平面连杆机构

第2章平面连杆机构2PlaneConnectingRodMechanism第2章平面连杆机构平面连杆机构是构件以低副连接而成的机构。它广泛应用于各种机械中。最简单的平面连杆机构由四个构件组成，称为平面四杆机构，其应用非常广泛，又是组成多杆机构的基础。本章主要介绍平面四杆机构的类型、特性及其设计方法。内容包括：内容简介■平面四杆机构的基本类型及其应用■平面四杆机构的基本特性■平面四杆机构的设计平面连杆机构是指所有构件通过低副连接组成的平面机构，也称平面低副机构。平面连杆机构的优点是：运动副为平面或圆柱面接触，承载能力大，制造容易；运动形式多样，能实现多种运动规律和轨迹。其缺点是：构件数较多，且低副中存在间隙，运动累积误差大；设计较难，不以精确实现复杂的运动规律。平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪器中。最简单的平面连杆机构由四个构件组成，称为平面四杆机构，其应用非常广泛，又是组成多杆机构的基础。本章主要介绍平面四杆机构的类型、特性及其设计方法。§2.1平面四杆机构的基本类型及其应用平面四杆机构种类繁多，按照所含移动副数目的不同，可分为：对这些机构通过改换机架、变更杆件长度和扩大转动副等途径，还可以得到平面四杆机构的其他演化形式。（1）全转动副的铰链四杆机构（2）含一个移动副的四杆机构（3）含两个移动副的四杆机构平面四杆机构可分为：一、铰链四杆机构在平面四杆机构中，若各运动副都是转动副，则称其为铰链四杆机构，如图2-1所示。图2-1铰链四杆机构如图2-1(a)所示，此机构中，构件4为机架，构件1、3与机架直接相连，称为连架杆，构件2与机架间接相连，称为连杆。图2-1(a)铰链四杆机构图2-1(a)铰链四杆机构机构工作时，连架杆作定轴转动，连杆作平面复杂运动。能作整周转动的连架杆，称为曲柄，只能在一定角度范围摆动的连架杆，称为摇杆。根据两连架杆中的曲柄与摇杆的存在情况，◆曲柄遥杆机构◆双曲柄机构◆双遥杆机构铰链四杆机构又可分为三种基本形式：1.曲柄摇杆机构图2-a1曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构，如图2-a1所示。在此机构中，连架杆1为曲柄，可绕固定铰链中心A作整周转动，活动铰链中心B的轨迹为圆；连杆架3为摇杆，其只能绕固定铰链中心D来回摆动，故活动铰链中心C的轨迹为一段圆弧。曲柄摇杆机构的传动特点是：可实现曲柄转动与摇杆摆动的相互转换。图2-2(a)所示为牛头刨床横向自动进给机构。当齿轮1转动时，驱动齿轮2（曲柄）转动，再通过连杆3使摇杆4作往复摆动，摇杆另一端的棘爪便拨动棘轮5，带动送进丝杆6作单向间歇运动。图2-2(b)是其中曲柄摇杆机构的运动简图。图2-2牛头刨床横向自动进给机构图2-3所示为雷达天线俯仰角调整的曲柄摇杆机构。构件1为曲柄，它转动后通过连杆2使摇杆3（即天线）绕D点摆动，从而调整天线俯仰角的大小，以对准通信卫星。图2-3雷达天线俯仰角调整机构如图2-a2所示的汽车前窗刮水器控制机构、如图2-a3所示的脚踏砂轮机机构等都是曲柄摇杆机构的应用实例。前者以曲柄AB为原动件，后者以摇杆CD为原动件。图2-a2汽车前窗刮水器图2-a3脚踏砂轮机机构（由AB的整周转动实现CD往复摆动）（由DC的往复摆动实现BA整周转动）2.双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构，如图2-1(b)所示。双曲柄机构的传动特点为：通常取其中一个曲柄为原动件且做等速转动，另一曲柄为从动件，一般做变速转动（也可做等速转动）。图2-1(b)图2-a4惯性筛机构图2-a4所示为惯性筛机构，它利用双曲柄机构ABCD中从动曲柄AB的变速转动，通过杆CE带动筛子E作变速往复移动，从而达到利用惯性筛分物料的目的。在双曲柄机构中，相对的两杆平行且长度相等（即连杆与机架的长度相等，两个曲柄的长度也相等），称为平行四边形机构，或称平行双曲柄机构，如图2-a5所示。图2-a5平行双曲柄机构该机构的传动特点是：两曲柄以相同的角速度同向转动，连杆作平动。在双曲柄机构中，若两相对杆的长度分别相等，但不平行，称为反向平行四边形机构（或称反向双曲柄机构），如图2-a6所示。图2-a6反向双曲柄机构该机构当以长边为机架时，原动曲柄AB等速转动时，从动曲柄CD做反向变速转动，图2-a7所示的公共汽车的车门启闭机构就利用了这个特性，它可使两扇车门（AE和DF）同时开启或关闭；当以其短边为机架时，两曲柄的转向相同，其性能与一般双曲柄机构相似。图2-a6反向双曲柄机构图2-a7车门启闭机构双曲柄机构特点：曲柄AB与CD长度相等，始终做等速、同向转动。连杆也始终做平动。图2-6所示机车驱动轮联动机构为应用实例。图2-6机车驱动轮联动机构3.双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆，称为双摇杆机构，如图2-a8所示。图2-a8双摇杆机构双摇杆机构的传动特点是：可将一种摆动转化成另一种摆动。图2-7飞机起落架机构如图2-7所示为飞机起落架机构的运动简图。图中AB与CD均为摇杆。飞机着陆前，需要将着陆轮1从机翼4中推放出来（图中实线所示）；起飞后，为了减少空气阻力，又需要将着陆轮收回机翼中（图中虚线所示）。这些动作是由原动摇杆3，通过连杆2、从动摇杆5带动着陆轮来实现的。图2-8汽车前轮转向机构在双摇杆机构中，如果两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。如图2-8所示汽车、拖拉机前轮转向机构就是其应用实例。摇杆AB和CD分别与两前轮轴固连在一起，当车轮转弯时（图中为向右转弯），与前轮轴固连的两个摇杆的摆角β和δ不等。如果在任意位置都能使两前轮轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动，避免了轮胎因滑动而损伤。等腰梯形机构就能近似地满足这一要求。二、含一个移动副的四杆机构1.曲柄滑块机构曲柄滑块机构可看作是由曲柄摇杆机构演变而来。如图2-a9(a)所示的曲柄摇杆机构，摇杆上C点的运动轨迹是圆弧。mm图2-a9曲柄摇杆机构的形成(a)(b)(c)若摇杆CD的长度趋于无穷大（图2-a9(b)）时，回转副中心D将位于无穷远处，C点的运动轨迹变成了直线，摇杆CD便成了滑块，原来的回转副变成了移动副（图2-a9(c)），即演变成为曲柄滑块机构。(a)(b)(c)图2-a9曲柄摇杆机构的形成在图2-9所示机构中，构件1为曲柄，滑块3相对于机架4作往复运动，该机构称为曲柄滑块机构。图2-9曲柄滑块机构如图2-9所示，根据滑块导路中心线是否通过曲柄转动中心A，曲柄滑块机构又分为：对心曲柄滑块机构，见图2-9(a)；偏置曲柄滑块机构（偏距为e），见图2-9(b)。曲柄滑块机构广泛应用在活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。在图2-9所示四杆机构中，4为机架，1、3为连架杆，2为连杆，3与4之间构成移动副，其余三个运动副为转动副。机构工作时，连架杆1作整周转动称为曲柄，连架杆3作往复移动称为滑块3，该机构称为曲柄滑块机构。图2-9曲柄滑块机构图2-9曲柄滑块机构如图2-9所示：当滑块移动的导路m-m通过曲柄的转动中心A时，称为对心曲柄滑块机构，见图2-9a；当滑块移动的导路m-m不通过曲柄的转动中心A时，称为偏置曲柄滑块机构，见图2-9b；偏置的距离e称为偏距。曲柄滑块机构的传动特点是：可以实现曲柄转动和滑块往复移动之间的相互转换，其在在活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中得到广泛应用。在图2-9a所示的对心曲柄滑块机构中，如果分别选择其他三个构件为机架，则可得到如下三种机构：◆导杆机构（又分：转动导杆机构和摆动导杆机构）◆摇杆机构◆定块机构如图2-10a所示的曲柄滑块机构：若改选构件1为机架，得到图2-10b所示导杆机构；若改选构件2为机架，得到图2-10c所示摇杆机构；若改选构件3为机架，即得图2-10d所示定块机构。图2-10曲柄摇杆机构的演化2.转动导杆机构如图2-10a所示的对心曲柄滑块机构，若改选构件1为机架，则得到图2-a10所示的曲柄转动导杆机构，简称转动导杆机构。在此机构中，两连架杆2、4均作整周转动，其中，构件2称为曲柄（原动件），构件4为滑块3提供导轨作用，称为导杆。转动导杆机构的传动特点是：当曲柄匀速转动时，导杆作变速转动。图2-a10转动导杆机构（曲柄）（导杆）3.摆动导杆机构图2-a10转动导杆机构（曲柄）（导杆）如图2-a10所示的转动导杆机构中，若使机架长度（l1）大于曲柄长度（l2），即l1l2（图2-a10），则得到图2-11所示曲柄摆动导杆机构，简称摆动导杆机构。在此机构中，构件2可整周转动，而导杆4只能作往复摆动。图2-11摆动导杆机构（曲柄）（导杆）摆动导杆机构的传动特点是：当曲柄匀速转动时，导杆做变速摆动。导杆机构常用做牛头刨床、插床和回转式油泵等工作机构。4.摇块机构图2-a11摇块机构在图2-10a所示对心曲柄滑块机构中，若改选构件2为机架，则得到图2-10c（图2-a11）所示的摆动滑块机构，简称摇块机构。在此机构中，构件1作整周转动，滑块3则成了只能绕机架上C点做往复摆动的摇块，故称摇块机构。摇块机构的传动特点是：它可将导杆的相对移动转化为曲柄的转动。图2-12所示为摇块机构在自卸卡车车厢举升机构中的应用。其中，摇块3为油缸，利用压力油推动活塞杆4运动使车厢1便绕回转副中心B倾斜翻转卸料。图2-12卡车自动翻转卸料机构5.定块机构图2-10(d)定块机构图2-13手压式抽水机机构在图2-10(a)所示的对心曲柄滑块机构中，若改选滑块3为机架，则得图2-10(d)所示固定滑块机构，简称定块机构。在此机构中，导杆4作往复移动，构件2作往复摆动。图2-13所示的手压抽水机为该定块机构的应用实例。*三、含两个移动副的四杆机构图2-15正弦机构图2-14正切机构含有两个移动副的四杆机构，称为双滑块机构。按照两个移动副所处位置的不同，可分为四种形式：（1）两个移动副不相邻，如图2-14所示，从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，故称正切机构。（2）两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联，如图2-15所示，从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构。图2-17双滑块机构图2-16单滑块机构（3）两个移动副相邻，且均不与机架相关联，如图2-16a所示，主动件1与从动件3具有相等的角速度，图2-16b所示的滑块联轴器就是这种机构的应用实例，它可用来连接中心线平行但不重合的两根轴。（4）两个移动副都与机架相关联，如图2-17所示椭圆仪就用到这种机构，当滑块1和3沿机架的十字槽滑动时，连杆2上的各点便绘出长、短径不同的椭圆。*四、具有偏心轮的四杆机构*五、具有偏心轮的四杆机构§2.2平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性包括：运动特性和传力特性两方面，这些特性不仅反映了机构传递和变换运动与力的特性，而且也是四杆机构类型选择和运动设计的主要依据。为了正确选择、合理使用乃至设计四杆机构，除了需要了解四杆机构的类型以外，应进一步了解其基本性质。有关平面四杆机构的基本特性，主要介绍如下几点：●急回特性●压力角与传动角●死点位置一、铰链四杆机构类型判别1.相邻构件转整周的条件在铰链四杆机构中，相邻构件能否相对作整周转动，是由各构件的长度决定的。铰链四杆机构（见图2-21）中，各构件的长度满足最长构件与最短构件长度之和小于或等于另外两构件长度之和，即图2-21铰链四杆机构有整转副的条件llllminmax则最短构件与相邻构件之间可以相对转过整周（即有整转副）。2.机构类型判别若铰链四杆机构满足相邻构件转整周的条件，以不同的构件为机架，可以得到三种不同的机构：（1）以最短构件相邻的构件为机架时，机架上只有一个整转副，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构，如图2-a11(b)所示。（2）以最短构件为机架时，机架上有两个整转副，该铰链四杆机构为双曲柄机构，如图2-a11(c)所示。（3）以最短构件对面的构件为机架时，机架上没有整转副，该铰链四杆机构为双摇杆机构，如图2-a11(d)所示。(a)取与最短构