DOC《第4章 平面连杆机构及其设计》

第4章 平面连杆机构及其设计 教学目标: 平面连杆机构是由一些简称 杆 的构件通过平面低副相互连接而成,故又称平面低副机构.

平面连杆机构被广泛地应用,近年来,随着电子计算机应用的普及,设计方法的不断改进,平面连杆机构的应用范围还在进一步扩大.本章的教学将使读者了解平面连杆机构的基本形式及其演化过程;

对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的概念;

能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构. 教学重点和难点: 平面四杆机构的一些基本知识;

按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构. 案例导入: 我们知道,用三根木条钉成的木框是稳定的,即使把钉子换成转动副(铰链),三角形也不会运动.而用四根木条钉成的木框是不稳固的,如果把钉子换成铰链,四边形即可以运动了.依此类推,五边形等也都是可以运动的(图4-1).因此我们说:三角形是不能运动的最基本图形,而四边形是能运动的最基本图形.把四边形各顶点装上铰链,把一边作为机架,即构成平面四杆机构.因此,四杆机构是最基本的连杆机构.复杂的多杆机构(多边形)也可由其组成.通过本章的学习,读者将了解这种最基本机构的特性,认识这类机构千变万化的应用并掌握其设计方法. 图4-1 三角形和四杆机构 4.1 铰链四杆机构的基本形式及应用 连杆机构的优点是运动副为面接触,压强较小、磨损较轻、便于润滑,故可承受较大载荷;

低副几何形状简单,加工方便;

能实现轨迹较复杂的运动,因此,平面连杆机构在各种机器及仪器中得到广泛应用.其缺点是运动副的制造误差会使误差累积较大,致使惯性力较大;

不易实现精确的运动规律,因此,连杆机构不适宜高速传动. 运动副均采用转动副的四杆机构称为铰链四杆机构,如图?4-1?所示.图中固定不动的构件4称为机架;

与机架相连的构件1和3称为连架杆,其中,做整周转动的连架杆称为曲柄,只能在某一角度范围内往复摆动的连架杆称为摇杆;

不与机架直接相连的构件2称为连杆,它做平面复合运动. 铰链四杆机构按两连架杆的运动形式不同分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构. 4.1.1 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中,若两个连架杆,一个为曲柄,另一个为摇杆,则该机构称为曲柄摇杆机构. 曲柄摇杆机构的用途很广,如图4-2缝纫机的踏板机构、图4-3雷达天线俯仰机构及图4-4搅拌器机构等. 图4-2 缝纫机的踏板机构 图4-3 雷达天线俯仰机构 图4-4 搅拌器机构 4.1.2 双曲柄机构 在铰链四杆机构中,两连架杆均为曲柄时称为双曲柄机构.在双曲柄机构中,用得最多的是平行双曲柄机构.图4-5(a)为正平行四边形机构,两个连架杆AB和CD以相同的角速度沿同一方向转动,例如图?4-6?的高空作业车升降机构.图?4-5(b)为反平行四边形机构,即当曲柄1等速转动时,另一曲柄3做反向变速转动,例如图4-7汽车车门启闭机构. 图4-5 平行四边形机构 图4-6 高空作业车升降机构 图4-7 汽车车门启闭机构 4.1.3 双摇杆机构 两连架杆都是摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构.图4-8所示的鹤式起重机就采用了这种机构.在该机构中,构件1和3都是摇杆,当摇杆1摆动时,连杆2上悬挂货物的E点便在近似的水平直线上移动,可避免由于货物的升降引起能量消耗. 在双摇杆机构中,若两摇杆长度相等则称为等腰梯形机构,在汽车及拖拉机中,常采用这种机构操纵前轮的转向,如图?4-9?所示,此机构的特点是两摇杆的摆角不相等.当车辆转向时,就有可能实现在任意位置都能使两前轮轴线的交点?O?落在后轮轴线的延长线上,从而使车辆转弯时,四个车轮都在地面上做纯滚动,避免轮胎因滑动而引起磨损. 图4-8 鹤式起重机 图4-9 汽车前轮转向机构 4.2 铰链四杆机构的传动特性 4.2.1 急回运动和行程速比系数 在图4-10所示的曲柄摇杆机构中,当主动曲柄1位于B1A而与连杆2成一直线时,从动摇杆3位于右极限位置C1D.当曲柄1以等角速度(1逆时针转过角(1而与连杆2重叠时,曲柄到达位置B2A,而摇杆3则到达其左极限位置C2D.当曲柄继续转过角(2而回到位置B1A时,摇杆3则由左极限位置C2D摆回到右极限位置C1D.从动件的往复摆角均为(.由图可以看出,曲柄相应的两个转角(1和(2为: (1=180°+( (2=180°-( 式中,(为摇杆位于两极限位置时曲柄两位置所夹的锐角,称为极位夹角. 图4-10 曲柄摇杆机构的急回运动 由于(1>