第1章常用机构功能介绍.

第1章常用机构及其功能介绍1.1铰链四杆机构1.2凸轮机构1.3变速机构1.4步进运动机构1.1铰链四杆机构通过本章的学习，使学生了解常用机构的种类及其功能，并且能在实际中进行运用。1.对铰链四杆机构及其衍生形式有所了解，并对相关概念、知识有基础的了解。2.深入理解铰链四杆机构的性质，并对其原理进行深入学习，能够独立画出简单的机构运动图。3.在认知和理解的基础上能够在实践中体会简单机构的原理及作用。下一页返回1.1铰链四杆机构1.1.1铰链四杆机构的概念及构成用四个转动副在构件间相连的平面四杆机构，称为图1-1(a)所示为一铰链四杆机构，由四根杆状的构件分别用铰链连接而成。图1-1(b)为铰链四杆机构的简图。平面铰链四杆机构，或者简称为铰链四杆机构。在铰链四杆机构中，起固定作用的构件称为机架(又称为固定件、静件);机构中与机架用低副相连的构件称为连架杆;不与机架相连的构件称为连杆。图1-1中，构件4为机架，构件2为连杆，构件1和3为连架杆。连架杆按其运动特征可分成摇杆和曲柄两种。摇杆:同机架用转动副相连但只绕该转动副轴线摆动的构件。曲柄:同机架用转动副相连且绕该转动副轴线整圈旋转的构件。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构1.1.2铰链四杆机构的基本类型1.曲柄摇杆机构的特点及构成曲柄摇杆机构是具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构。曲柄摇杆机构一般以曲柄为主动件作等速转动，摇杆为从动件作往复摆动。在图1-2所示的曲柄摇杆机构中，假定曲柄AB为主动件，并作逆时针等速转动。当曲柄AB的B端从B点回转到B点时，动件摇杆CD上的C端从C点摆动到C点，而当B端从点回转到点时，C端从C点顺时针摆动到q点。当B端继续从B2点回转到B点时，C端将从q点逆时针摆回到点。上一页下一页返回2B1C1.1铰链四杆机构牛头刨床横向进给机构(图1-3)，其传动方式采用了曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构工作时，齿轮1带动齿轮2并与齿轮2同轴的销盘3(相当于曲柄)一起转动，连杆4使带有棘爪的摇杆5绕D点摆动，与此同时棘爪推动棘轮6上的轮齿，使与棘轮同轴的丝杠7转动，从而完成工作台的横向运动。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构曲柄摇杆机构在生产中的应用范围很广，图1-4是一些实际应用:(a)为雷达俯仰角度的摆动装置，(b)为颗式破碎机。它们在曲柄AB连续回转的同时，摇杆CD可以往复摆动，完成雷达天线的摆动俯仰、破碎矿石等动作。在图1-5所示的脚踏砂轮机机构和图1-6所示的缝纫机踏板机构中，连杆BC随着踏板作往复摆动，驱动曲轴AB和带轮进行连续的回转。在曲柄摇杆机构中，当取摇杆为主动件时，可以使摇杆的往复摆动转换成从动件曲柄的整周回转运动。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构2.双曲柄机构的特点及构成一般而言，两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。如图1一所示的惯性筛中的铰链四杆机构就是双曲柄机构。当主动曲柄AB绕点A匀速回转转动时，通过连杆BC带动从动曲柄CD绕D点变速回转一周并通过E点连接，使筛子作变速往复直线运动进行筛选工作。上一页下一页返回01801.1铰链四杆机构如果在双曲柄机构中，两曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，那么可以称为平行双曲柄机构(图1-8)。在机械中平行双曲柄机构的应用也很广泛，如图1-9所示的天平，它能保证天平盘1,2始终处于水平位置;图1-10所示的机车车轮联动装置也是平行双曲柄机的应用实例。如果曲柄转向不同，称为反向平行双曲柄机构，可以简称为反向双曲柄机构，如图1-11所示。图1-12为车门启闭机构，它采用的就是反向双曲柄机构。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构3.双摇杆机构的特点及构成双摇杆机构是具有两个摇杆的铰链四杆机构。双摇杆机构的应用实例也很多:如图1-13所示的鹤式港口起重机中月刀为机架，AB和CD为摇杆，当摇杆AB摆动时，通过连杆CE将重物Q近似水平直线移动到虚线位置。图1-14所示的自卸载重汽车翻斗机构中，AD为机架，当液压缸输人液压油时，活塞杆向右伸出，使AB和CD向右摆动，从而使车斗倾斜卸下货物。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构1.1.3铰链四杆机构的性质1.曲柄存在的条件在铰链四杆机构中是否有作整圈旋转的构件，取决于各构件之间的长度关系，这就是所谓的曲柄存在条件。对曲柄存在条件的分析:在图1-15所示的曲柄摇杆机构中，假设曲柄AB、连杆BC,摇杆CD和机架AD四柄柄长之中取最短杆为机架时，则构成双曲柄机构。若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无曲柄存在，只能构成双摇杆机构。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构2.死点位置的概念及其作用当曲柄与连杆处于共线位置时，这时驱动力对从动件的回转力矩等于零。因此，无论作用力有多大，也不能推动曲柄转动，使机构处于卡死状态，且转向不确定，机构的这种位置就叫死点位置。缝纫机踏板机构(图1-16)中。死点位置影响机构的正常传递运动，因此应设法加以克服。通常是在从动件曲柄上安装飞轮，利用飞轮的运动惯性，使机构按原来的转向通过死点位置。在取摇杆为主动件、曲柄为从动件的曲柄摇杆机构中(图1-17)，死点位置有两个。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构死点位置的特殊性使其常常在实际应用中能实现一定的工作要求。如图1-18所示的飞机起落架收放机构，放下机轮后，从动杆CD与连杆BC共线。当飞机着陆时，机轮上虽然受到很大的作用力F，但因机构处于死点位置，所以起落架不会收起，从而提高了起落架工作的可靠性。图1-19所示为一种钻床连杆式快速夹具。当通过手柄(即连杆BC)施加外力F，使连杆BC与连架杆CD成一直线，这时构件连架杆AB的左端夹紧工件。上一页返回下一页1.1铰链四杆机构3.压力角和传动角(1)压力角压力角是衡量一个机构的力传递性能好坏的主要标志。如图1-20所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB为主动件。AB杆经过连杆BC作用于CD杆上C点的力为F,F可分解为沿点C速度方向的分力及沿CD方向的分力;分力经CD杆作用在铰链D上，由图可知其中是作用在从动件上力的方向和从动件受力点的速度方向之间所夹锐角，称为机构的压力角。从上式可见，压力角越小，有效分力越大，而越小，对机构越有利上一页下一页返回tFnFnFcosFFttFnF1.1铰链四杆机构(2)传动角为了度量的方便，令。是压力角的余角，称为传动角。显然，压力角越小，或者传动角越大，使从动杆运动的有效分力就越大，对机构传动越有利。运转时其传动角是变化的，为了保证机构传动性能良好，设计时一般应使，，对高速大功率机械应使。为此，必须确定时机构的位置并检验的值是否大于等于上述的许用值。铰链四杆机构运转时，其最小传动角出现的位置可由下述方法求得。上一页下一页返回0900min400min50minmin1.1铰链四杆机构如图1-21(a)所示的偏置曲柄滑块机构中，当曲柄为主动件时，传动角为连杆BC与导路垂线的夹角。当曲柄处于垂直于导路方向位置且B点距导路中心位置最大时，可得到最小传动角。对于对心曲柄滑块机构，其最小传动角也可同样确定。在图1-21(b)所示的导杆机构中，当曲柄为主动件且不考虑摩擦时，滑块2对导杆3的作用力方向始终垂直于导杆，而导杆上力作用点的速度方向也总是垂直于导杆，因此，压力角始终等于零，传动角恒等于，所以导杆机构的传力性能好。上一页下一页返回minmin0901.1铰链四杆机构4.急回特性在曲柄摇杆机构中(见图1-22)，曲柄AB以等角速度顺时针回转，自，回转到即转过角度时，摇杆CD自摆动到，摆动的角度为，曲柄AB继续由回转到，转过的角度为，由图可知，曲柄AB在作等速转动时，摇杆CD在极限位置间作往复摆动，且往复两次摆动所用时间不等，平均速度也不相同。通常摇杆由摆动到的过程为机构中从动件的工作行程，摇杆由摆动到的过程作为从动件的空回行程，以使空回行程的时间缩短，有利于提高生产率。上一页下一页返回1AB2AB1DC1DC22AB1AB212DC1DC2DC2DC11.1铰链四杆机构机构的急回特性用急回特性系数K机构有无急回特性，取决于K的值。K1时，机构有急回特性，并且K值越大，急回特性越显著上一页下一页返回00212112180180ttvvK度从动件工作行程平均速从动件空行程平均速度1.1铰链四杆机构1.1.4铰链四杆机构的衍生形式铰链四杆机构常见的衍生形式有:导杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇块机构和定块机构。这里介绍前两种常用的衍生形成。1.导杆机构简介连架杆中至少有一个构件为导杆的平面四杆机构称为导杆机构。导杆机构可以看成是改变曲柄滑块机构中固定件的位置衍生而成。导杆是机构中与另一运动构件组成移动副的构件。(1)摆动导杆机构如图1-23(a)所示的曲柄滑块机构，当取杆1为固定件时，即可得到1-23(b),(c)所示的导杆机构。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构(2)转动导杆机构如图1-24(a)所示为回转式液压泵，其中缸体4相当于导杆，当缸体4绕定轴A转动，构件2绕另一定轴B转动时，活塞3沿缸体相对移动。图1-24(b)为回转式液压泵转动导杆机构运动简图。因BCAB，当杆2整周回转时，杆4也作整周的回转，这种导杆机构称为转动导杆机构。(3)曲柄摇块机构如图1-25所示为牛头刨床中摆动导杆机构的应用实例。杆BC为主动件，作等速回转运动。可见摆动导杆机构具有急回特性。为实现滑枕作往复直线运动，在机架A处导杆的导槽中设置了一个滑块，使导杆在摆动时滑块能上下移动。下一页返回上一页1.1铰链四杆机构如图1-26所示为曲柄摇块机构在自卸装置中的应用实例。车厢(杆1)可绕车架(机架2)，活塞杆(导杆4)、液压缸(摇块3)可绕车架上的C点摆动，当液压缸中的活塞杆运动时，车厢绕B点转动，转到一定角度时货物自动卸下。(4)定块机构当取构件3为固定件时，此机构通常以杆1为主动件，杆1回转时，杆2绕C点摆动，杆4仅相对固定滑块作往复移动。图1-27所示手摇泵中的定块机构，当摇动手柄2时，活塞4便在缸体3中作往复移动，实现泵水的动作。上一页下一页返回1.1铰链四杆机构2.曲柄滑块机构简介曲柄滑块机构是由一个曲柄和一个滑块组成的平面四杆机构，其中的滑块是由曲柄摇杆机构中的摇杆演化而来的。当摇杆CD的长度趋向无穷大，原来沿圆弧作往复运动的C点变成沿直线作往复移动，也就是摇杆变成了沿导轨往复运动的滑块，曲柄摇杆机构就演化成如图1-28所示的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构在机械中应用广泛，图1-29所示为内燃机中的曲柄滑块机构。活塞(即滑块)的往复直线运动通过连杆转换成曲轴(即曲柄)的连续回转。上一页返回1.2凸轮机构1.2.1凸轮机构的特点及构成凸轮是具有曲线或曲面轮廓形状的构件，从动杆与凸轮始终保持直接接触，当凸轮运动时，迫使从动杆实现各种复杂的运动要求。如图1-30所示，凸轮机构是由凸轮1、从动杆2和机架3组成的。如图1-31所示为内燃机中控制气阀开闭的凸轮机构。它通过连续转动的凸轮的轮廓，驱动气阀杆往复移动，从而按预定的时间打开或关闭气阀，完成配气要求。弹簧的作用是使气阀组件紧贴凸轮的轮廓曲面。如图1-32所示为自动车床刀架进给机构。上一页下一页返回1.2凸轮机构1.2.2凸轮机构的基本类型1.从动件端部结构形式分类按从动件端部的结构形式不同可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件。(1)尖顶从动件，它的优点是结构简单、紧凑，可准确地实现任意运动规律，缺点是尖顶易于磨损，承载能力小，多用于传力小、速度低、传动灵敏的场合。(2)平底从动件如图1-33所示，这种从动件的优点是:从动件受力方向始终与底面垂直(不计摩擦时)，故受力比较平稳，在高速工作时，底面与凸轮间较易形成油膜，从而减少摩擦、磨损。上一页下一页返回1.2凸轮机构(3)滚子从动件如图1-34、图1-36、图1-37所示，这种从动件的滚子与凸轮作滚动摩擦，