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平面连杆机构

最简单地平面连杆机构是由四个构建组成地,称为平面四杆机构。它的应用非常广泛,而且是组成多杆机构的基础。

1平面连杆机构的特点和应用

平面连杆机构是由若干构件以低副连接而成的机构,也称平面低副机构。其主要特点是:平面连杆机构能进行多种运动的变换及实现一些比较简单的运动规律和运动轨迹;由于它的运动副全部都为低副,是面接触,故压力小、耐磨损、寿命较长;而且转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面,易于加工、成本低。但是,由于低副中存在着间隙,机构将不可避免地产生运动误差,使运动精度降低;此外它的设计比较复杂,不易精确地实现复杂的运动规律。
  平面连杆机构由于具有以上特点,因此广泛应用于汽车、其他各种机械、仪表和操纵机构中。
  最简单的平面连杆机构是内四个构件组成的,称为四杆机构。它不仅应用广泛,而且还是组成多杆机构的基础。

2铰链四杆机构

在四杆机构中各杆之间均以转动副相连时,称为铰链四杆机构。构件4称为机架,与机架4相连的构件1、3称为连架杆,构件2称为连杆。相对机架可作360°转动的连架杆又称为曲柄;相对机架作摆动的连架杆又称为摇杆。按两连架杆是曲柄还是摇杆的不同组合,可将铰链四杆机构分为二种基本类型:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
  1.曲柄摇杆机构
  两连架杆中一个为曲柄,另一个为摇杆的铰链四杆机构,称为曲柄摇杆机构,其主要用途是将转动变为摆动。
  雷达天线俯仰角调整机构,天线固定在连架杆3(即摇杆)上,由主动件1(曲柄)通过连杆2使天线缓慢摆动以调整俯仰角。
  汽车前窗的刮雨机构,当主动曲柄AB回转时,从动摇杆作往复摆动,利用摇杆的延长部分实现刮雨作用。
  2.双曲柄机构
  铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄时,称为双曲柄机构。当两个曲柄的长度相等,机架与连杆的长度也相等时,称为平行四边形机构或平行双曲柄机构。
  机车车轮联动机构,是平行双曲柄机构的应用实例。在双曲柄机构中,苦主动曲柄为等速转动时,从动曲柄一般为变速转动;只有在平行双曲柄机构中,当两曲柄转向相同时,它们的角速度才在任何瞬时相等。但平行双曲柄机构在两个曲柄与机架共线时,可能由于某些偶然因素的影响而使两个曲柄反向回转,机车车轮联动机构采用三个曲柄的目的就是为了防止其反转。
  3.双摇杆机构
  铰链四杆机构的两个连架杆均为摇杆时,称为双摇杆机构。

3铰链四杆机构的演化

铰链四杆机构通过将转动副演化成移动副或选取不同构件为机架等途径,还可获得剖面四杆机构的其他演化形式。
  1.曲柄滑块机构
  如图13—23所示,1为曲柄、2为连杆、3为滑块。若滑块移动方位线mm通过曲柄回转中心,则称为对心曲柄滑块机构(如图13—23(a)所示),若滑块移动方位线mm不通过曲柄回转中心,则称为偏置曲柄滑块机构(如图13—23(b)所示),其中e为偏心距。
  曲柄滑块机构能将回转运动变为往复直线运动,或作相反的转换,它广泛应用于内燃机、空气压缩机及各种冲压机器中。
  2.导杆机构
  导杆机构可看成是由改变曲柄滑块机构中的固定构件演化而来的。如图13—24(a)所示,曲柄滑块机如取构件1为机架,构件2为主动件,构件4为导杆,滑块3相对导杆滑动并一起绕A点转动,构件2的长度小于机架1,则当构件2作整周回转时,寻杆4只能作往复摆动,故称摆动导杆机构。如图13—24(b)所示,构件2的长度大干机架1,则当构件2作整周回转时,导杆4也作整周回转,此机构称为转动导杆机构。
  3.摇块机构
  在转动导杆机构中,如取构件2为机架,构件l作整周回转,构件4与滑块3组成移动副,滑块3与机架2组成转动副,滑块3成了绕机架上C点作来回摆动的摇块,如图13—25(a)所示,故称摇块机构。如图13—25(b)所示的摆动液压泵即为摇块机构的应用。
  4.定块机构
  在摇块机构中若将滑块3作为机架,称为定块,构件2绕C点摆动,构件2相对滑块3作往复移动,如图13—26(a)所示,则称这种机构为定块机构。如图13—26(b)所示的手动压水机即为定块机构的应用实例。

4平面四杆机构的基本特性

1.急回特性
  在如图13—27所示的曲柄摇杆机构中,在主动件曲柄AB转动一周的过程中,曲柄AB与连杆BC有两次共线位置AB1和AB2,这时从动件摇杆CD分别位于左、右两个极限位置ClD和C2D,其夹角ψ称为摇杆摆角,它是从动件的摆动范同,故又称为行程;曲柄在摇杆处于两个极限位置时其对应的两个位置所夹锐角θ称为曲柄的极位夹角。
  若曲柄AB以等角速度ω顺时针从与BC共线位置AB1转到共线位置AB2时,转过的角度为φ1=(180°+θ),摇杆CD则从左边极限位置ClD摆到右边极限位置C2D,所需时间为t1,C点的平均速度为v1;当曲柄AB继续转过角度φ2=(180du3-θ),从AB2到AB1,摇杆CD从C2D摆回到C1D,所需时间为t2,C点的平均速度为v2,因为φ1>φ2,所以t1>t2,v2>v1,机构中摇杆的这种返回行程速度大于工作行程速度的特性称为急回待性。
  为了表示摇杆作往复运动时急回的程度,通常用行程速比系数K来表示,即当给定行程速比系数K后
  K=v2/v1=t1/t2=(180°+θ)/(180°-θ) (13—2)
当给定行程速比系数K后,机构的极位夹角可内式(13—3)确定,
即θ=180°(K-1)/(K+1) (13—3)
若K>l,表示机构返回行程的速度v2大于工作行程的速度vl,机构具有急回特性,能够减少返回时间,提高生产率。由式(13—2)可知,θ愈大,急回特性愈显著。若θ=0,则K=1,机构就不具有急会特性。因此,极位夹角是判断平面连杆机构急回特性的依据。
  2.压力角和传动角
  如图13—28所示铰链四杆机构中,主动曲柄AB经连杆BC推动摇杆CD,若不计构件本身的重力和运动副中的摩擦力,则连杆2为二力构件。摇杆上C点所受力F的方向(沿连杆BC)与C点的速度Vc方向(与CD垂直)间所夹的锐角α,称为压力角。力F沿Vc方向的分力Ft=Fcosα,它能推动摇杆做有效功,是有效分力;沿摇杆CD方向的分力Fn=Fsinα,它只能增加摩擦阻力矩,产生有害的摩擦功,是无效分力。可见压力角越小,有效分力越大,机构越省力,效率也高,所以压力角α是判别机构传力性能的重要参数。
  传动角γ是压力角α的余角,因为γ角便于观察与测量,工程上常以γ角来度量机构的传动性能。机构的传动角越大,传力性能越好。
  机构运动时,其压力角和传动角都是不断变化的,为保证机构有良好的传力性能,要限制工作行程的最小传动角。对于一般机械,γmin≥40°,对于大功率机械,γmin≥50°。
  3.死点
  如图13—29(a)所示的曲柄摇杆机构中,摇杆
  CD为主动件,曲柄AB为从动件。当连杆BC与从动件AB共线时,传动角γ=0°(α=90°),这时连杆作用于从动曲柄上的力F通过其转动中心A,转动力矩为零,不能推动曲柄转动,机构停顿,该位置称为死点位置。
  四杆机构中是否存在死点,取决于从动件是否与连杆共线。如图13—29(b)所示的曲柄滑块机构,当滑块为主动件时,则从动曲柄与连杆有两个共线位置,因此该机构存在死点。但是当上述的曲柄摇杆机构和曲柄沿块机构若均以曲柄为主动件时,则两机构都不存在死点。
  从传动的角度来说,机构中存在死点是不利的,因为这时从动件会出现卡死或运动方向不确定的现象,需设法加以克服。一般采用安装惯性较大的飞轮,利用其惯性将机构带过死点位置。
  工程上暂时也利用死点来实现一定的工作要求。如图13—30所示的夹具,当工件被夹紧后,BCD成一条直线,此时机构(夹具)处于死点位置,无论工件的反力有多大,都不会使夹具自动松脱。

平面连杆机构词条图册

共 3 张图

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