第3章 平面連桿機(jī)構(gòu)

第3章平面連桿機(jī)構(gòu)

運動副及平面機(jī)構(gòu)運動簡圖3.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

3.2

牛頭刨床傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計3.33.1運動副及平面機(jī)構(gòu)運動簡圖

3.1.1機(jī)構(gòu)和運動副3.1.2機(jī)構(gòu)運動簡圖3.1.3平面機(jī)構(gòu)的自由度3.1.1機(jī)構(gòu)和運動副

1．機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)是由兩個或兩個以上構(gòu)件通過活動連接形成的構(gòu)件系統(tǒng)。一個機(jī)器中通常包含多種不同類型的機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)不同的運動功能。機(jī)構(gòu)可以按照以下原則進(jìn)行分類。①按組成的各構(gòu)件間相對運動形式的不同，機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)（如平面連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪機(jī)構(gòu)等）和空間機(jī)構(gòu)（如空間連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等）。②按結(jié)構(gòu)特征可分為連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)等。③按所轉(zhuǎn)換的運動或力的特征可分為勻速和非勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、直線運動機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、間歇運動機(jī)構(gòu)等。④按功用可分為安全保險機(jī)構(gòu)、聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)、擒縱機(jī)構(gòu)等。⑤按運動副類別可分為低副機(jī)構(gòu)（如連桿機(jī)構(gòu)等）和高副機(jī)構(gòu)（如凸輪機(jī)構(gòu)等）。1—撥叉；2—曲柄；3—凸輪；4—軸；5—杠桿；6—拔叉2．運動副由兩個構(gòu)件直接接觸而組成的可動的連接稱為運動副，兩個構(gòu)件既具有一定約束又具有一定相對運動。按照接觸方式不同，通常把運動副分為低副和高副兩類。（1）低副。通過面接觸構(gòu)成的運動副稱為低副。根據(jù)兩個構(gòu)件之間相對運動的性質(zhì)，可將低副分為轉(zhuǎn)動副和移動副兩類（2）高副。通過點或線接觸而構(gòu)成的運動副稱為高副，常見的高副有凸輪副和齒輪副。

3．運動鏈構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的可相對運動的系統(tǒng)稱為運動鏈。如果組成運動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)則為閉式運動鏈；如果組成運動鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)則為開式運動鏈。

在運動鏈中，如果將其中某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架，該運動鏈就稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)通常由機(jī)架、原動件和從動件組成。4．機(jī)構(gòu)3.1.2機(jī)構(gòu)運動簡圖1．機(jī)構(gòu)運動簡圖的用途而使用機(jī)構(gòu)運動簡圖則具有以下優(yōu)勢。①機(jī)構(gòu)運動簡圖僅用簡單線條和符號表示構(gòu)件和運動副，便于研究和計算。②機(jī)構(gòu)運動簡圖簡明扼要地表明了機(jī)構(gòu)的運動副、運動件的運動特性，能分析出機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)成和運動傳遞情況。③機(jī)構(gòu)中都具有可以運動的構(gòu)件，這些構(gòu)件之間通過運動副可以按照特定軌跡產(chǎn)生相對運動。而平面機(jī)構(gòu)運動簡圖則是表達(dá)運動關(guān)系的一種特殊“語言”。2．繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖正確繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖前，必須首先弄清圖示機(jī)構(gòu)的組成情況，明確機(jī)構(gòu)的運動原理。

1—曲軸；2—連桿；3—活塞；4—缸體；5—閥桿；6—凸輪；7，8—齒輪3.1.3平面機(jī)構(gòu)的自由度1．自由度的概念放在水平地面上的物體可以沿著地面的長度和寬度兩個方向移動，同時也可以垂直于地面的軸線轉(zhuǎn)動，總共具有3個獨立的運動，通常把構(gòu)件具有的獨立運動稱為自由度。2．機(jī)構(gòu)自由度的計算在活動構(gòu)件數(shù)為n的平面機(jī)構(gòu)中，在未連接運動副之前共有3n個自由度。當(dāng)用L個低副和H個高副連接組成機(jī)構(gòu)后，每個低副引入兩個約束，每個高副引入1個約束。平面機(jī)構(gòu)的自由度的計算公式為f

=

3n

?

2PL

?

PH式中：f—機(jī)構(gòu)自由度；n—機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)量，不包括機(jī)架等固定構(gòu)件；

PL—機(jī)構(gòu)中低副數(shù)量；

PH—機(jī)構(gòu)中高副數(shù)量。3．機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件如果機(jī)構(gòu)上提供驅(qū)動力的構(gòu)件（稱為原動件）數(shù)量與機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量相同，則該機(jī)構(gòu)具有確定的運動。4．計算平面機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)注意的事項實際工作中，機(jī)構(gòu)的組成更加復(fù)雜，這時采用公式F

=

3n

?

2PL

?

PH計算自由度時，可能出現(xiàn)差錯，這是由于機(jī)構(gòu)中常常存在一些特殊的結(jié)構(gòu)形式，計算時需要特殊處理。3.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)3.2.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)3.2.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的分類3.2.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化3.2.4鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計平面連桿機(jī)構(gòu)由若干個剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動副或移動副連接而成，也稱平面低副機(jī)構(gòu)。組成平面連桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對運動均在同一平面或相互平行的平面內(nèi)，其主要特點如下。（1）用平面連桿機(jī)構(gòu)傳遞力時，應(yīng)力小、便于潤滑、磨損較輕。（2）平面連桿機(jī)構(gòu)加工方便，并易于保證精度。（3）平面連桿機(jī)構(gòu)能方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)動、移動等基本運動形式及相互間的轉(zhuǎn)換等。（4）由于低副中存在間隙，機(jī)構(gòu)運動誤差不可避免，故平面連桿機(jī)構(gòu)難以實現(xiàn)精確和較復(fù)雜的運動。3.2.1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1．鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成 機(jī)架：固定不動的構(gòu)件（如桿AD）。 連架桿：與機(jī)架相連的構(gòu)件（如桿AB和CD）。 連桿：不與機(jī)架直接相連的構(gòu)件（如桿BC）。2．曲柄和搖桿連架桿中，能做整周回轉(zhuǎn)的稱為曲柄，只能做往復(fù)擺動的稱為搖桿。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，存在曲柄必須同時滿足以下兩個條件。（1）最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其他兩桿長度之和。（2）連架桿和機(jī)架中必有一個是最短桿。3.2.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的分類1．曲柄搖桿機(jī)構(gòu)兩個連架桿中，一個是曲柄，另一個是搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄作為主動件，可以將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為搖桿的往復(fù)擺動，同時連桿做平面復(fù)雜運動（1）牛頭刨床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)（2）物料攪拌機(jī)構(gòu)2．雙曲柄機(jī)構(gòu)兩個連架桿都是曲柄的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。（1）慣性篩。

（2）機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)

3．雙搖桿機(jī)構(gòu)若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個連架桿都是搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)運動特點為：當(dāng)主動曲柄做勻速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄做周期性的變速運動。

（2）飛機(jī)起落架

3.2.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化3.2.4鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計1．急回特性1—曲柄；2—連桿；3—搖桿；4—機(jī)架從以上分析不難得知，這種主動件做等速運動，從動件空回行程平均速度大于工作行程平均速度的特性，稱為連桿機(jī)構(gòu)的急回特性。牛頭刨床、往復(fù)式運輸機(jī)等機(jī)械就是利用這種急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率的。2．行程速比系數(shù)和極位夾角平面連桿機(jī)構(gòu)有無急回特性取決于有無極位夾角，θ

=

0，則機(jī)構(gòu)沒有急回特性。而機(jī)構(gòu)急回運動的程度取決于極位夾角θ的大小，θ越大，K越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越顯著。3．壓力角和傳動角

從動件所受壓力F與受力點速度vc所夾的銳角α稱為壓力角。顯然，壓力角越小，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好，驅(qū)動力能夠更多地轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)直接推力。3.3牛頭刨床傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計（1）電動機(jī)經(jīng)皮帶輪和齒輪傳動，帶動曲柄2和固結(jié)在其上的凸輪8。（2）刨床工作時，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4-5-6帶動刨頭6和刨刀做往復(fù)運動。（3）刨頭右行時，刨刀進(jìn)行切削加工，稱為工作行程，要求速度較低且均勻，以減小電機(jī)容量并提高切削質(zhì)量。（4）刨頭左行時，刨刀不進(jìn)行切削加工，稱為空回行程，要求速度較高，以提高產(chǎn)率。因此，刨床上通常采用具有急回特性的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。（5）刨刀每完成一次切削加工，利用空回行程的時間，凸輪8通過四桿機(jī)構(gòu)1-9-10-11與棘輪帶動螺旋機(jī)構(gòu)（圖中未繪出）使工作臺連同工件做進(jìn)給運動，以便切削加工繼續(xù)進(jìn)行。1．方案1該方案采用偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)。主要缺點有兩個方面：一是由于執(zhí)行件的行程較大，因此要求曲柄較長，機(jī)構(gòu)運動所占據(jù)的空間也較大，從而導(dǎo)致機(jī)器的體積龐大；二是機(jī)構(gòu)在運動過程中，隨著行程速比系數(shù)的增加，壓力角增大，傳力特性變差，這將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)工作性能不穩(wěn)定2．方案2該方案采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成。與方案1相比，方案2在