第三章--平面连杆机构

1第三章平面连杆机构平面连杆机构是由若干构件和低副组成的平面机构，又称平面低副机构。这种机构可以实现预期的运动规律及位置、轨迹等要求。平面连杆机构用于各种机械中，常与机器的工作部分相连，起执行和控制的作用，在工程实际中应用十分广泛。平面连杆机构的主要优点有：1、低副为面接触，所以压强小，易润滑，磨损少，可以承受较大的载荷。2、构件结构简单，便于加工，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，故工作可靠。3、在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。其主要的缺点有：1、运动副中存在间隙，当构件数目较多时，从动件的运动累计误差较大。2、不容易精确地实现复杂的运动规律，机构设计相对复杂。3、连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的平面四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本章着重讨论平面四杆机构的基本形式及在实际中的应用，理解四杆机构的运动特性及设计平面四杆机构的基本设计方法。3.1平面连杆机构及其应用连杆机构有平面连杆机构和空间连杆机构。其中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构。若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由四个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可看成在此基础上依次增加杆件而组成。故本章着重介绍平面四杆连杆机构。3.1.1铰链四杆机构的类型所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。它是平面四杆机构的基本形式。如图3-1所示。图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，只能作往复摆动的构件称为摇杆。根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。1．曲柄摇杆机构。图3-1铰链四杆机构BCD21A342两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。如图3-2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，构成曲柄；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。如图3-3所示汽车刮雨器，随着电动机带着曲柄AB转动，刮雨胶板与摇杆CD一起摆动，完成刮雨功能。如图3-4所示搅拌器，随电动机带曲柄AB转动，搅拌爪与连杆一起作往复的摆动，爪端点E作轨迹为椭圆的运动，实现搅拌功能。2．双曲柄机构。两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。主动曲柄等速转动，从动曲柄一般为变速转动。如图3-5所示惯性筛，从动曲柄3与主动曲柄1的长度不同，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，实现功能。当两曲柄的长度相等且平行布置时，称平行双曲柄机构，如图3-6a）所示为正平行双曲柄机构，其特点是两曲柄转向相同和转速相等及连杆作平动，因而应用广泛。如图3-7a)所示为火车驱动轮联动机构就是利用了同向等速的特点。两曲柄长度相同，而连杆与机架不平行的铰链四杆机构，称为逆平行四边形机构，如图3-6b)所示。路灯检修车的载人升斗就是利用了这一特点，如图3-7b)所示。图3-2雷达天线调整机构图3-3汽车雨刮器图3-4搅拌机图3-5惯性筛图3-6平行双曲柄机构图3-7平行双曲柄机构的应用3图3-10铰链四杆机构3．双摇杆机构两根连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。如图3-8所示鹤式起重机吊臂，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能作水平移动而完成功能。图3-9所示为电风扇摇头机构，电动机外壳作为其中的一根摇杆AB，蜗轮作为连杆BC，构成双摇杆机构ABCD。蜗杆随扇叶同轴转动，带动BC作为主动件绕C点摆动，使摇杆AB带电动机及扇叶一起摆动，实现一台电动机同时驱动扇叶和摇头机构。3.1.2铰链四杆机构的曲柄存在条件和基本类型的判别铰链四杆机构的三种基本类型的区别在于机构中是否存在曲柄以及曲柄的个数。机构中是否存在曲柄与各构件相对尺寸的大小以及哪个构件作机架有关，同时还取决于各构件之间的长度。现以曲柄摇杆机构为例——分析有一个曲柄的条件。设图3-10所示的铰链四杆机构ABCD各杆的长度分别为a、b、c、d。先假定构件1为曲柄。由△B1C1D可得：a+d≤b+c(1)由△B2C2D可得：b-c≤d-ac-b≤d-a图3-8鹤式起重机吊臂结构原理图3-9电风扇摇头机构4图3-11ABCD亦即a+b≤c+d(2)a+c≤b+d(3)将(1)、(2)、(3)三式分别两两相加可得：（3.1）用同样的方法可以得到杆1能绕动副A相对于杆4作整周转动的条件：d+a≤b+c(4)d+b≤a+c(5)d+c≤a+b(6)(3.2)式(3.1)和(3.2)说明：组成整圈转动副A的两个构件中，必有一个为最短杆；式(1)，(2)，(3)和式(4)，(5)，(6)说明：该最短杆与最长杆的长度之和必小于或等于其余两构件的长度之和。1.铰链四杆机构中曲柄存在的条件条件一：最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称杆长和条件）；条件二：连架杆或机架中至少有一根是最短杆（简称最短杆条件）。2.铰链四杆机构基本类型的判别准则(1)满足条件一但不满足条件二的是双摇杆机构；(2)满足条件一而且以最短杆作机架的是双曲柄机构；(3)满足条件一而且最短杆为连架杆的是曲柄摇杆机构;(4)不满足条件一是双摇杆机构。例3-1如图3-11示：已知lBC=200mm，lCD=140mm，lAD=100mm，AD为固定件。（1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的值；（2）如果该机构能成为双曲柄机构，求lAB的值；（3）如果该机构能成为双摇杆机构，求lAB的值。解：（1）如果能成为曲柄摇杆机构，则机构必须满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且AB为最短杆”。则有lAB+lBC≤lCD+lAD代入各杆长度值，得lAB≤40mm（2）如果能成为双曲柄机构，则应满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆AD为最短杆”。则得：1）若BC为最长杆，即lAB≤200mm，则lBC+lAD≤lAB+lCDlAB≥160mm所以5160mm≤lAB≤200mm2）若AB为最长杆，即lAB≥200mm，则lAB+lAD≤lBC+lCDlAB≤240mm所以200mm≤lAB≤240mm将以上两种情况进行分析综合后，lAB的值应在以下范围内选取，即160mm≤lAB≤240mm(3)若能成为双摇杆机构，则应分两种情况分析。第一种情况：机构各杆件长度满足“杆长之和条件”，且连杆为最短杆；第二种情况：机构各杆件长度不满足“杆长之和条件”。在本题目中，AD已选定为固定件，则第一种情况不存在。下面就第二种情况进行分析。1）当lAB100mm，AB为最短杆，BC为最长杆lAB+lBClCD+lADlAB40mm即40mmlAB100mm2)当lAB∈[100，140）以及lAB∈[140，200)时，AD为最短杆，BC为最长杆，则lAD+lBClAB+lCDlAB160mm即100mm≤lAB160mm3）当lAB200时，AB为最长杆，AD为最短杆，则lAB+lADlBC+lCDlAB240mm另外，AB增大时，还应考虑到，BC与CD成伸直共线时，需构成三角形的边长关系，即lAB(lBC+lCD)+lADlAB440mm则240mmlAB440mm综合以上情况，可得lAB的取值范围为：mmlmmmmlmmABAB44024016040例3-2如图3-12，铰链四杆机构ABCD的各杆长度为：lAB=80mm，lBC=130mm，lCD=100mm，lAD=120mm。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，相应得到何种机构。解：分析题目给出铰链四杆机构知，AB为最短杆，BC为最长杆为BC，因为lAB+lBC=80mm+130mm=210mmmlCD+lAD=120mm+100mm=220mmlAB+lBClCD+lAD，满足杆长和条件。所以：若以AB为机架，因最短杆为机架，两连杆均为曲柄，所以得到双曲柄机构；若以BC或AD为机架，因最短杆为连架杆，且为曲柄，所以得到曲柄摇杆机构；若以CD为机架，因最短杆为连杆，不满足最短杆条件，无曲柄，所以得到双摇杆机构。图3-12ABCD63.2铰链四杆机构的演化由于各种工程实际的需要，所用四杆机构的型式是多种多样的。这些四杆机构可看作是由铰链四杆机构通过不同方法演化而来的，并与之有着相同的相对运动特性。下面介绍常见的铰链四杆机构的演化形式。3.2.1扩大转动副，使转动副变成移动副如图（a）所示曲柄摇杆机构中，当曲柄1转动时，摇杆3上C点的轨迹是绕D点转动的一段圆弧，当摇杆长度愈长时，C点的轨迹圆弧就愈平直。当摇杆为无限长时，这段圆弧将成为一条直线，这时可把摇杆做成滑块，转动副D将演化成移动副，这种机构称为曲柄滑块机构。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3-13b）所示为对心曲柄滑块机构，其导路通过曲柄转动中心；如图3-13c）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。H为滑块行程。由于对心曲柄滑块机构结构简单，受力情况好，故在实际生产中得到广泛应用。42ABC13He24AB13HCb）对心曲柄滑块机构c)偏置曲柄滑块机构图3-13曲柄滑块机构a)1234ABCD图3-14曲柄滑块机构的应用7曲柄滑块机构可将主动滑块的往复直线运动经连杆转换为从动曲柄的连续运动，应用于内燃机等发动机中；也可将主动曲柄的连续转动经连杆转变为从动滑块的往复直线运动，应用于往复式气体压缩机、往复式液体泵等机械中。如图3-14所示。3.2.2取不同的构件为机架1、摇块机构：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3-15a)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3-15b)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。2、定块机构：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3-16a)所示。图3-16b)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。3、导杆机构：如图3-13b)所示的对心曲柄滑块机构中，若将构件AB作为机架，构件BC作为曲柄，构件3沿连架杆4（即导杆）移动并作平面运动，所得的机构称曲柄导杆机构。如图3-17a)所示，l1≤l2，导杆4能作整周转动，称为曲柄转动导杆机构，常与其他构件组合，用于简易刨床、插床等机械中，如图3-17b）所示为简易刨床导杆机构。若l1l2，如图3-18a)所示，导杆4只能作摆动，称为曲柄摆动导杆机构，由于其传力性好，常与其他构件组合，用于插床、牛头刨床等机械中，如图3-18b)所示为牛头刨床的工作机构。3.2.3偏心轮机构图3-17曲柄转动导杆机构及应用a)b)图3-18曲柄摆动导杆机构及应用a)b)图3-15摇块机构及其应用图3-16定块机构及其应用8在曲柄摇杆机构中，当曲柄较短时，将曲柄端部的转动副的半径加大至超过曲柄的长度，曲柄变成一个偏心圆盘，其偏心距e即为原曲柄长。又如图3-19所示。图中构件1为偏心轮，偏心距e（轮的几何中心B点