铰链四杆机构的常用机构

第二章常用机构学习目标1.了解和掌握铰链四杆机构的组成、基本类型及其特点和应用2.了解和掌握凸轮机构的组成、特点、分类、应用及其从动件常用运动规律3.了解棘轮机构和槽轮机构的组成、分类、特点和应用一、运动副使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接，称为运动副。在工程上，人们把运动副按其运动范围分为空间运动副和平面运动副两大类。在一般机器中，经常遇到的是平面运动副。平面运动副根据组成运动副的两构件的接触形式不同，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（图2—1），包括转动副、移动副和螺旋副。图2—12.高副无论是在生活中，还是在生产中，各种各样的机构都在为人们的生活和工作服务。例如，门窗、天平秤、铲土机、火车等高副是指两构件之间作点或线接触的运动副（图2—2）二、平面连杆机构平面连杆机构的各构件是用销轴、滑道（低副）等方式连接起来的，各构件间的相对运动均在同一平面或互相平行的平面内。最简单的平面连杆机构是由4个杆件组成的，简称平面四杆机构，其结构简单，易于制造，工作可靠，因此应用非常广泛。图2—3所示图2—2图2—3§2—1铰链四杆机构铰链（即转动副）的形式很多，机械设备中铰链的一般形式如图6—3所示；在日常生活中，门和家具上用的合叶（图2—4）也是铰链联接的具体应用。港口起重机吊运货物是利用平面连杆机构中的双摇杆机构实现的铲土机为了保证铲斗平行移动，防止泥土流出，采用了平面连杆机构图2—4铰链四杆机构在生活、生产和工作中广泛用于动力的传递或者改变运动的形式，例如公共汽车车门的开闭（图2—5）、汽车前窗刮雨器（图2—6）的运动等都是利用铰链四杆机构来完成工作任务的。公共汽车车门上安装了铰链四杆机构，通过杆件的联动，使两侧车门实现同时开启、同时关闭的运动。图2—5当有雨水或雾气聚集在汽车前挡玻璃上挡住驾驶员的视线时，开启汽车前窗刮雨器，雨刮在电动机的带动下就会左右摆动刮去雨水或雾气。雨刮为什么能将电动机的旋转运动转变为来回的摆动？这也是铰链四杆机构的作用。图2—6一、铰链四杆机构的组成如图2—7所示，由4个构件通过铰链（转动副）连接而成的平面机构，称为铰链四杆机构。右图为铰链四杆机构的简图。在该机构中，固定不动的4称为机架；与机架用转动副相连接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架相连接的杆2称为连杆。曲柄——如果连架杆能绕其回转中心做整周转动，则称为曲柄。摇杆——如果连架杆只能在一定角度内作摆动，则称为摇杆。图2—74—机架1,3—连架杆2—连杆二、铰链四杆机构的基本类型对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，按照曲柄的存在情况，分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。1、曲柄摇杆机构及其应用两连架杆中一个为曲柄、另一个为摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构，如图2—8所示图2—8曲柄摇杆机构曲柄AB为主动件，逆时针等速转动。当曲柄AB的B端从B点回转到B1点时，从动件摇杆CD的C端从C点逆时针摆动到C1点，而当B端从B1点回转到B2点时，C端从C1点顺时针摆动到C2点。当B端继续从B2点回转到B1点时，C端将从C2点逆时针摆回到C1点。C1，C2两个位置是摇杆摇摆的两个极限位置。曲柄摇杆机构的主要作用是将主动件AB的整周回转运动转换成摇杆CD的往复摆动，曲柄AB是主动件并做匀速回转，摇杆CD是从动件做变速往复摆动。曲柄摇杆机构的应用如图2—9所示曲柄摇杆机构的应用举例图示简图曲柄AB为主动件且均匀转动，通过连杆BC带动摇杆CD作往复摆动，摇杆延伸端实现剪板机上刃口的开合剪切动作曲柄1转动，通过连杆2使固定在摇杆3上的天线作一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角主动曲柄AB回转，从动摇杆CD作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮水动作踏板（相当于摇杆）为主动件，当用脚踩踏板时。通过连杆BC使带轮（相当于曲柄）作整周转动图2—92、双曲柄机构及其应用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—10所示图2—10不等长双曲柄机构曲柄AB为主动件，当主动曲柄AB匀速顺时针回转180°到AB1位置时，从动曲柄CD顺时针回转到C1D，转过角度，主动曲柄AB继续再匀速回转180°，从动曲柄CD转过角度为，显然。双曲柄机构的运动特点是主动曲柄匀速回转一周，从动曲柄随之变速回转一周。图2—10所示的双曲柄机构中两曲柄长度不相等，，称为不等长双曲柄机构，其应用如图2—11所示的惯性筛图示简图主动曲柄AB作匀速转动，从动曲柄CD作变速转动，通过构件CE使筛子产生变速直线运动，筛子内的物料因惯性而来回抖动图2—11惯性筛双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等且转向相同，则称为平行双曲柄机构，如图2—12图2—12平行双曲柄机构平行双曲柄机构的应用如图2—13所示的天平图示简图利用平行双曲柄机构中两曲柄的转向和角速度均相同的特性，保证两天平盘始终处于水平状态。图2—13天平平行双曲柄机构在运动过程中，主动曲柄AB（图2—12）转动一周，从动曲柄CD将会出现两次与连杆BC共线位置，这样会造成从动曲柄CD运动的不确定现象，（即CD可能顺时针转，也可能逆时针转而变成反向双曲柄机构）。为避免这一现象的发生，可用增设辅助机构方法来解决。图2—14所示为机车主动轮联动装置。，它是增设了一个曲柄EF的辅助构件，以防止平行双曲柄机构ABCD变为反向双曲柄机构。图2—14机车主动轮联动装置两曲柄选转方向相同，角速度相等在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，但曲柄转向不同，称为反向双曲柄机构（图2—15）图2—15反向双曲柄机构反向双曲柄机构的应用如图2—16所示的车门开闭机构图示简图两曲柄的转向相反，角速度也不相同。牵动主动曲柄AB的延伸端E，能使两扇车门同时开启或关闭图2—163、双摇杆机构及其应用两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，如图2—17所示图2—17双摇杆机构的应用如图2—18所示图示简图当摇杆AB摆动时，摇杆CD随之摆动，可使吊在连杆BC上点E处的重物G作近似水平移动这样可避免重物在平移时产生不必要的升降，减少能量消耗汽车前轮转向机构中，两摇杆的长度相等，当汽车直线行驶时，机构保持为等腰梯形；当汽车转弯时，两摇杆摆过不同的角度，使两前轮同时转动。两曲柄旋转方向相反，角速度不相等机构中两摇杆可以分别为主动件，当连杆与摇杆共线时（即B1C1D与C2B2A）为机构两极限位置飞机着陆前，着陆轮须从机翼（机架）中推放至图中位置，AB与BC共线。飞机起飞后，为了减小飞行中的空气阻力，又须将着陆轮收回机翼中。上述动作由主动摇杆AB通过连杆BC驱动从动摇杆CD带动着陆轮实现图2—18三、铰链四杆机构的基本性质我们已经研究了铰链四杆机构的组成，了解了机架、连杆、曲柄和摇杆的定义和相互之间的关系。如果改变它们之间的某一尺寸或者位置关系，那么它们的结构性质就会发生变化，就会转化成另外一种性质的铰链四杆机构。下面我们就来研究铰链四杆机构的基本性质。1、曲柄存在的条件从上述铰链四杆机构的三种基本形式中可知，它们的根本区别就在于连架杆是否为曲柄，曲柄的存在条件为：1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。2）最短杆为机架或连架杆。根据曲柄存在的条件，可得出铰链四杆机构基本类型的判别方法。1）当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时：（1）若最短杆为连架杆，则机构为曲柄摇杆机构。（2）若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构。（3）若最短杆为连杆，则机构为双摇杆机构。2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构.2.急回特性工作行程：DC1到DC2的过程空回行程：DC2到DC1的过程工作行程和空回行程摇杆的摆角相同，曲柄AB的转角=180°+θ=180°-θ图2—19曲柄摇杆机构图2—19所示为曲柄摇杆机构，曲柄AB为主动件，当曲柄旋转一周时，在AB1和AB2两位置上与连杆BC共线，同时摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D,其夹角为摇杆的摆角。曲柄与连杆两次共线位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。设从动件摇杆CD工作行程所需时间为，C点的平均速度为，曲柄AB从B1转至B2的转角为，则=C1C2/.又设从动杆摇杆CD空回行程所需时间为，C点的平均速度为，曲柄AB从B2转回至B1的转角为，则=C2C1/.因为曲柄AB是以等角速度旋转，所以t=/ω，故,从而.上述分析表明，摇杆在返回过程中运动较快，即机构具有急回特性。知识拓展：急回特性当曲柄作等速转动时，摇杆空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种性质称为机构的急回特性。急回特性用急回特性系数K表示：K====θ=180°当θ=0°，K=1时，机构无急回特性。当θ0°,机构有急回特性，且θ越大，急回特性越显著。3.死点位置在图2—20所示的曲柄摇杆机构中，设摇杆CD为主动件，曲柄AB为从动件，当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲柄在一条直线上。这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，此力对A点不产生力矩。所以不能使构件AB转动而出现“顶死”或者运动不确定状态（即工作件在该位置可能反向转动），这个位置称为死点位置。图2—20图2—21为了使机构能够顺利地通过死点，继续正常运转，可以采用机构错位排列的办法，即将两组以上的机构组合起来，而使各组机构的死点相互错开（如图2—21所示的蒸汽机车车轮联动机构，就是由两组曲柄滑块机构EFG与E¹F¹G¹组成的，而两者的曲柄位置相互错开90°）；也常采用加大惯性的办法，借惯性作用使机构闯过死点。“死点”位置是有害的，但在某些场合却利用“死点”来实现工作要求。图2—22所示的飞机起落架机构，在机轮放下时，杆BC与杆CD成一直线，机构出于死点，此时虽然机轮上可能受到很大的力，起落架不会反转（折回），使降落更加可靠。图2—22飞机起落架机构图2—23所示的钻床工件夹紧机构，也是利用机构的死点进行工作的，当工件夹紧后，BCD成一直线，机构处于死点位置，将工件紧紧压住，保证在钻削加工时，工件不会松脱。图2—23§2—2凸轮机构凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置中。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。一、凸轮机构的组成、特点图2—24所示，凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复移动。与凸轮轮廓接触的构件一般作往复直线运动或摆动，称为从动杆。凸轮机构的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，只要根据从动件的运动规律就可以设计出凸轮的轮廓曲线。图2—24二、凸轮机构的类型由于凸轮的形状和从动杆的结构形式、运动方式不同，所以凸轮机构有不同的类型。1.按照凸轮的形状分类按照凸轮的几何形状分为三种：盘形凸轮、圆柱凸轮、移动凸轮和圆锥凸轮。如图2—25所示凸轮形状图例运动特点凸轮的最基本形式，是一个绕固定轴转动且径向尺寸变化的盘形构件，其轮廓盘形凸轮曲线位于外缘处，当凸轮转动时，可使从（圆盘凸轮）动杆在垂直平面内运动。结构简单，应用最为广泛，但从动杆的行程不能太大，多用于行程较短的场合盘形凸轮回转中心趋向无穷远时就变移动凸轮移动凸轮，可以相对机架作往复直线移动（板状凸轮）凸轮移动时，可推动从动杆得到预定要求的运动。在圆柱端面上做出曲线轮廓或者在圆柱面上开有曲线凹槽，从动圆柱凸轮杆一端顶在端面上或夹在凹槽中，当凸轮转动时从动杆沿端面或沟槽作直线往复运动或摆动。这种凸轮与从动杆的运动不在同一平面内，因此是一种空间凸轮，可以使从动杆得到较大的行程。主要适用于行程较大的机械。圆锥凸轮在圆锥表面上制成合乎要求的封闭曲线槽使从动杆沿一倾斜导轨移动。图2—252.按照从动杆的运动方式分类按照从动杆的运动方式由分为移动和摆动两种，如图2—26所示移动（直动）从动杆凸轮机构摆动从动杆凸轮机构图2—263.按照从动杆的端部结构形式分按照从动杆的端部结构分为尖顶式从