[精品資料]本科資料鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性

本科生畢業(yè)論文 鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性目 錄 摘要1關(guān)鍵詞1 1鉸鏈四連桿機構(gòu)的基本形式和特征2 1.1曲柄搖桿機構(gòu)2 1.1.1急回運動3 1.1.2壓力角和傳動角4 1.1.3死點位5 1.2 雙曲柄機構(gòu)6 1.3 雙搖桿機構(gòu)6 1.4鉸鏈四連桿機構(gòu)的特征7 2鉸鏈四桿機構(gòu)的演化8 2.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件8 2.2鉸鏈四桿機構(gòu)的演化9 3鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動分析10 3.1運動分析的目的和方法10 3.2用速度瞬心法對平面機構(gòu)作速度分析1033 平面機構(gòu)運動分析的解析法13 4結(jié)論14參考文獻15 致謝15鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性分析學 生：謝賢能指導老師：李紅梅(中南大學信息科學與工程學院，長沙 410128) 摘 要：在各種機構(gòu)型式中，連桿機構(gòu)的特點表現(xiàn)為具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和多種多樣的特性。僅就平面連桿機構(gòu)而言，即使其連桿件數(shù)被限制在很少的情況下，大量的各種可能的結(jié)構(gòu)型式在今天仍難以估計。它們的特性在每一方面是多種多樣的，以致只能將其視為最一般形式的機械系統(tǒng)。本文對鉸鏈四連桿機構(gòu)運動進行了分析，從而用以設(shè)計。關(guān)鍵詞：鉸鏈四連桿機構(gòu)；曲柄搖桿；雙曲柄；雙搖桿；急回運動；等 第1頁一、 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式和特性 構(gòu)件間用四個轉(zhuǎn)動副相連的平面四桿機構(gòu)簡稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖1-1。其中固定不動的桿1稱為機架；與機架相連的桿2和桿4稱為連架桿；不與機架相連的桿3稱為連桿。在連架桿中能繞固定軸線整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為曲柄，只能在某一角度范圍內(nèi)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。圖1-1 鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)可分：曲柄搖桿機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu) 雙搖桿機構(gòu)（一）曲柄搖桿機構(gòu)在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿，則此鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。圖1-2所示為調(diào)整雷達天線俯仰角的曲柄搖桿機構(gòu)。曲柄1緩慢地勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿2使搖桿3在一定的角度范圍內(nèi)搖動，從而調(diào)整天線俯仰角的大小。圖1-2 雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)第2頁下面詳細討論曲柄搖桿機構(gòu)的一些主要特性：1 急回運動如圖1-3所示為一曲柄搖桿機構(gòu)，其曲柄AB在轉(zhuǎn)動一周的過程中，有兩次與連桿BC共線。這兩個位置，鉸鏈中心A與C之間的距離AC1和AC2分別為最短和最長，因而搖桿CD的位置C1D和C2D分別為兩個極限位置。搖桿在兩極限位置間的夾角y稱為搖桿的擺角。圖1-3 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性 當曲柄由位置AB1順時針轉(zhuǎn)到位置AB2時，曲柄轉(zhuǎn)角j1=180+q，這時搖桿由極限位置C1D擺到極限位置C2D，搖桿擺角為y；而當曲柄順時針再轉(zhuǎn)過角度j2=180-q時，搖桿由位置C2D擺回到位置C1D，其擺角仍然是y 。雖然搖桿來回擺動的擺角相同，但對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角卻不等(j1j2);當曲柄勻速轉(zhuǎn)動時,對應(yīng)的時間也不等(t1t2)，這反映了搖桿往復擺動的快慢不同。令搖桿自C1D擺至C2D為工作行程，這時鉸鏈C的平均速度是V1=C1C2/t1；擺桿自C2D擺回至C1D為空回行程，這時C點的平均速度是V2=C1C2/t2，V1V2，表明搖桿具有急回運動的特性。牛頭刨床、往復式運輸機等機械利用這種急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。急回運動特性可用行程速比系數(shù)K表示，即 （1-1） 式中，q為搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角為極位夾角。將上式整理后，可得極位夾角的計算公式： （1-2）由以上分析可知：極位夾角q越大，K值越大，急回運動的性質(zhì)也越顯著。但機構(gòu)運動的平穩(wěn)性也越差。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)其工作要求，恰當?shù)剡x擇K值，在一般機械中1K2。第3頁2壓力角和傳動角在生產(chǎn)實際中往往要求連桿機構(gòu)不僅能實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律，而且希望運轉(zhuǎn)輕便、效率高。圖1-4所示的曲柄搖桿機構(gòu)，如不計各桿質(zhì)量和運動副中的摩擦，則連桿BC為二力桿，它作用于從動搖桿3上的力P是沿BC方向的。作用在從動件上的驅(qū)動力P 與該力作用點絕對速度vc之間所夾的銳角a稱為壓力角。由圖可見，力P在vc方向的有效分力為Pt=Pcosa，它可使從動件產(chǎn)生有效的回轉(zhuǎn)力矩，顯然Pt越大越好。而P在垂直于vc方向的分力Pn=Psina則為無效分力，它不僅無助于從動件的轉(zhuǎn)動，反而增加了從動件轉(zhuǎn)動時的摩擦阻力矩。因此，希望Pn越小越好。由此可知，壓力角a越小，機構(gòu)的傳力性能越好，理想情況是a=0，所以壓力角是反映機構(gòu)傳力效果好壞的一個重要參數(shù)。一般設(shè)計機構(gòu)時都必須注意控制最大壓力角不超過許用值。圖1-4 壓力角與傳動角在實際應(yīng)用中，為度量方便起見，常用壓力角的余角來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞，稱為傳力角。顯然值越大越好，理想情況是=90度。由于機構(gòu)在運動中，壓力角和傳動角的大小隨機構(gòu)的不同位置而變化。角越大，則越小，機構(gòu)的傳動性能越好，反之，傳動性能越差。為了保證機構(gòu)的正常傳動，通常應(yīng)使傳動角的最小值min大于或等于其許用值g。一般機械中，推薦g=40度50度。對于傳動功率大的機構(gòu)，如沖床、顎式破碎機中的主要執(zhí)行機構(gòu)，為使工作時得到更大的功率，可取min=40度50度。對于一些非傳動機構(gòu)，如控制、儀表等機構(gòu)，也可取min40度，但不能過小?？梢圆捎靡韵路椒▉泶_定最小傳動角gmin。由圖4-5中ABD和BCD可分別寫出BD2=l12+l42-2l1l4cosBADBD2=l22+l32-2l2l3cosBC4由此可得第4頁當=0度和180度時，cos=+1和-1，角BCD分別出現(xiàn)最小值角BCD（min）和最大值角BCD(max)（見圖1-4）。如上所述，傳動角是用銳角表示的。當角BCD為銳角時，傳動角=角BCD，顯然，角BCD(min)也即是傳動角的最小值；當角BCD為鈍角時，傳動角應(yīng)以=180度-角BCD 來表示，顯然，角BCD(max)對應(yīng)傳動角的另一極小值。若角BCD由銳角變成鈍角，則機構(gòu)運動過程中，將在角BCD(min)和角BCD(max)位置兩次出現(xiàn)傳動角的極小值。兩者中較小的一個即為該機構(gòu)的最小傳動角min。3死點位置對于圖1-4所示的曲柄搖桿機構(gòu)，如以搖桿3 為原動件，而曲柄1 為從動件，則當搖桿擺到極限位置C1D和C2D時，連桿2與曲柄1共線，若不計各桿的質(zhì)量，則這時連桿加給曲柄的力將通過鉸鏈中心A，即機構(gòu)處于壓力角=90度（傳力角=0度）的位置，此時驅(qū)動力的有效力為0。此力對A點不產(chǎn)生力矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。死點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。出現(xiàn)死點對傳動機構(gòu)來說是一種缺陷，這種缺陷可以利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)的慣性或添加輔助機構(gòu)來克服。但在工程實踐中，有時也常常利用機構(gòu)的死點位置來實現(xiàn)一定的工作要求，如圖4-6所示的工件夾緊裝置，當工件5需要被夾緊時，就是利用連桿BC與搖桿CD形成的死點位置，這時工件經(jīng)桿1、桿2傳給桿3的力，通過桿3的傳動中心D。此力不能驅(qū)使桿3轉(zhuǎn)動。故當撤去主動外力P后，在工作反力N的作用下，機構(gòu)不會反轉(zhuǎn)，工件依然被可靠地夾緊。圖1-5 利用死點夾緊工件的夾具第5頁（二） 雙曲柄機構(gòu)在四桿機構(gòu)中,除機架和連桿外,其余兩構(gòu)件均為曲柄。 應(yīng)用舉例:A.攝影平臺升降機構(gòu)( 圖1-6平行四邊形機構(gòu)). B.慣性篩。( 圖1-7平行四邊形機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu)). C.機車車輪聯(lián)動機鉤。（圖1-8） D.車門開閉機構(gòu)。(反平行四邊機構(gòu)) E.天平。(天平盤保持水平)運動轉(zhuǎn)變:勻速轉(zhuǎn)動急回特性的運動. （圖1-6） (圖1-7) （圖1-8）（三） 雙搖桿機構(gòu)兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。應(yīng)用舉例: A.翻臺式造型機. B.鶴式起重機的變幅機構(gòu).（圖1-9） C.汽車前輪轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。(等腰梯形機構(gòu))近似純滾動，減磨。（圖1-10） D.風扇搖頭機構(gòu). （圖1-9） （圖1-10）第6頁(四) 鉸鏈四桿機構(gòu)的特點鉸鏈四桿機構(gòu)具有如下特點：(1) 鉸鏈四桿機構(gòu)是低副機構(gòu)，構(gòu)件間的相對運動部分為面接觸，故單位面積上的壓力較小。并且低副的構(gòu)造便于潤滑，摩擦磨損較小，壽命長，適于傳遞較大的動力。如動力機械、鍛壓機械等都可采用。(2) 兩構(gòu)件的接觸面為簡單幾何形狀，便于制造，能獲得較高精度。(3) 構(gòu)件間的相互接觸是依靠運動副元素的幾何形狀來保證，無需另外采取措施。(4) 運動副中存在間隙，難以實現(xiàn)從動件精確的運動規(guī)律,第7頁二、鉸鏈四桿機構(gòu)的演化 （一） 鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件在鉸鏈四桿機構(gòu)中，有四個轉(zhuǎn)動副和四個桿，為什么連架桿能作整周旋轉(zhuǎn)（曲柄），有時就不能作整周旋轉(zhuǎn)（搖桿）呢？這主要是因為四桿的相對桿長能約束連架桿是否能整周旋轉(zhuǎn)或只作擺動的緣故。它們存在什么樣的規(guī)律呢？設(shè)：ABa， BCb， CDc， ADd連架桿 連桿 連架桿 機架將B副拆開后，1桿上B1點： 在以A為圓心，a為半徑的圓上。2桿上B2點，在以D為圓心，（bc）為半徑之內(nèi) （cb）為半徑之外 的圓環(huán)區(qū)域H內(nèi)。當B1軌跡全在區(qū)域H內(nèi)，B1和B2有公共點，1構(gòu)件能整周旋轉(zhuǎn)曲柄存在。當B1軌跡超出H域，則表明超出部分B1和B2沒有公共點，則B副必須拆開，即1桿不能整周旋轉(zhuǎn)曲柄不存在。例如圖中部分軌跡EFG和EFG已超出H區(qū)域。當然最危險的位置是F和F，越出范圍最大。如果F和F點1構(gòu)件都能通過，則其余各點必能通過。所以1構(gòu)件整周旋轉(zhuǎn)最危險點在構(gòu)件AB和機架AD共線：拉直或重疊欲使B1軌跡全部在H內(nèi)，即使F和F全在H內(nèi)，則：拉直：adbc (2-1)重疊：|d-a|c-b| （2-2) 用絕對值表明：da，也可ad cb，也可bcd+adb+cad-acc-bbAbDBCacFFB2CEEGGHB2B1軌跡B2最內(nèi)軌跡B2最外軌跡B1B2第8頁1）當da，bc時，則（22）式，dabc a+bdc （23a） da，cb，則（22）式 dacb dbac a+cbd (2-3b) 將（21），（23a），（23b）分別相加得： ac ab ad (2-4) (a 最短)2）當ad bc 則（22） adbc d+ba+c (2-5a) ad cb 則（22） adcb d+ca+b (2-5b) d+ab+c (2-1)(3-1), (2-5a), (2-5b)分別兩兩相加得： dc db da結(jié)論：曲柄存在條件：1） 連架桿與機架中必有一桿為四桿中最短桿。（最短桿是連桿不行）2） 最短桿與最長桿桿長之和小于或等于其余兩桿之和（稱為桿長和條件）另外，點出曲柄搖桿機構(gòu)。引導學生觀察出最短桿和相鄰的桿組成的兩個轉(zhuǎn)動副是“周轉(zhuǎn)副”，而四副中另兩個副只是擺動副。上節(jié)中知，取不同構(gòu)件為機架時，可得三種不同形式的基本機構(gòu)，道理在于最短桿帶的兩個副是周轉(zhuǎn)副而另兩個不是。曲柄存在條件的具體應(yīng)用：1） 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，當最短桿加最長桿其余兩桿之和2） 當不符合桿長和條件，則機構(gòu)只能是雙搖桿機構(gòu)應(yīng)當注意：四桿機構(gòu)是封閉形，故最長桿其余三桿之和，否則，將有一處開裂，不成封閉形。（二）鉸鏈四桿機構(gòu)的演化演化原則：不改變構(gòu)件間的相對運動狀況，而只可改變構(gòu)件形狀或絕對運動。1轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副2取不同構(gòu)件為機架：3變換構(gòu)件的形態(tài)4擴大轉(zhuǎn)動副尺寸。第9頁三、鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動分析（一）運動分析的目的和方法1.目的：不考慮外力及構(gòu)件變形的影響。 運動分析：研究在已知原動件的運動規(guī)律的條件下，分析機構(gòu)中其余各構(gòu)件上各點的位移/軌跡（角位移），速度（角速度），加速度（角加速度）。 位移s（軌跡）/角位移 a ：所占空間，行程，能否實現(xiàn)軌跡點。如攪拌機構(gòu) 速 度v / 角速度v ：如牛頭刨床刨刀速度。也是加速度分析的基礎(chǔ)。加速度a / 角加速度：以便求慣性力。2.方法： 速度瞬心法 圖解法： 優(yōu)點：形象，直觀，簡單。缺點：精度低，繁瑣 相對速度圖解法 解析法：建?？焖伲雀撸〝?shù)學工具，計算技術(shù)）。 實驗法 （二）用速度瞬心法對平面機構(gòu)作速度分析應(yīng)用于少構(gòu)件機構(gòu)。如：凸輪，齒輪，平面連桿機構(gòu)等。1.速度瞬心法及其在機構(gòu)中的數(shù)目：速度瞬心：相對作平面運動的兩構(gòu)件上瞬時相對速度等于零的點或者說絕對速度相等的點（即等速重合點）稱為速度瞬心。Pij構(gòu)件i 與構(gòu)件j的瞬心。 絕對瞬心：絕對速度為零的瞬心。速度瞬心 相對瞬心：絕對速度不為零的瞬心。速度瞬心在機構(gòu)中的數(shù)目： K = Cm2 = （3-1） K機構(gòu)中速度瞬心的數(shù)目 m機構(gòu)中構(gòu)件數(shù)（含機架）第10頁2.機構(gòu)中瞬心位置的確定法：（1）定義法： 瞬心方向和速度方向當兩構(gòu)件1，2直接相聯(lián)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副時，轉(zhuǎn)動中心即為該兩構(gòu)件的瞬心P12。當兩構(gòu)件1，2構(gòu)成移動副時，構(gòu)件1上各點相對于構(gòu)件2的速度均平行于移動副導路，故瞬心P12必在垂直導路方向上的無窮遠處。當兩構(gòu)件以平面高副相聯(lián)接時：當兩構(gòu)件作純滾動時，接觸點相對速度為0，故接觸點為瞬心P12。 當兩構(gòu)件作既滾又滑時，速度方向沿切方向，瞬心P12位于過接觸點的公法線上。（2）三心定理法： 三心定理：三個做平面運動的構(gòu)件，它們的三個瞬心必在同一條直線上。 K=C32=（32）/2=3 圖3-1 證明：P13，P23 絕對瞬心重合點K（找的瞬心點） Vk1和P13K1 , V k2 和P23K3 Vk1 和Vk2 方向不同 要使其方向相同，K必在P13 ,P23 連線上。 即P12 , P13 , P23 共線 3.速度瞬心在平面機構(gòu)速度分析中的應(yīng)用舉例（1） 平面四桿機構(gòu) l= 構(gòu)件實際長度(m) / 圖紙上構(gòu)件的長度(mm) 鉸鏈四桿機構(gòu)： 已知：各桿長度及1 求： 所有瞬心、3 解：（如圖）P14 ，P12 ， P23 ， P34 用三心定理P24 ，P13 1 P14P13l =3P34 P13l 3= (P14P13 / （P34P13）) 1 第11頁推論：在多桿機構(gòu)中，不直接接觸的兩構(gòu)件i , j 的瞬心在包含該二構(gòu)件（i , j）的兩組3構(gòu)件瞬心連線的交點上。曲柄滑塊機構(gòu)： 已知：各構(gòu)件尺寸及1 求： V3及各瞬心 解： V3=Vp13=1P14P131（2） 凸輪機構(gòu)： 已知：各構(gòu)件尺寸及1求：V2及各瞬心 解：各瞬心如圖 C32 = 32/ 2 =3 V2=Vp12 =1P13P121 圖3-39第12頁. 4.速度瞬心法在速度分析中的優(yōu)缺點：（1） 優(yōu)點：對四桿機構(gòu)和平面高副速度分析方便。（2） 缺點：對多桿機構(gòu)太繁 精度低（圖解法1需要量尺寸） 不能進行a分析。（三）平面機構(gòu)運動分析的解析法 1. 位移分析2. 速度分析3. 加速度分析第13頁四、結(jié)束語本文主要介紹了以下幾個問題 1