第8章 常用机构 常用机构有平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构和变速、变向机构等。

第8章常用机构常用机构有平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构和变速、变向机构等。8.1平面连杆机构8.2凸轮机构8.3间歇运动机构8.4变速机构和变向机构8.5常用机构的观察与分析8.1.1运动副所谓运动副是使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接。根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副又可分为低副和高副。1．低副低副是指两构件之间作面接触的运动副。按两构件的相对运动情况，可分为：(1)转动副两构件在接触处只允许作相对转动。(2)移动副两构件在接触处只允许作相对移动。(3)螺旋副两构件在接触处只允许作一定关系的转动和移动的复合运动，低副的接触表面一般是平面或圆柱面，易制造和维修，承受载荷时的单位面积压力较小，较为耐用，传力性能好。但低副是滑动摩擦，摩擦大而效率较低。2．高副高副是指两构件之间作点或线接触的运动副。高副由于是点或线的接触，单位面积压力较大，构件接触处容易磨损，制造和维修困难，但高副能传递较复杂的运动，比较灵活，易于实现预定的运动规律。低副高副8.1.2铰链四杆机构的基本类型及其应用当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构。如图所示的铰链四杆机构中，杆4是固定不动的，称为机架。与机架相连的杆1和杆3称为连架杆，不与机架直接相连的杆2，称为连杆。如果杆1(或杆3)能绕铰链A(或铰链D)作整周的连续旋转，则此杆称为曲柄。如果不能作整周的连续旋转，而只能来回摇摆一个角度，则此杆就称为摇杆。铰链四杆机构铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的，因此可按曲柄存在情况，分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。1．曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中的两连架杆，如果一个为曲柄，另一个为摇杆，那么该机构就称为曲柄摇杆机构。取曲柄AB为主动件，当曲柄AB作连续等速整周转动时，从动摇杆CD将在一定角度内作往复摆动。由此可见，曲柄摇杆机构能将主动件的整周回转运动转换成从动件的往复摆动。剪刀机是通过原动机驱动曲柄转动，通过连杆带动摇杆往复运动，实现剪切工作。8.1.2铰链四杆机构的基本类型及其应用在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动经连杆转换为曲柄的连续旋转运动。在生产中应用很广泛。缝纫机的踏板机构，当脚踏板（相当于摇杆）作往复摆动时，通过连杆带动曲轴（相当于曲柄）作连续运动，使缝纫机实现缝纫工作。2．双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则该机构称为双曲柄机构。两曲柄可分别为主动件。惯性筛中，ABCD为双曲柄机构，工作时以曲柄AB为主动件，并作等速转动，通过连杆BC带动从动曲柄CD，作周期性的变速运动，再通过E点的联接，使筛子作变速往复运动。惯性筛就是利用从动曲柄的变速转动，使筛子具有一定的加速度，筛面上的物料由于惯性来回抖动，达到筛分物料的目的。曲柄摇杆机构剪刀机缝纫机踏扳机构8.1.2铰链四杆机构的基本类型及其应用双曲柄机构中，当两曲柄长度不相等时，主动曲柄作等速转动，从动曲柄随之作变速转动，即从动曲柄在每一周中的角速度有时大于主动曲柄的角速度，有时小于主动曲柄的角速度。双曲柄机构中，常见的还有平行双曲柄机构和反向双曲柄机构。双曲柄机构惯性筛（1）当两曲柄的长度相等且平行时，称为平行双曲柄机构。平行双曲柄机构的两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等（图a）。平行双曲柄机构应用很广，机车联动装置中，车轮相当于曲柄，保证了各车轮同速同向转动。此机车联动装置中还增设一个曲柄EF作辅助构件，以防止平行双曲柄机构ABCD变成为反向双曲柄机构。8.1.2铰链四杆机构的基本类型及其应用(2)当双曲柄机构对边都相等，但互不平行，则称其为反向双曲柄机构。反向双曲柄的旋转方向相反，且角速度也不相等。车门启闭机构中，当主动曲柄AB转动时，通过连杆BC使从动曲柄CD朝反向转过，从而保证两扇车门能同时开启和关闭。3．双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆时，则该机构称为双摇杆机构。在双摇杆机构中，两杆均可作为主动件。主动摇杆往复摆动时，通过连杆带动从动摇杆往复摆动。双摇杆机构在机械工程上应用也不少，汽车离合器操纵机构中,当驾驶员踩下踏板时，主动摇杆AB往右摆动，由连杆BC带动从动杆CD也向右摆动，从而对离合器产生作用。机车主动轮联动装置车门启闭机构8.1.2铰链四杆机构的基本类型及其应用载重车自卸翻斗装置中，当液压缸活塞向右伸出时，可带动双摇杆AB和CD向右摆动，从而使翻斗车内的货物滑下。起重机中，在双摇杆AB和CD的配合下，起重机能将起吊的重物沿水平方向移动，以省时省功。汽车离合器操纵机构起重机自卸翻斗机构8.1.3铰链四杆机构的曲柄存在条件从铰链四杆机构的三种基本形式可知，它们的根本区别在于连架杆是否为曲柄。而连架杆能否成为曲柄，则取决于机构中各杆的长度关系和选择哪个构件为机架有关。即要使连架杆成为能整周转动的曲柄，各杆必须满足一定的长度条件，这就是所谓的曲柄存在的条件。下图所示的曲柄摇杆机构，其中AB为曲柄，BC为连杆，CD为摇杆，AD为机架，它们的长度分别用a、b、c、d来表示，在AB转动一周中，曲柄AB与机架AD两次共线。借助这两个位置，可找出一些铰链四杆机构的几何关系。当连杆在B1点时，形成△B1C1D。根据三角形两边之和必大于第三边的定理，得b+cd+a①当连杆在B2点时，形成△B2C2D,得(d-a)+cb即d+cb+a②(d-a)+bc即d+bc+a③考虑到四杆位于同一直线时，则①②③可写成如下形式b+c≥d+a④d+c≥b+a⑤d+b≥c+a⑥将式④、⑤、⑥分别两两相加，则得c≥a,b≥a,d≥a，即AB杆为最短杆。曲柄摇杆机构8.1.3铰链四杆机构的曲柄存在条件在曲柄摇杆机构中，要使连架杆AB为曲柄，它必须是四杆中的最短杆，且最短杆与最长杆长度之和应小于其余两杆长度之和，考虑到更一般的情形，可将铰链四杆机构曲柄存在条件概括为：(1)连架杆与机架中必有一个最短杆；(2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。上述两条件必须同时满足，否则机构中无曲柄存在，根据曲柄条件，还可作如下推论：(1)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则可能有以下三种情况：①以最短杆的相邻杆为机架，则最短杆为曲柄，而与机架相连的另一杆为摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。②以最短杆为机架，则其相邻两杆均为曲柄，故该机构为双曲柄机构。③以最短杆相对杆为机架，则无曲柄存在，因此该机构为双摇杆机构。(2)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无论以哪一杆为机架，均为双摇杆机构。8.1.4铰链四杆机构的演化及其应用除了铰链四杆机构的上述三种形式外，人们还广泛采用其他形式的平面四杆机构。分析、研究这些平面四杆机构的运动特性可以发现：这些平面四杆机构是由铰链四杆机构通过一定途径演化而来的。1．偏心轮机构在图a所示的曲柄摇杆机构中，杆1为曲柄，杆3为摇杆，若将转动副的销钉B的半径逐渐扩大至超过曲柄的长度，便可得到如图b所示的机构，这时曲柄演变成一几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称偏心轮，该两轮中心之间的距离称为偏心距，它等于曲柄长。曲柄为偏心轮的机构称偏心轮机构。偏心轮机构一般多用于曲柄销承受较大冲击载荷或曲柄较短的机构，如剪床、冲床以及破碎机等。销钉扩大偏心轮的结构形式8.1.4铰链四杆机构的演化及其应用2．曲柄滑块机构在图a所示的曲柄摇杆机构中，杆1为曲柄，杆3为摇杆，若在机架上作一弧形槽，槽的曲率半径等于摇杆3的长度，把摇杆3改成弧形滑块，如图b所示，这样尽管把转动副改成了移动副，但相对运动的性质却完全相同。如果将圆弧形槽的半径增加到无穷大，则圆弧形槽变成了直槽，这样曲柄摇杆机构就演化成了偏置的曲柄滑块机构(图c)，图中P为曲柄中心A至直槽中心线的垂直距离，称偏心距。当时，称为对心曲柄滑块机构，常简称为曲柄滑块机构(图d)。因此，可以认为曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演化而来的。曲柄滑块机构在机械中应用十分广泛。如内燃机、搓丝机、自动送料装置以及压力机都是曲柄滑块机构。在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，可将曲柄的连续旋转运动，经连杆转换为从动滑块的往复直线运动，图所示的压力机，当曲柄连续旋转运动时，经连杆带动滑块实现加压工作；反之若滑块为主动件，经连杆转换为从动曲柄的连续旋转运动。曲柄摇杆机构的演化压力机8.1.4铰链四杆机构的演化及其应用3．导杆机构若将曲柄滑块机构（图1a）中的构件1作为机架，就演化成导杆机构（图1b）。导杆机构可分转动导杆机构和摆动导杆机构。（1）转动导杆机构图1b所示导杆机构，当时，机架1为最短杆，它的相邻杆2与导杆4均能绕机架作连续转动，故称为转动导杆机构（图2a）；图2b所示为插床机构，其中构件1、2、3、4组成转动导杆机构，工作时，导杆4绕A点回转，带动构件5及插刀6往复运动，实现切削。（2）摆动导杆机构图1b所示导杆机构，当时，机架1不是最短杆，它的相邻构件导杆4只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构（图3a）。图3b所示为刨床机构，其中构件1、2、3、4组成摆动导杆机构，工作时，导杆4绕A点摆动，带动构件5及刨刀6往复运动，实现刨削。图1导杆机构转动导杆机构摆动导杆机构8.1.4铰链四杆机构的演化及其应用4．定块机构若将曲柄滑块机构（图1）中的构件3作为机架，就演化成定块机构（图2a)，此机构中滑块固定不动。图2b所示的抽水机，就应用了定块机构。当摇动手柄1时，在杆2的支撑下，活塞杆4即在固定滑块3（唧筒作为静件）内上下往复移动，以达到抽水的目的。5．摇块机构若将曲柄滑块机构（图1）中的构件2作为机架，就演化成摇块机构（图3a)，此机构中滑块相对机架摇动。这种机构常应用于摆缸式内燃机或液压驱动装置。图3b所示的自卸翻斗装置，也应用了摇块机构。杆1（车厢）可绕车架2上的B点摆动。杆4（活塞杆），液压缸3（摇块）可绕车架上C点摆动，当液压缸中的压力油推动活塞杆运动时，迫使车厢绕B点翻转，物料便自动卸下。图1曲柄滑块机构图2定块机构图3摇块机构8.1.5平面四杆机构的运动特性1．急回特性图所示为曲柄摇杆机构，设等速转动的曲柄AB为主动件，它在回转一周的过程中，与连杆BC有两次共线位置ABl和AB2，此时从动件摇杆CD分别位于左、右两个极限位置ClD和C2D，其夹角称为摇杆的摆角。主动曲柄与连杆在两共线位置时所夹的锐角称为极位夹角。图1曲柄摇杆机构212211122121180180CCvttKvtCCt当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度是不同的，其空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种性质为机构的急回特性。为了表达这个特征的相对程度，设该值称为从动件的行程速比系数。K的大小表示急回的程度。由上式可知，K与θ有关，当θ=0时，K=1，说明该机构无急回特性；当θ0，则机构具有急回特性，θ越大，K值越大，急回特性越明显。θ与K的关系为11801KK8.1.5平面四杆机构的运动特性2．死点在曲柄摇杆机构中，如图所示，若取摇杆为主动件，当摇杆在两极限位置时，连杆与曲柄共线，通过连杆加于曲柄的力F经过铰链中心A，该力对A点的力矩为零，故不能推动曲柄转动，从而使整个机构处于静止状态。这种位置称为死点。平面四杆机构是否存在死点位置，决定于从动件是否与连杆共线。凡是从动件与连杆共线的位置都是死点。图1死点位置对机构传递运动来说，死点是有害的，因为死点位置常使机构从动件无法运动或出现运动不确定现象。如图1所示的缝纫机踏板机构（曲柄摇杆机构），当踏板CD为主动件并作往复摆动时，机构在两处有可能出现死点位置，致使曲柄AB不转或出现倒转现象。为了保证机构正常运转，可在曲柄轴上装飞轮，利用其惯性作用使机构顺利地通过死点位置。在工程上，有时也利用死点进行工作，如图2所示的铰链四杆机构中，就是应用死点的性质来夹紧工件的一个实例。当夹具通过手柄1，施加外力F使铰链的中心B、C、D处于同一条直线上时，工件2被夹紧，此时如将外力F去掉，也仍能可靠地夹紧工件，当需要松开工件时，则必