。由图可知,传动角
是连杆BC与摇杆CD夹的锐角。传动角愈大,机构传力性能愈好。机构运动时,传动角是变化的。为使机构正常工作,应使最小传动角
min≥40°~ 50°,轻载时取较小值,重载时取较大值。
急回特性

在图中,设曲柄AB为主动件作匀速回转运动,摇杆CD为从动件作往复摆动。曲柄AB在回转一周的过程中两次与连杆BC共线,此时摇杆CD分别位于C1D和C2D两个极限位置。摇杆在两个极限位置间的夹角称摆角。摇杆在两极限位置时,曲柄两位置间所夹的锐角
称为极位夹角。当曲柄AB1位置顺时针转过
(180º+
)到达AB2位置时,摇杆由左极限位置C1D摆到右极限位置C2D,设经历的时间为t1,C点的平均速度v1=C1C2/t2;曲柄再由AB2位置转过
回到AB1位置时,摇杆自C2D摆回到C1D,设经历的时间为t2,C点的平均速度v2=C2C1/t2。因曲柄作匀速回转运动,经历的时间与其相应的转角成正比,由,t1>t2,所以v2>v1。摇杆摆回速度比摆去速度快的性质,称急回特性。
2与v1的比值,称为从动件的行程速度比系数,以
表示。即


的大小表示急回的程度。铰链四杆机构有无急回运动特性取决于该机构有无极位夹角,
角越大,急回运动特性也越显著。
死点
在曲柄摇杆机构中,如图所示,若以摇杆CD为主动件,当摇杆处于两个极限位置C1D和C2D时,连杆BC与曲柄AB共线,连杆传给曲柄的力F通过曲柄的回转中心,其力矩为零,因此不能推动曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。

死点位置影响机构的正常传动,因此要设法使它能顺利地通过死点位置。通常是在曲柄上安装质量较大的飞轮,利用飞轮的惯性使机构按原来的转向通过死点位置,例如拖拉机、缝纫机(它的带轮亦起飞轮的作用)等。在不宜安装飞轮时,可用多组机构错位排列的方法,即使各组机构的死点位置错开,保证机器的正常运转。
工程上有时也利用死点位置进行工作,如电气开关上的分合闸机构。
小结:
平面连杆机构几个工作特性
作业与思考:
1、双摇杆机构的四个构件长度应满足什么条件?
2、曲柄存在的条件是什么?
3、什么是连杆机构的压力角、传动角?它们的大小对连杆机构的工作有什么影响?偏置曲柄滑块机构的最小传动角γmin发生在什么位置?
4、铰链四杆机构中有可能存在死点位置的机构有哪些?它们存在死点位置的条件是什么?试举出一些克服死点位置的措施和利用死点位置的实例。
平面四杆机构的设计
平面四杆机构的设计方法:图解法、解析法、试验法。
图解法设计平面四杆机构
1、按给定的连杆位置设计四杆机构
例:已知连杆长度及连杆的三个对应位置
、
、
,设计铰链四杆机构。
分析:由于在铰链四杆机构中,两连架杆均作定轴转动或摆动,只有连杆作平面一般运动,故能够实现上述运动要求的刚体必是机构中的连杆。设计问题为实现连杆给定位置的设计。首先根据刚体的具体结构,在其上选择活动铰链点B,C 的位置。一旦确定了B、C 的位置,对应于刚体3个位置时活动铰链的位置B1C1,B2C2,B3C3也就确定了。
解:(1)作出连杆的三位置














、;
(3)和
交于一点
,
、
交于一点D,连接
,得四杆机构。

3、按照给定的行程速比系数设计四杆机构
设已知摇杆CD的长度,摆角
,行程速比系数
,设计曲柄摇杆机构。
设计步骤如下:
1、根据行程速比系数计算极位夹角

2、做摇杆的两个极限位置
任选一点D,并按摇杆CD的长度和摆角
,画出摇杆的两个极限位置
、
。
3、做辅助圆
连接、
,并作
,做
,得
与
的交点P。做
的外接圆,则圆弧
上任一点A与
和
的连线夹角都等于
。
4、计算各构件的长度
设曲柄长度为,连杆长度为
,则
,故
或
于是,以
为圆心,以为半径做弧交
于
,则得

解析法设计平面四杆机构
略
实验法设计平面四杆机构
略
小结:
平面连杆机构设计
作业与思考:
设计一偏置曲柄滑块机构,已知滑块的行程速度变化系数K=1.5,滑块的冲程lC1C2=50mm,导路的偏距e=20mm,曲柄长度lAB和连杆长度lBC如何计算?
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