平面四桿機構的設計.doc

山西輕工職業(yè)技術學院畢業(yè)論文山西輕工職業(yè)技術學院輕工分院畢業(yè)論文平面四桿機構的演化與應用教學系專業(yè)班級學生姓名指導老師姓名山西輕工職業(yè)技術學院二零一一年十二月十日引言我們現(xiàn)在對平面四桿機構的應用和研究已有多年的歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。全國的第三屆機構學學術討論會上關于平面四桿機構的論文只有8篇，涉及設計、運動規(guī)律、分析、輪廓的綜合的四個研究方向。到第六次會議，已有平面四桿機構方面的論文20篇，增加了動力學、振動、優(yōu)化設計等研究方向。到第七屆會議，又增加了cad/cam、誤差分析等研究方向。近幾年，對平面四桿機構方面的研究又不斷深入，并發(fā)表了一系列論文，對四桿機構的共軛曲面原理、專家系統(tǒng)等方面也有了相當?shù)难芯俊，F(xiàn)在平面四桿機構已經(jīng)在包裝機械、食品機械、紡織機械、交通運輸機械、動力機械、印刷機械等領域得到廣泛的應用。本文從傳播平面四桿機構基本知識出發(fā)，介紹了平面四桿機構的工作原理、演化機制及其相關計算。1.1與平面四桿機構相關的概念為了分析機構的組成以及機構具有確定運動的條件，必須首先研究機構間的連接形式，即運動副。按照接觸形式，通常把運動副分為高副和低副。兩構件通過點或線接觸組成的運動副稱為高副，兩構件通過面接觸組成的運動副稱為低副。平面機構的低副又有轉(zhuǎn)動副和移動副，若組成運動的兩構件只能在平面內(nèi)相對做旋轉(zhuǎn)運動，這種運動副稱為轉(zhuǎn)動副（或稱為鉸鏈），若組成運動副的兩構件只能沿某一軸線相對移動，則稱為移動副。機構中的機構分為機架、主動件和從動件三類，實際構件的外形和結(jié)構往往很復雜，在研究機構運動時，為了是問題簡單化，僅有簡單的線條和符號來表示構件和運動副，并按比例定出各運動副的位置，這種說明機構構件相對運動關系的簡圖，稱為機構運動簡圖。機構能產(chǎn)生獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度，在平面機構中，各構件只作平面運動，所以，每一個自由構件具有3個自由度。兩個以上的構件同時在一處以轉(zhuǎn)動副連接就構成了復合鉸鏈。在有些機構中，某些構件所產(chǎn)生的局部運動，并不影響其他構件的運動，這種局部運動的自由度稱為局部自由度，在計算機構自由度時，局部自由度應略去不計。機構中與其他約束重復而對機構運動不起新的限制作用的約束，稱為虛約束。計算機構自由度時，應將其除去不計。虛約束對運動雖然不起作用，但可以增強構件的剛性和使構件受力均衡。在機構中，固定件為機架，與機架相連的叫連架桿，與機架相對的叫連桿。在連架桿中，能作整周回轉(zhuǎn)運動的叫曲柄，在一定范圍內(nèi)擺動的叫搖桿，若組成轉(zhuǎn)動副的兩構件能作整周相對運動，則該轉(zhuǎn)動副叫整轉(zhuǎn)副，不能作整周相對運動的則成為擺動副。1.2平面四桿機構的基本類型根據(jù)連架桿的運動方式不同，鉸鏈四桿機構分為以下三種基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。1.2.1曲柄搖桿機構在鉸鏈四桿機構，若兩個連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿，則此四桿機構叫曲柄連桿機構，在這種機構中，當曲柄為主動件，搖桿為從動件，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復擺動。此種機構被廣泛應用，如圖所示雷達天線俯仰角調(diào)整機構。當搖桿為主動件時，曲柄為從動件，將主動件的往復擺動轉(zhuǎn)化為從動曲柄的整周轉(zhuǎn)動，如圖所示的腳踏砂輪機機構。1.2.2雙曲柄機構在鉸鏈四桿機構，若兩連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機構。主動曲柄等速轉(zhuǎn)動，從動曲柄一般為變速轉(zhuǎn)動。如圖1-3所示插床六桿機構是以雙曲柄機構為基礎擴展而成的。在雙曲柄機構中有一種特殊機構，連桿與機構的長度相等、兩個曲柄長度相等且轉(zhuǎn)向相同的曲柄機構，稱為平行四邊行機構，由于這種機構兩曲柄的角速度始終保持相等，且連桿始終保持平動，因此應用較廣泛，如圖所示的天平機構。平面四邊行機構有以下三個運動特點：1.兩曲柄轉(zhuǎn)速相等如圖所示的機車車輪聯(lián)動機就是利用平行四邊行機構的這一特性。2.連桿始終與機架平行如圖所示的天平機構，始終保證天平1、2處于水平位置。3.運動的不確定性如圖所示，在平行四邊形機構中，當兩曲柄轉(zhuǎn)至與機架共線位置時，主動曲柄ab繼續(xù)轉(zhuǎn)動，例如到達ab2位置；從動曲柄cd可能按原轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)到c2d位置此時機構仍是平行四邊形機構，也可能反向轉(zhuǎn)到c3d位置。為了克服運動的不確定性，可以對從動曲柄施加外力或利用飛輪及構件本身的慣性作用，也可以采用輔助曲柄等措施解決。如圖所示對于兩個曲柄轉(zhuǎn)向相反的情況，即連桿與機架的長度相等，兩個曲柄長度相等所組成的轉(zhuǎn)向相反的雙曲柄機構稱為反平行四邊形機構。反平行四邊行機構不具備平行四邊行機構前述兩個運動特征，如圖所示。1.2.3雙搖桿機構兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構，稱為雙搖桿機構，常由于操縱機構、儀表機構等。如圖所示港口起重機機構，可以實現(xiàn)貨物的水平移動，以減少功率消耗。 1.3鉸鏈四桿機構的演化及應用1.3.1曲柄滑塊機構在圖所示的曲柄搖桿機構中，曲柄1為主動件，搖桿3為從動件，搖桿3上c點的軌跡是以d為圓心、以搖桿3的長度cd為半徑的圓弧mm。當將搖桿轉(zhuǎn)化成滑塊，使滑塊與機架組成移動副，同時保證c點軌跡不變時，c點的軌跡由圓弧線轉(zhuǎn)化為同一圓弧線的滑槽。此時，雖然轉(zhuǎn)動副d的類型發(fā)生改變，但機構的運動特性并沒有改變。若將弧線形滑槽的半徑增至無窮大，即轉(zhuǎn)動副d的中心移至無窮遠處，弧線形滑槽變?yōu)橹辈邸＿@樣曲柄搖桿機構演化成一種新的機構曲柄滑塊機構。 曲柄滑塊機構是由曲柄、連桿、滑塊、機架組成，滑塊軌道中心線通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心a時。稱為對心曲柄滑塊機構，滑塊往復移動的距離h稱為滑塊行程。若滑塊軌道中心線偏離曲柄的轉(zhuǎn)動中心a，稱為偏置曲柄滑塊機構，滑塊軌道中心線與曲柄的轉(zhuǎn)動中心的垂直距離e稱為偏心距。如圖所示： 曲柄滑塊機構可將主動滑塊的往復直線運動經(jīng)連桿轉(zhuǎn)化為從動曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動，如應用于發(fā)動機中；也可將主動曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動經(jīng)連桿轉(zhuǎn)化為從動滑塊的往復直線運動；如應用往復式氣體壓縮機、往復式液壓泵等機械中。1.4平面四桿機構存在曲柄的條件及基本特性1.4.1鉸鏈四桿機構存在曲柄的條件可歸納出鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件：1. 連架桿和機架中必有一桿為最短桿（簡稱最短桿條件）2. 最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和（簡稱長度和條件）。通過分析可得出如下結(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，組成了曲柄搖桿機構?！?】 取最短桿為機架，則兩連架桿均為曲柄，組成雙曲柄機構?！?】 取最短桿對面的桿為機架，則兩連架桿均為搖桿，組成雙搖桿機構。3. 鉸鏈四桿機構中，如果最短桿與最長桿的長度之和大于其余兩桿長度之和則不論取那一桿為機架，都沒有曲柄存在，均為雙搖桿機構。1.4.2急回特性某些連桿機構，例如插床，刨床等單工作的機械，當主動件（一般為曲柄）等速轉(zhuǎn)動時，為了縮短機器的非工作時間，提高生產(chǎn)效率，要求從動件作快速返回。這種當主動件等速轉(zhuǎn)動時，做往復運動的從動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。現(xiàn)在以曲柄搖桿機構為例，分析機構的急回特性。如圖所示的曲柄搖桿機構中，設曲柄ab為主動件，搖桿cd為從動件。當曲柄ab按順時針做等速轉(zhuǎn)動時，搖桿cd做變速往復擺動。曲柄ab在轉(zhuǎn)動一周的過程中，有兩次與連桿bc共線，這時搖桿cd分別位于兩極限位置c1d與c2d。從動搖桿在兩極限位置c1d與c2d之間往復擺動的角度稱為擺角。從從動件cd處于兩極限位置，曲柄兩對應位置之間所夾的銳角稱為極位夾角。 在曲柄搖桿機構中，設搖桿由c1d擺到c2d的運動過程為工作行程。在這一行程中，曲柄轉(zhuǎn)角1=180+，所需時間為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的運動為回程。這一回程中，曲柄轉(zhuǎn)角2=180-，所需時間為t2=2/=(180-)/，搖桿擺角為，搖桿在回程中的平均速度為v2= c2c1/t2。因為(180+) (180-)，即t1t2,所以v1v2,表明曲柄搖桿機構具有急回特性。急回特性的程度用v1和v2的比值k來表示，k稱為行程速比系數(shù)，即：k= v1/v2=t1/t2=1/2=(180+)/ (180-)。上式表明，機構的急回速度取決于極位夾角的大小。越大，k值越大，機構的急回程度越明顯，但機構的傳動平穩(wěn)性下降。在設計時，應根據(jù)工作要求，合理地選擇k值，通常k=1.22.0。1.43壓力角和傳動角在設計平面四桿機構時，不僅應使其實現(xiàn)預期的運動，而且應運轉(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構中，如不計各桿質(zhì)量和運動副的摩擦，則連桿bc可視為二力桿，它作用于從動搖桿cd上的力f是沿bc方向的。作用在從動件上的驅(qū)動力f與其受力點速度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角。壓力角和傳動角在機構運動過程中是變化的。壓力角越小或傳動角越大，對機構的傳動越有利；而壓力角越大或傳動角越小，會使傳動副中得壓力增大，磨損加劇，降低機構傳動效率。由此可見，壓力角和傳動角是反映機構傳力性能的重要指標。為了保證機構的傳力性能良好，規(guī)定工作行程的最小傳動角min4050。 1.4.4死點位置如圖所示的曲柄搖桿機構中，若搖桿為主動件，當搖桿處于兩極限位置時，從動曲柄與連桿共線，主動搖桿通過連桿傳給從動曲柄的作用力通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心，此時曲柄的壓力角=90，傳動角=0，因此無法推動曲柄轉(zhuǎn)動，機構的這個位置稱為死點位置。死點位置常使機構從動件無法運動或出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象。以滑塊為主動件的曲柄滑塊機構中，連桿與曲柄共線時的兩個位置也稱死點位置。 由上述可見，平面四桿機構是否存在死點位置，取決于從動件是否與連桿共線。對于同一機構，若主動件不同，有無死點位置將有所不同。例如對于曲柄搖桿機構和曲柄滑塊機構，當曲柄為主動件時機構沒有死點位置，只有當曲柄為從動件時機構才具有死點位置。為了使機構能順利地通過死點位置，通常在從動件軸上安裝飛輪，利用飛輪的慣性通過死點位置。也可采用多組機構交錯排列的方法，如兩機構交錯排列，使左右兩機構不同時處于死點位置。在工程上有時也需要利用機構的死點位置來進行工作。1.5平面機構的自由度的計算和機構具有確定的條件設一個平面機構由n個構件組成，其中有一個構件為機架，則活動構件數(shù)n=n-1。它們在未組成運動副之前，共有3n個自由度。用運動副連接后便引入了約束，減少了自由度。若機構中有pl個低副、ph個高副，則平面機構的自由度f的計算公式為:f=3n-2pl-ph。如圖所示顎式破碎機主體機構運動簡圖，其活動件n=3，低副數(shù)pl=4，高副數(shù)ph=0，則該機構的自由度為f=3n-2pl-ph=1。 在上述顎式破碎機主體機構中，由于原動件的數(shù)目和機構自由度的數(shù)目相等，所以機構有確定的運動。一般情況下，若機構中原動件的數(shù)目多于機構的自由度數(shù)目，將導致機構中最薄弱的構件損壞；若機構中原動件的數(shù)目少于機構的自由度數(shù)目，則機構的運動不確定，首先沿阻力最小的方向。因此，當機構中原動件的數(shù)目少于機構的自由度數(shù)目時，機構中各構件就會就具體有確定的相對運動。1.6結(jié)論與建議平面四桿機構是一種應用廣泛的機構。平面四桿機構中連桿上點的軌跡非常活躍，在機構尺寸不變而連桿上點的位置不同時，軌跡多種多樣，若再加上機構