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机械设计基础,武汉理工大学物流工程系工业工程研究所罗齐汉qhluo2004年3月,FoundationofMachineDesign,第2章平面连杆机构,铰链四杆机构铰链四杆机构的演变平面四杆机构的设计,3,2020年6月2日星期二,平面连杆机构的特点,平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构。优点1.低副是面接触，因此压强小、耐磨损。适用于载荷较大的场合。2.低副的接触面通常是容易加工的平面或圆柱面，容易获得较高的制造精度。3.连杆可做得很长，可较长距离传递运动。适合于操纵机构。4.低副的约束为几何约束(靠形状限制运动)，无需附加约束装置。,4,2020年6月2日星期二,平面连杆机构的特点,缺点1.低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。2.连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。3.有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。由自由度计算公式可知，最简单的单自由度平面连杆机构是四杆机构。四杆机构工程上应用最多，它也是构成多杆机构的基础，本章着重讨论四杆机构。,2-1铰链四杆机构,5,2020年6月2日星期二,2-1铰链四杆机构,全部运动副都是回转副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。如图所示，固定杆4称为机架，与机架相连的杆1、3称为连架杆，不与机架直接连接的杆2称为连杆，作整周回转的连架杆1称为曲柄，作往复摆动的连架杆3称为摇杆。,2-1铰链四杆机构,6,2020年6月2日星期二,铰链四杆机构曲柄存在条件,图示曲柄摇杆机构来讨论存在曲柄的条件。图中给出了摇杆处于两极限位置时的情况。根据三角形任意两边边长之和必大于等于第三边边长的定理:,2-1铰链四杆机构,7,2020年6月2日星期二,铰链四杆机构曲柄存在条件,上述关系说明,铰链四杆机构曲柄存在条件：最短、最长杆长度之和另外两杆的长度之和；连架杆或机架是最短杆。其中条件又称为格拉肖夫(Grashof)判别式,2-1铰链四杆机构,8,2020年6月2日星期二,铰链四杆机构的基本类型判别,1、如果满足格拉肖夫判别式以最短杆相邻的杆作机架，得到曲柄摇杆机构；以最短杆作机架，得到双曲柄机构；以最短杆相对的杆作机架，得到双摇杆机构。2、如果不满足格拉肖夫判别式，则无论以哪个杆作机架，都只能得到双摇杆机构。,不满足：双摇杆机构格拉肖夫判别式最短杆为连架杆：曲柄摇杆机构满足：最短杆为机架：双曲柄机构最短杆为连杆：双摇杆机构,2-1铰链四杆机构,9,2020年6月2日星期二,铰链四杆机构的基本类型和特性,曲柄摇杆机构两个连架杆中，一个是曲柄，一个是摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，但也有摇杆主动的情况。应用例：缝纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、钢坯输送机等。,10,2020年6月2日星期二,雷达调整机构和缝纫机脚踏机构,2-1铰链四杆机构,11,2020年6月2日星期二,复摆式腭式破碎机,2-1铰链四杆机构,12,2020年6月2日星期二,钢材输送机,2-1铰链四杆机构,13,2020年6月2日星期二,曲柄摇杆机构的急回特性,当曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程(正行程)，将平均速度大的行程作为非工作行程(反行程)，那麽，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。急回特性很有用，牛头刨床、往复式运输机等机械就常常利用急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。,2-1铰链四杆机构,14,2020年6月2日星期二,行程速比系数,急回特性常用行程速比系数(摇杆反、正行程平均速度之比)来度量。如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动(顺时针为正行程，逆时针为反行程)。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角，用表示。根据行程速比系数的定义有：,2-1铰链四杆机构,15,2020年6月2日星期二,曲柄摇杆机构的死点,摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，当曲柄与连杆两次共线时，机构就会出现卡死或运动不确定的现象。这种机构出现卡死或运动不确定的位置点称为死点。死点通常有害，应设法消除。消除方法有：对从动曲柄施加附加力矩。利用构件自身或飞轮的惯性。多组相同机构错开一定角度布置。缝纫机脚踏板机构就存在死点。,2-1铰链四杆机构,16,2020年6月2日星期二,死点的应用,如图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱动力P后，由于BCD三点共线，工件对压头(杆1)的反作用力不能使杆转动，因而工件不会松。,2-1铰链四杆机构,17,2020年6月2日星期二,飞机起落架是利用死点工作的又一个典型实例,2-1铰链四杆机构,18,2020年6月2日星期二,曲柄摇杆机构的传动角,定义：作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用表示；压力角的余角称为传动角，常用表示。曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值应大于40。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验min值。不难看出，对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。,2-1铰链四杆机构,19,2020年6月2日星期二,双曲柄机构,两连架杆都作整周转动的铰链四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄匀速转动，从动曲柄变速转动。无死点。,2-1铰链四杆机构,20,2020年6月2日星期二,双摇杆机构,两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。,2-2铰链四杆机构的演变,21,2020年6月2日星期二,2-2铰链四杆机构的演变,一、曲柄滑块机构,22,2020年6月2日星期二,二、曲柄滑块机构的演变,2-2铰链四杆机构的演变,23,2020年6月2日星期二,1.导杆机构,导杆机构中，通常曲柄整周转动，滑块在导杆上滑动并跟随导杆转动或摆动。由图容易知道，若l2l1，则得到转动导杆机构；若l2l1，则得到摆动导杆机构。可以看出：导杆机构的传动角始终等于90，具有很好的传力性能，因此常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。摆动导杆机构也存在急回特性。,2-2铰链四杆机构的演变,24,2020年6月2日星期二,2.摇块机构和定块机构,摇块机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中，自卸货车就是很典型的应用。定块机构常用于抽水唧筒和抽油泵中。,2-2铰链四杆机构的演变,25,2020年6月2日星期二,3、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)。(2)两移动件相邻且其中一个与机架相连。例如图b的正弦机构(从动件3的位移与曲柄1转角的正弦成正比)。(3)两移动件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。(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。,2-2铰链四杆机构的演变,26,2020年6月2日星期二,三、偏心轮机构,下图所示为两种偏心轮机构。构件为圆盘，其几何中心。因运动时该圆盘绕轴转动，故称为偏心轮。、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，偏心轮是将回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心距e即为曲柄的长度。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。,27,2020年6月2日星期二,2-3铰链四杆机构的设计,四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动力学条件(如最小传动角要求)等。设计问题分类1、按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计。2、按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。设计方法图解法简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其设计精度低，一般用于求解初始值。解析法精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。实验法较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。,28,2020年6月2日星期二,一、按给定连杆位置设计四杆机构,下图为铸造车间振实造型机的翻转机构。它利用一个铰链四杆机构来实现翻台的两个工作位置。,29,2020年6月2日星期二,二、按给定行程速比系数设计四杆机构,曲柄摇杆机构设计已知条件：摇杆长度l3，摆角和行程速比系数K。设计关键是确定铰链A的位置，从而确定其余三杆长l1、l2和l4。,30,2020年6月2日星期二,二、按给定行程速比系数设计四杆机构,摆动导杆机构设计已知条件：机架长度l4、行程速比系数。由右图知，摆动导杆机构的极位夹角等于导杆的摆角，需要确定的尺寸是曲柄长度。设计步骤如下：1）根据行程速比系数求极位夹角。2）任选固定铰链中心C，以夹角作出导杆两极限位置cm、cn。3）作摆角的角平分线，并在线上取AC=l4，得铰链A的位置。4）过A点作导杆极限位置的垂线AB1(或AB2)，得l1=AB1。,31,2020年6月2日星期二,三、给定连架杆的三对对应位置,在给定主、从动连架杆三对对应位置条件下设计铰链四杆机构时，可用图解的反转机架法。设计一个铰链四杆机构，使其能实现左下图所示的连架杆AB、CD的三对对应位置。,32,2020年6月2日星期二,小结,
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