5.铰链四杆机构基本类型讲解

第二章平面连杆机构应用：特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。定义：由低副连接刚性构件组成的机构。第一节平面连杆机构的类型、特点和应用内燃机、牛头刨床、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠椅等。分类:平面连杆机构空间连杆机构平面连杆机构常以构件数命名：四杆机构、五杆机构、多杆机构等。一.连杆机构的特点缺点：▲产生动载荷（惯性力），不适合高速。▲设计较复杂，难以实现精确的轨迹。本章重点介绍四杆机构。▲构件和运动副多，累积误差大，运动精度和效率较低。优点：▲采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。▲改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。▲连杆曲线丰富。可满足不同要求。平面连杆机构的类型、特点和分类二.平面连杆机构的类型和应用1.平面四杆机构的基本型式和应用全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。连架杆——与机架相联的构件；机架——固定不动的构件；连杆——连接两连架杆且作平面运动的构件；曲柄——作整周定轴回转的构件；摇杆——作定轴摆动的构件；平面连杆机构的类型、特点和分类（1）曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构（摇杆主动）（曲柄主动）平面连杆机构的类型、特点和分类搅拌机构•如图所示曲柄摇杆机构，是雷达天线调整机构的原理图，机构由构件AB、BC、固连有天线的CD及机架DA组成，构件AB可作整圈的转动，成曲柄；天线3作为机构的另一连架杆可作一定范围的摆动，成摇杆；随着曲柄的缓缓转动，天线仰角得到改变。（2）双曲柄机构特征：两个曲柄作用：将等速回转转变为等速或变速回转。惯性筛平面连杆机构的类型、特点和分类•如图所示惯性筛的工作机构原理，是双曲柄机构的应用实例。由于从动曲柄3与主动曲柄1的长度不同，故当主动曲柄1匀速回转一周时，从动曲柄3作变速回转一周，机构利用这一特点使筛子6作加速往复运动，提高了工作性能。机车车轮联动机构特例：平行四边形机构特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动。AB=CDBC=AD摄影平台升降机构平面连杆机构的类型、特点和分类反平行四边形机构平行四边形机构存在运动不确定位置。可采用两组机构错开排列的方法予以克服。平面连杆机构的类型、特点和分类（3）双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：鹤式起重机特例：等腰梯形机构——汽车转向机构平面连杆机构的类型、特点和分类•如图所示为港口用起重机吊臂结构原理。其中，ABCD构成双摇杆机构，AD为机架，在主动摇杆AB的驱动下，随着机构的运动连杆BC的外伸端点M获得近似直线的水平运动，使吊重Q能作水平移动而大大节省了移动吊重所需要的功率。•图所示的汽车偏转车轮转向机构采用了等腰梯形双摇杆机构。该机构的两根摇杆AB、CD是等长的，适当选择两摇杆的长度，可以使汽车在转弯时两转向轮轴线近似相交于其它两轮轴线延长线某点P，汽车整车绕瞬时中心P点转动，获得各轮子相对于地面作近似的纯滚动，以减少转弯时轮胎的磨损。解：分析题目给出铰链四杆机构知，最短杆为AD=20，最长杆为CD=55，其余两杆AB=30、BC=50。因为AD＋CD=20＋55=75AB＋BC=30＋50=80＞Lmin＋Lmax故满足曲柄存在的第一个条件。1)以AB或CD为机架时，即最短杆AD成连架杆，故为曲柄摇杆机构；2)以BC为机架时，即最短杆成连杆，故机构为双摇杆机构；3)以AD为机架时，即以最短杆为机架，机构为双曲柄机构。•例铰链四杆机构ABCD的各杆长度如图2-10所示。请根据基本类型判别准则，说明机构分别以AB、BC、CD、AD各杆为机架时属于何种机构。第二节平面连杆机构的运动和动力特性1.平面四杆机构存在曲柄的条件平面四杆机构具有整转副则可能存在曲柄。设l1l4,连架杆若能整周回转，必有两次与机架共线。l1+l2≤l3+l4l1+l3≤l2+l4l1+l4≤l2+l3由△B2C2D可得：由△B1C1D可得：l2≤(l4–l1)+l3l3≤(l4–l1)+l2将以上三式两两相加得：即：l1≤l2l1≤l3l1≤l4AB为最短杆同理，若l1l4，可得：l4≤l1,l4≤l2,l4≤l3即：AD为最短杆▲连架杆之一或机架为最短杆。曲柄存在的条件:（Grashof定理）▲最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和称为杆长条件。此时，铰链A、B均为整转副。当满足杆长条件时，其最短杆上的转动副都是整转副。平面连杆机构的运动和动力特性2.压力角和传动角压力角：作用在从动件上的驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角α。切向分力Ft=Fcosα法向分力Fn=Fcosγγ↑Ft↑对传动有利。=Fsinγ常用γ的大小来表示机构传力性能的好坏,称γ为传动角。γ是α的余角。平面连杆机构的运动和动力特性3.死点对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，在连杆与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。机构的这种位置称为：“死点”（机构的死点位置）在“死点”位置，机构的传动角γ＝0平面连杆机构的运动和动力特性*可以利用“死点”位置进行工作，例如：飞机起落架、钻夹具等。*“死点”位置的过渡方法：依靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。平面连杆机构的运动和动力特性两组机构错开排列，如火车轮联动机构。4.急回特性从动件作往复运动的平面连杆机构中，若从动件工作行程的平均速度小于回程的平均速度，则称该机构具有急回特性。在曲柄摇杆机构中，当从动件（摇杆）位于两极限位置时，曲柄与连杆共线。此时对应的主动曲柄之间所夹的锐角θ叫作极位夹角。平面连杆机构的运动和动力特性/)180(1t1211tCCV)180/(21CC设曲柄以ω逆时针匀速旋转。从AB1转到AB2，转过180°+θ时为工作行程，所花时间为t1；此时摇杆从C1D摆到C2D，平均速度为V1,则有：曲柄从AB2继续转过180°-θ到AB1时为回程，所花时间为t2,此时摇杆从C2D摆到C1D，平均速度为V2,那么有/)180(2t2212tCCV)180/(21CC显然t1t2V2V1即该机构具有急回特性平面连杆机构的运动和动力特性而且θ越大，K值越大，机构的急回性质越明显。只要极位夹角θ≠0，就有K1。因此，可通过分析机构中是否存在θ及其大小，来判断机构是否具有急回运动，以及急回的程度。11180KK设计时往往先给定K值，再计算θ，即12VVK18018021tt121221tCCtCC为能定量描述急回运动，将回程平均速度V2与工作行程平均速度V1之比定义为行程速度变化系数K平面连杆机构的运动和动力特性曲柄滑块机构的急回特性分析应用：节省回程时间，提高生产率。导杆机构的急回特性分析平面连杆机构的运动和动力特性•一、曲柄滑块机构•在图2-11a）所示的铰链四杆机构ABCD中，如果要求C点运动轨迹的曲率半径较大甚至是C点作直线运动，则摇杆CD的长度就特别长，甚至是无穷大，这显然给布置和制造带来困难或不可能。为此，在实际应用中只是根据需要制作一个导路，C点做成一个与连杆铰接的滑块并使之沿导路运动即可，不再专门做出CD杆。这种含有移动副的四杆机构称为滑块四杆机构，当滑块运动的轨迹为曲线时称为曲线滑块机构，当滑块运动的轨迹为直线时称为直线滑块机构。•直线滑块机构可分为两种情况：如图2-11b）所示为偏置曲柄滑块机构，导路与曲柄转动中心有一个偏距e；当e=0即导路通过曲柄转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，如图2-11c）所示。•图a）所示为应用于内燃机、空压机、蒸汽机的活塞－连杆－曲柄机构，其中活塞相当于滑块。二、导杆机构•在对心曲柄滑块机构中，导路是固定不动的，如果将导路做成导杆4铰接于A点，使之能够绕A点转动，并使AB杆固定，就变成了导杆机构，如图所示。当AB＜BC时，导杆能够作整周的回转，称旋转导杆机构，如图a＝所示。•当AB＞BC时导杆4只能作不足一周的回转，称摆动导杆机构，如图b)所示。导杆机构的应用•导杆机构具有很好的传力性，在插床、刨床等要求传递重载的场合得到应用。如图2a)所示为插床的工作机构，如图b)所示为牛头刨床的工作机构。三、摇块机构和定块机构•在对心曲柄滑块机构中，将与滑块铰接的构件固定成机架，使滑块只能摇摆不能移动，就成为摇块机构，如图a)所示。•摇块机构在液压与气压传动系统中得到广泛应用，如图b)所示为摇块机构在自卸货车上的应用，以车架为机架AC，液压缸筒3与车架铰接于C点成摇块，主动件活塞及活塞杆2可沿缸筒中心线往复移动成导路，带动车箱1绕A点摆动实现卸料或复位。•将对心曲柄滑块机构中的滑块固定为机架，就成了定块机构，如图a)所示。图b)为定块机构在手动唧筒上的应用，用手上下扳动主动件1，使作为导路的活塞及活塞杆4沿唧筒中心线往复移动，实现唧水或唧油。四、双滑块机构•将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机构——双滑块机构。按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：•(1)两移动副不相邻。例如图a)所示的正切机构(其从动件3的位移与主动件1转角的正切成正比)。四、双滑块机构•(2)两移动副相邻且其中一个与机架相连。例如图的正弦机构(从动件3的位移与曲柄1转角的正弦成正比)。双滑块机构的应用•(3)两移动副相邻但都不与机架相连。下面所示的十字滑块机构就是这种机构。十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差。双滑块机构的应用•(4)两移动副相邻且都与机架相连。下面所示的椭圆仪就是这种机构。当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。双滑块机构应用－椭圆仪扩大转动副偏心轮机构曲柄滑块机构将转动副B加大，直至把转动副A包括进去，成为几何中心是B，转动中心为A的偏心圆盘。五、偏心轮机构下图所示为两种偏心轮机构。构件１为圆盘，其几何中心为B。因运动时该圆盘绕轴Ａ转动，故称为偏心轮。Ａ、Ｂ之间的距离e称为偏心距。按照相对运动关系，可画出机构运动简图如图中红线所示。由图可知，偏心轮是将转动副Ｂ扩大到包括转动副Ａ而形成的，偏心距e即为曲柄的长度。偏心轮机构的应用•当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。这样一方面提高了偏心轴的强度和刚度(因轴颈的直径增大了)；另一方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。死点位置的应用•如图a）所示为一种快速夹具，要求夹紧工件后夹紧反力不能自动松开夹具，所以将夹头构件1看成主动件，当连杆2和从动件3共线时，机构处于止点，夹紧反力N对摇杆3的作用力矩为零。这样，无论N有多大，也无法推动摇杆3而松开夹具。当我们用手搬动连杆2的延长部分时，因主动件的转换破坏了止点位置而轻易地松开工件。•如图b)所示为飞机起落架处于放下机轮的位置，地面反力作用于机轮上使AB件为主动件，从动件CD与连杆BC成一直线，机构处于止点，只要用很小的锁紧力作用于CD杆即可有效地保持着支撑状态。当飞机升空离地要收起机轮时，只要用较小力量推动CD，因主动件改为CD破坏了止点位置而轻易地收起机轮。此外，还有汽车发动机盖、折叠椅等。