平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).doc

山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕工分院畢業(yè)論文平面四桿機(jī)構(gòu)的演化與應(yīng)用教學(xué)系專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名指導(dǎo)老師姓名山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院二零一一年十二月十日引言我們現(xiàn)在對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年的歷史，目前仍在繼續(xù)擴(kuò)展和深入。全國(guó)的第三屆機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)上關(guān)于平面四桿機(jī)構(gòu)的論文只有8篇，涉及設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分析、輪廓的綜合的四個(gè)研究方向。到第六次會(huì)議，已有平面四桿機(jī)構(gòu)方面的論文20篇，增加了動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究方向。到第七屆會(huì)議，又增加了cad/cam、誤差分析等研究方向。近幾年，對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)方面的研究又不斷深入，并發(fā)表了一系列論文，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的共軛曲面原理、專家系統(tǒng)等方面也有了相當(dāng)?shù)难芯俊，F(xiàn)在平面四桿機(jī)構(gòu)已經(jīng)在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、紡織機(jī)械、交通運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、印刷機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文從傳播平面四桿機(jī)構(gòu)基本知識(shí)出發(fā)，介紹了平面四桿機(jī)構(gòu)的工作原理、演化機(jī)制及其相關(guān)計(jì)算。1.1與平面四桿機(jī)構(gòu)相關(guān)的概念為了分析機(jī)構(gòu)的組成以及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件，必須首先研究機(jī)構(gòu)間的連接形式，即運(yùn)動(dòng)副。按照接觸形式，通常把運(yùn)動(dòng)副分為高副和低副。兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為高副，兩構(gòu)件通過(guò)面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。平面機(jī)構(gòu)的低副又有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，若組成運(yùn)動(dòng)的兩構(gòu)件只能在平面內(nèi)相對(duì)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)副稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副（或稱為鉸鏈），若組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件只能沿某一軸線相對(duì)移動(dòng)，則稱為移動(dòng)副。機(jī)構(gòu)中的機(jī)構(gòu)分為機(jī)架、主動(dòng)件和從動(dòng)件三類，實(shí)際構(gòu)件的外形和結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了是問(wèn)題簡(jiǎn)單化，僅有簡(jiǎn)單的線條和符號(hào)來(lái)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，這種說(shuō)明機(jī)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)圖，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度，在平面機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件只作平面運(yùn)動(dòng)，所以，每一個(gè)自由構(gòu)件具有3個(gè)自由度。兩個(gè)以上的構(gòu)件同時(shí)在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接就構(gòu)成了復(fù)合鉸鏈。在有些機(jī)構(gòu)中，某些構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運(yùn)動(dòng)，并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，這種局部運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度，在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)略去不計(jì)。機(jī)構(gòu)中與其他約束重復(fù)而對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起新的限制作用的約束，稱為虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將其除去不計(jì)。虛約束對(duì)運(yùn)動(dòng)雖然不起作用，但可以增強(qiáng)構(gòu)件的剛性和使構(gòu)件受力均衡。在機(jī)構(gòu)中，固定件為機(jī)架，與機(jī)架相連的叫連架桿，與機(jī)架相對(duì)的叫連桿。在連架桿中，能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的叫曲柄，在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的叫搖桿，若組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件能作整周相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則該轉(zhuǎn)動(dòng)副叫整轉(zhuǎn)副，不能作整周相對(duì)運(yùn)動(dòng)的則成為擺動(dòng)副。1.2平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型根據(jù)連架桿的運(yùn)動(dòng)方式不同，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為以下三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。1.2.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，若兩個(gè)連架桿中一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)叫曲柄連桿機(jī)構(gòu)，在這種機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄為主動(dòng)件，搖桿為從動(dòng)件，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)。此種機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，如圖所示雷達(dá)天線俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)。當(dāng)搖桿為主動(dòng)件時(shí)，曲柄為從動(dòng)件，將主動(dòng)件的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)曲柄的整周轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示的腳踏砂輪機(jī)機(jī)構(gòu)。1.2.2雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，若兩連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。主動(dòng)曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)曲柄一般為變速轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1-3所示插床六桿機(jī)構(gòu)是以雙曲柄機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)擴(kuò)展而成的。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中有一種特殊機(jī)構(gòu)，連桿與機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度相等、兩個(gè)曲柄長(zhǎng)度相等且轉(zhuǎn)向相同的曲柄機(jī)構(gòu)，稱為平行四邊行機(jī)構(gòu)，由于這種機(jī)構(gòu)兩曲柄的角速度始終保持相等，且連桿始終保持平動(dòng)，因此應(yīng)用較廣泛，如圖所示的天平機(jī)構(gòu)。平面四邊行機(jī)構(gòu)有以下三個(gè)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：1.兩曲柄轉(zhuǎn)速相等如圖所示的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)就是利用平行四邊行機(jī)構(gòu)的這一特性。2.連桿始終與機(jī)架平行如圖所示的天平機(jī)構(gòu)，始終保證天平1、2處于水平位置。3.運(yùn)動(dòng)的不確定性如圖所示，在平行四邊形機(jī)構(gòu)中，當(dāng)兩曲柄轉(zhuǎn)至與機(jī)架共線位置時(shí)，主動(dòng)曲柄ab繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，例如到達(dá)ab2位置；從動(dòng)曲柄cd可能按原轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)到c2d位置此時(shí)機(jī)構(gòu)仍是平行四邊形機(jī)構(gòu)，也可能反向轉(zhuǎn)到c3d位置。為了克服運(yùn)動(dòng)的不確定性，可以對(duì)從動(dòng)曲柄施加外力或利用飛輪及構(gòu)件本身的慣性作用，也可以采用輔助曲柄等措施解決。如圖所示對(duì)于兩個(gè)曲柄轉(zhuǎn)向相反的情況，即連桿與機(jī)架的長(zhǎng)度相等，兩個(gè)曲柄長(zhǎng)度相等所組成的轉(zhuǎn)向相反的雙曲柄機(jī)構(gòu)稱為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。反平行四邊行機(jī)構(gòu)不具備平行四邊行機(jī)構(gòu)前述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)特征，如圖所示。1.2.3雙搖桿機(jī)構(gòu)兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，常由于操縱機(jī)構(gòu)、儀表機(jī)構(gòu)等。如圖所示港口起重機(jī)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)貨物的水平移動(dòng)，以減少功率消耗。 1.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化及應(yīng)用1.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄1為主動(dòng)件，搖桿3為從動(dòng)件，搖桿3上c點(diǎn)的軌跡是以d為圓心、以搖桿3的長(zhǎng)度cd為半徑的圓弧mm。當(dāng)將搖桿轉(zhuǎn)化成滑塊，使滑塊與機(jī)架組成移動(dòng)副，同時(shí)保證c點(diǎn)軌跡不變時(shí)，c點(diǎn)的軌跡由圓弧線轉(zhuǎn)化為同一圓弧線的滑槽。此時(shí)，雖然轉(zhuǎn)動(dòng)副d的類型發(fā)生改變，但機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性并沒(méi)有改變。若將弧線形滑槽的半徑增至無(wú)窮大，即轉(zhuǎn)動(dòng)副d的中心移至無(wú)窮遠(yuǎn)處，弧線形滑槽變?yōu)橹辈?。這樣曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化成一種新的機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由曲柄、連桿、滑塊、機(jī)架組成，滑塊軌道中心線通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心a時(shí)。稱為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊往復(fù)移動(dòng)的距離h稱為滑塊行程。若滑塊軌道中心線偏離曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心a，稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊軌道中心線與曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的垂直距離e稱為偏心距。如圖所示： 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可將主動(dòng)滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)連桿轉(zhuǎn)化為從動(dòng)曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中；也可將主動(dòng)曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)連桿轉(zhuǎn)化為從動(dòng)滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；如應(yīng)用往復(fù)式氣體壓縮機(jī)、往復(fù)式液壓泵等機(jī)械中。1.4平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件及基本特性1.4.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件可歸納出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的條件：1. 連架桿和機(jī)架中必有一桿為最短桿（簡(jiǎn)稱最短桿條件）2. 最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)度和條件）。通過(guò)分析可得出如下結(jié)論：【1】 取最短桿為連架桿，則最短桿為曲柄，另一連架桿為搖桿，組成了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。【2】 取最短桿為機(jī)架，則兩連架桿均為曲柄，組成雙曲柄機(jī)構(gòu)?！?】 取最短桿對(duì)面的桿為機(jī)架，則兩連架桿均為搖桿，組成雙搖桿機(jī)構(gòu)。3. 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和則不論取那一桿為機(jī)架，都沒(méi)有曲柄存在，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。1.4.2急回特性某些連桿機(jī)構(gòu)，例如插床，刨床等單工作的機(jī)械，當(dāng)主動(dòng)件（一般為曲柄）等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了縮短機(jī)器的非工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，要求從動(dòng)件作快速返回。這種當(dāng)主動(dòng)件等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性，稱為急回特性?，F(xiàn)在以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，分析機(jī)構(gòu)的急回特性。如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)曲柄ab為主動(dòng)件，搖桿cd為從動(dòng)件。當(dāng)曲柄ab按順時(shí)針做等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿cd做變速往復(fù)擺動(dòng)。曲柄ab在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，有兩次與連桿bc共線，這時(shí)搖桿cd分別位于兩極限位置c1d與c2d。從動(dòng)搖桿在兩極限位置c1d與c2d之間往復(fù)擺動(dòng)的角度稱為擺角。從從動(dòng)件cd處于兩極限位置，曲柄兩對(duì)應(yīng)位置之間所夾的銳角稱為極位夾角。 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)搖桿由c1d擺到c2d的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為工作行程。在這一行程中，曲柄轉(zhuǎn)角1=180+，所需時(shí)間為t1=1/=(180+)/,搖桿的擺角為，搖桿在工作行程中的平均速度v1=c1c2/t1。搖桿由c2d擺回c1d的運(yùn)動(dòng)為回程。這一回程中，曲柄轉(zhuǎn)角2=180-，所需時(shí)間為t2=2/=(180-)/，搖桿擺角為，搖桿在回程中的平均速度為v2= c2c1/t2。因?yàn)?180+) (180-)，即t1t2,所以v1v2,表明曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。急回特性的程度用v1和v2的比值k來(lái)表示，k稱為行程速比系數(shù)，即：k= v1/v2=t1/t2=1/2=(180+)/ (180-)。上式表明，機(jī)構(gòu)的急回速度取決于極位夾角的大小。越大，k值越大，機(jī)構(gòu)的急回程度越明顯，但機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)平穩(wěn)性下降。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作要求，合理地選擇k值，通常k=1.22.0。1.43壓力角和傳動(dòng)角在設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅應(yīng)使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，而且應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)輕便、效率高，即具有良好的傳力性能。在如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如不計(jì)各桿質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副的摩擦，則連桿bc可視為二力桿，它作用于從動(dòng)搖桿cd上的力f是沿bc方向的。作用在從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力f與其受力點(diǎn)速度vc方向線之間所夾的銳角稱為壓力角。壓力角的余角稱為傳動(dòng)角。壓力角和傳動(dòng)角在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是變化的。壓力角越小或傳動(dòng)角越大，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)越有利；而壓力角越大或傳動(dòng)角越小，會(huì)使傳動(dòng)副中得壓力增大，磨損加劇，降低機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率。由此可見(jiàn)，壓力角和傳動(dòng)角是反映機(jī)構(gòu)傳力性能的重要指標(biāo)。為了保證機(jī)構(gòu)的傳力性能良好，規(guī)定工作行程的最小傳動(dòng)角min4050。 1.4.4死點(diǎn)位置如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若搖桿為主動(dòng)件，當(dāng)搖桿處于兩極限位置時(shí)，從動(dòng)曲柄與連桿共線，主動(dòng)搖桿通過(guò)連桿傳給從動(dòng)曲柄的作用力通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，此時(shí)曲柄的壓力角=90，傳動(dòng)角=0，因此無(wú)法推動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的這個(gè)位置稱為死點(diǎn)位置。死點(diǎn)位置常使機(jī)構(gòu)從動(dòng)件無(wú)法運(yùn)動(dòng)或出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象。以滑塊為主動(dòng)件的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，連桿與曲柄共線時(shí)的兩個(gè)位置也稱死點(diǎn)位置。 由上述可見(jiàn)，平面四桿機(jī)構(gòu)是否存在死點(diǎn)位置，取決于從動(dòng)件是否與連桿共線。對(duì)于同一機(jī)構(gòu)，若主動(dòng)件不同，有無(wú)死點(diǎn)位置將有所不同。例如對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄為主動(dòng)件時(shí)機(jī)構(gòu)沒(méi)有死點(diǎn)位置，只有當(dāng)曲柄為從動(dòng)件時(shí)機(jī)構(gòu)才具有死點(diǎn)位置。為了使機(jī)構(gòu)能順利地通過(guò)死點(diǎn)位置，通常在從動(dòng)件軸上安裝飛輪，利用飛輪的慣性通過(guò)死點(diǎn)位置。也可采用多組機(jī)構(gòu)交錯(cuò)排列的方法，如兩機(jī)構(gòu)交錯(cuò)排列，使左右兩機(jī)構(gòu)不同時(shí)處于死點(diǎn)位置。在工程上有時(shí)也需要利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置來(lái)進(jìn)行工作。1.5平面機(jī)構(gòu)的自由度的計(jì)算和機(jī)構(gòu)具有確定的條件設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)由n個(gè)構(gòu)件組成，其中有一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，則活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=n-1。它們?cè)谖唇M成運(yùn)動(dòng)副之前，共有3n個(gè)自由度。用運(yùn)動(dòng)副連接后便引入了約束，減少了自由度。若機(jī)構(gòu)中有pl個(gè)低副、ph個(gè)高副，則平面機(jī)構(gòu)的自由度f(wàn)的計(jì)算公式為:f=3n-2pl-ph。如圖所示顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其活動(dòng)件n=3，低副數(shù)pl=4，高副數(shù)ph=0，則該機(jī)構(gòu)的自由度為f=3n-2pl-ph=1。 在上述顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)中，由于原動(dòng)件的數(shù)目和機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目相等，所以機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。一般情況下，若機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件的數(shù)目多于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)中最薄弱的構(gòu)件損壞；若機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件的數(shù)目少于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定，首先沿阻力最小的方向。因此，當(dāng)機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件的數(shù)目少于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目時(shí)，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件就會(huì)就具體有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。1.6結(jié)論與建議平面四桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)中連桿上點(diǎn)的軌跡非?；钴S，在機(jī)構(gòu)尺寸不變而連桿上點(diǎn)的位置不同時(shí)，軌跡多種多樣，若再加上機(jī)構(gòu)