精品資料本科資料 鉸鏈四連桿機構的運動特性

1、本科生畢業(yè)論文 鉸鏈四連桿機構的運動特性 目 錄摘要1關鍵詞11 鉸鏈四連桿機構的基本形式和特征21.1 曲柄搖桿機構21.1.1 急回運動31.1.2 壓力角和傳動角41.1.3 死點位51.2 雙曲柄機構61.3 雙搖桿機構61.4 鉸鏈四連桿機構的特征72 鉸鏈四桿機構的演化82.1 鉸鏈四桿機構的曲柄存在條件82.2 鉸鏈四桿機構的演化93 鉸鏈四連桿機構的運動分析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作速度分析10 33 平面機構運動分析的解析法13 4 結論14 參考文獻15 致謝15 鉸鏈四連桿機構的運動特性分析 學 生：謝賢能 指導老師：李

2、紅梅 中南大學信息科學與工程學院，長沙 410128 摘 要：在各種機構型式中，連桿機構的特點表現(xiàn)為具有多種多樣的結構和多種多樣的特性。僅就平面連桿機構而言，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構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運動進行了分析，從而用以設計。 關鍵詞：鉸鏈四連桿機構；曲柄搖桿；雙曲柄；雙搖桿；急回運動；等 第1頁一、 鉸鏈四桿機構的基本形式和特性 構件間用四個轉動副相連的平面四桿機構簡稱為鉸鏈四桿機構，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

3、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的構件稱為曲柄，只能在某一角度范圍內擺動的構件稱為搖桿。 圖 1-1 鉸鏈四桿機構鉸鏈四桿機構可分：曲柄搖桿機構 雙曲柄機構 雙搖桿機構（一）曲柄搖桿機構 在鉸鏈四桿機構中，若兩個連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿，則此鉸鏈四桿機構稱為曲柄搖桿機構。圖 1-2 所示為調整雷達天線俯仰角的曲柄搖桿機構。曲柄 1 緩慢地勻速轉動，通過連桿 2 使搖桿 3在一定的角度范圍內搖動，從而調整天線俯仰角的大小。 圖 1-2 雷達天線俯仰角調整機構 第2頁下面詳細討論曲柄搖桿機構的一些主要特性： 1急回運動 如圖 1-3 所示為一曲柄搖

4、桿機構，其曲柄 ab 在轉動一周的過程中，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 稱為搖桿的擺角。 圖 1-3 曲柄搖桿機構的急回特性 當曲柄由位置 ab1 順時針轉到位置 ab2 時，曲柄轉角 1180，這時搖桿由極限位置 c1d 擺到極限位置 c2d，搖桿擺角為 ；而當曲柄順時針再轉過角度 2180- 時，搖桿由位置 c2d 擺回到位置 c1d，其擺角仍然是 。雖然搖桿來回擺動的擺角相同，但對應的曲柄轉角卻不等12當曲柄勻速轉動時

5、對應的時間也不等t1gtt2，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 v1c1c2/t1；擺桿自 c2d 擺回至 c1d 為空回行程，這時 c點的平均速度是 v2c1c2/t2，v1ltv2，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時間，提高生產率。 急回運動特性可用行程速比系數(shù) k 表示，即 （1-1） 式中， 為搖桿處于兩極限位置時，對應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 越大，k 值越大，急回運動的性質也越顯著。但

6、機構運動的平穩(wěn)性也越差。因此在設計時，應根據其工作要求，恰當?shù)剡x擇 k 值，在一般機械中 1ltklt2。 第3頁 2壓力角和傳動角 在生產實際中往往要求連桿機構不僅能實現(xiàn)預期的運動規(guī)律，而且希望運轉輕便、效率高。圖1-4 所示的曲柄搖桿機構，如不計各桿質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動力 p 與該力作用點絕對速度 vc 之間所夾的銳角 稱為壓力角。由圖可見，力 p 在 vc 方向的有效分力為 ptpcos，它可使從動件產生有效的回轉力矩，顯然 pt 越大越好。而 p 在垂直于 vc 方向的分力 pnpsin

7、 則為無效分力，它不僅無助于從動件的轉動，反而增加了從動件轉動時的摩擦阻力矩。因此，希望 pn 越小越好。由此可知，壓力角 越小，機構的傳力性能越好，理想情況是 0，所以壓力角是反映機構傳力效果好壞的一個重要參數(shù)。一般設計機構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 在實際應用中，為度量方便起見，常用壓力角的余角來衡量機構傳力性能的好壞，稱為傳力角。顯然值越大越好，理想情況是90 度。 由于機構在運動中，壓力角和傳動角的大小隨機構的不同位置而變化。角越大，則越小，機構的傳動性能越好，反之，傳動性能越差。為了保證機構的正常傳動，通常應使傳動角的最小值min 大于或等于

8、其許用值。一般機械中，推薦40 度50 度。對于傳動功率大的機構，如沖床、顎式破碎機中的主要執(zhí)行機構，為使工作時得到更大的功率，可取min40 度50 度。對于一些非傳動機構，如控制、儀表等機構，也可取minlt40 度，但不能過小?？梢圆捎靡韵路椒▉泶_定最小傳動角 min。由圖 4-5 中abd 和bcd 可分別寫出 2 2 2 bd l1 l4 -2l1l4cosltbad 2 2 2 bd l2 l3 -2l2l3cosltbc4由此可得 第4頁 當0 度和 180 度時，cos1 和-1，角 bcd 分別出現(xiàn)最小值角 bcd（min）和最大值角 bcdmax（見圖 1-4）。如上所述，

9、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 bcdmin也即是傳動角的最小值；當角 bcd 為鈍角時，傳動角應以180 度-角 bcd 來表示， 顯然，角 bcdmax對應傳動角的另一極小值。若角 bcd 由銳角變成鈍角，則機構運動過程中，將在角 bcdmin和角 bcdmax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，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?1 共線，若不計各桿的質量，則這時連桿加給曲柄的力將通過鉸鏈中

10、心 a，即機構處于壓力角90 度（傳力角0 度）的位置，此時驅動力的有效力為 0。此力對 a 點不產生力矩，因此不能使曲柄轉動。機構的這種位置稱為死點位置。死點位置會使機構的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。出現(xiàn)死點對傳動機構來說是一種缺陷，這種缺陷可以利用回轉機構的慣性或添加輔助機構來克服。 但在工程實踐中，有時也常常利用機構的死點位置來實現(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。此力不能驅使桿 3 轉動。故當撤去主動外力 p 后，在工作

11、反力 n 的作用下，機構不會反轉，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 在四桿機構中除機架和連桿外其余兩構件均為曲柄。 應用舉例:a.攝影平臺升降機構 圖 1-6 平行四邊形機構. b.慣性篩。 圖 1-7 平行四邊形機構，雙曲柄機構. （圖 1-8） c.機車車輪聯(lián)動機鉤。 d.車門開閉機構。反平行四邊機構 e.天平。天平盤保持水平 運動轉變:勻速轉動急回特性的運動. （圖 1-6） 圖 1-7 （圖 1-8）（三） 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。 應用舉例: a.翻臺式造型機. b.鶴式起重機的變幅機構.（圖 1-

12、9） c.汽車前輪轉向操縱機構。等腰梯形機構 近似純滾動，減磨。（圖 1-10） d.風扇搖頭機構. （圖 1-9） （圖 1-10） 第6頁四 鉸鏈四桿機構的特點 鉸鏈四桿機構具有如下特點： 1 鉸鏈四桿機構是低副機構，構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、鉸鏈四桿機構的演化（一）

13、鉸鏈四桿機構的曲柄存在條件 在鉸鏈四桿機構中，有四個轉動副和四個桿，為什么連架桿能作整周旋轉（曲柄） ，有時就不能作整周旋轉（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或只作擺動的緣故。它們存在什么樣的規(guī)律呢？設：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 （cb）為半徑之外 的圓環(huán)區(qū)域 h 內。當 b1 軌跡全在區(qū)域 h 內，b1 和 b2 有公共點，1 構件能整周旋轉曲柄存在。當 b1 軌跡超出 h 域，則表明超出部

14、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 構件都能通過，則其余各點必能通過。所以 1 構件整周旋轉最危險點在構件 ab 和機架 ad 共線：拉直或重疊欲使 b1 軌跡全部在 h 內，即使 f 和 f全在 h 內，則：拉直：adbc 2-1重疊：d-ac-b （2-2 用絕對值表明：da，也可 ad cb，也可 bc b2最外軌跡 b2 b2最內軌跡 b2 b1軌跡 c c b b b2quot e c b1 h a e f a d

15、 f g g c-b b a d-a c d bc da 第8頁1）當 da，bc 時，則（22）式，dabc abdc （23a） da，cb，則（22）式 dacb dbac acbd 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 dbac 2-5a ad cb 則（22） adcb dcab 2-5b dabc 2-1 3-1 2-5a 2-5b分別兩兩相加得： dc db da結論：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

16、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。引導學生觀察出最短桿和相鄰的桿組成的兩個轉動副是“周轉 副”，而四副中另兩個副只是擺動副。 上節(jié)中知，取不同構件為機架時，可得三種不同形式的基本機構，道理在于最短桿帶的兩 個副是周轉副而另兩個不是。曲柄存在條件的具體應用：1） 在鉸鏈四桿機構中，當最短桿加最長桿其余兩桿之和2） 當不符合桿長和條件，則機構只能是雙搖桿機構 應當注意：四桿機構是封閉形，故最長桿其余三桿之和，否則，將有一處開裂，不成封閉形。（二）鉸鏈四桿機構的演化演化原則：不改變構件間的相對運動狀況，而只可改變構件形狀或絕對運動。 1轉動副轉化為移動副 2取不同構件為

17、機架： 3變換構件的形態(tài) 4擴大轉動副尺寸。 第9頁三、鉸鏈四連桿機構的運動分析（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，分析機構中其余各構件上各點的位移/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 ：所占空間，行程，能否實現(xiàn)軌跡點。如攪拌機構 速 度 v / 角速度 ：如牛頭刨床刨刀速度。也是加速度分析的基礎。 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：建模快速，精度高（數(shù)學

18、工具，計算技術） 實驗法（二）用速度瞬心法對平面機構作速度分析 應用于少構件機構。如：凸輪，齒輪，平面連桿機構等。 1.速度瞬心法及其在機構中的數(shù)目： 速度瞬心：相對作平面運動的兩構件上瞬時相對速度等于零的點或者說絕對速度相等的點 1 （即等速重合點）稱為速度瞬心。 pij構件 i 與構件 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。 速度瞬心在機構中的數(shù)目： m m 1 k cm2 （3-1） 2 k機構中速度瞬心的數(shù)目 m機構中構件數(shù)（含機架） 第 10 頁 2.機構中瞬心位置的確定法： （1）定義法： 瞬心方向和速度方向 當兩構件 1，2 直接

19、相聯(lián)構成轉動副時，轉動中心即為該兩構件的瞬心 p12 1 。 當兩構件 1，2 構成移動副時，構件 1 上各點相對于構件 2 的速度均平行于移動副導路， 2故瞬心 p12 必在垂直導路方向上的無窮遠處。 當兩構件以平面高副相聯(lián)接時： 3 當兩構件作純滾動時，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件，它們的三個瞬心必在同一條直線上。 kc32（32）/23 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

20、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速度分析中的應用舉例 （1） 平面四桿機構 l 構件實際長度m / 圖紙上構件的長度mm 鉸鏈四桿機構： 1 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：在多桿機構中，不直接接觸的兩構件 i j 的瞬心在包含該二構件（i j）的兩組 3構件瞬心連線的交點上。 2 曲柄滑塊機構： 已知：各構件尺寸及1 求： v3 及各瞬心 解： v3vp131p14p131 （2） 凸輪機構： 已知：各構件