机械设计 第2章 平面连杆机构.doc

第二章平面连杆机构案例导入：通过雷达天线、汽车雨刮器、搅拌机等实际应用的机构分析引入四杆机构的概念，介 绍四杆机构的组成、基本形式和工作特性第一节较链四杆机构一、钱链四杆机构的组成和基本形式1•狡链艸杆机构的组成如图1J4所示，较链四杆机构是由转动副将各构件的头尾联接起的封闭四杆系统， 并使其中一个构件固定而组成被固定件4称为机架，与机架直接较接的两个构件1和 3称为连架杆，不直接与机架较接的构件2称为连杆连架杆如果能作整圈运动就称为 曲柄，否则就称为摇杆2 .钱链四杆机构的类型狡链四杆机构根据其两个连架杆的运动形式的不同，可以分为曲柄摇杆机构、双曲 柄机构和双摇杆机构三种基本形式⑴曲柄摇杆机构在较链四杆机构中，如果有一个连架杆做循环的整周运动而另一 连架杆作摇动，则该机构称为曲柄摇杆机构如图2-1所示曲柄摇杆机构，是雷达天线 调整机构的原理图，机构由构件AB、BC、固连有天线的CD及机架DA组成，构件AB 可作整圈的转动，成曲柄；天线3作为机构的另一连架杆可作一定范围的摆动，成摇杆; 随着曲柄的缓缓转动，天线仰角得到改变如图2・2所示汽车刮雨器，随着电动机带着 曲柄AB转动，刮雨胶与摇杆CD-起摆动，完成刮雨功能。

如图2・3所示搅拌器，随 电动机带曲柄AB转动，搅拌爪与连杆一起作往复的摆动，爪端点E作轨迹为椭圆的运 动，实现搅拌功能2) 双曲柄机构在较链四杆机构中，两个连架杆均能做整周的运动，则该机构称为 双曲柄机构如图2・4所示惯性筛的工作机构原理，是双曲柄机构的应用实例由于从 动曲柄3与主动曲柄1的长度不同，故当主动曲柄1匀速回转一周时，从动曲柄3作变 速回转一周，机构利用这一特点使筛子6作加速往复运动，提高了工作性能当两曲柄 的长度相等且平行布置时，成了平行双曲柄机构，如图2・5a)所示为正平行双曲柄机构, 其特点是两曲柄转向相同和转速相等及连杆作平动，因而应用广泛火车驱动轮联动机 构利用了同向等速的特点；路灯检修车的载人升斗利用了平动的特点，如图2・6a、b)所 示如图2-5b)为逆平行双曲柄机构，具有两曲柄反向不等速的特点，车门的启闭机构利 用了两曲柄反向转动的特点，如图2-6c)所示3) 双摇杆机构两根连架杆均只能在不足一周的范围内运动的较链四杆机构称为双 摇杆机构如图2・7所示为港口用起重机吊臂结构原理其中，ABCD构成双摇杆机构, AD为机架，在主动摇杆AB的驱动下，随着机构的运动连杆BC的外伸端点M获得近 似直线的水平运动，使吊重Q能作水平移动而大大节省了移动吊重所需要的功率。

图2-8 所示为电风扇摇头机构原理，电动机外壳作为其中的一根摇杆AB,蜗轮作为连杆BC, 构成双摇杆机构ABCDo蜗杆随扇叶同轴转动，带动BC作为主动件绕C点摆动，使摇 IT- AB带电动机及扇叶一起摆动，实现一台电动机同时驱动扇叶和摇头机构图2・9所 示的汽车偏转车轮转向机构釆用了等腰梯形双摇杆机构该机构的两根摇杆AB、CD是 等长的，适当选择两摇杆的长度，可以使汽车在转弯时两转向轮轴线近似相交于其它两 轮轴线延长线某点P,汽车整车绕瞬时中心P点转动，获得各轮子相对于地面作近似的 纯滚动，以减少转弯时轮胎的磨损二、较链四杆机构中曲柄存在的条件1. 钱链四杆机构中曲柄存在的条件狡链杆机构的三种基本类型的区别在于机构中是否存在曲柄，存在几个曲柄机 构中是否存在曲柄与各构件相对尺寸的大小以及哪个构件作机架有关可以证明，狡链 四杆机构中存在曲柄的条件为：条件一：最短杆与最长杆长度之和不大于其余两杆长度之和条件二：连架杆或机架中最少有一根是最短杆2. 较链四杆机构基本类型的判别准则(1) 满足条件一但不满足条件二的是双摇杆机构；(2) 满足条件一而且以最短杆作机架的是双曲柄机构；(3) 满足条件一而且最短杆为连架杆的是曲柄摇杆机构；(4) 不满足条件一是双摇杆机构。

实训例2・1】狡链杆机构ABCD如图2・10所示请根据基本类型判别准则， 说明机构分别以AB、BC、CD、AD各杆为机架时属于何种机构解：经测量得各杆长度标于图2-10,分析题目给出较链四杆机构知，最短杆为AD =20,最长杆为CD = 55,其余两杆AB = 30、BC = 50o因为 AD+CD = 20+55 = 75AB + BC = 30+50 = 80 > Ltnin+L,nax故满足曲柄存在的第一个条件1) 以AB或CD为机架时，即最短IT- AD成连架杆，故为曲柄摇杆机构；2) 以BC为机架时，即最短杆成连杆，故机构为双摇杆机构；3) 以AD为机架时，即以最短杆为机架，机构为双曲柄机构第二节平面四杆机构的其它形式一、曲柄滑块机构在图2-lla)所示的钱链四杆机构ABCD中，如果要求C点运动轨迹的曲率半径较 大甚至是C点作直线运动，则摇杆CD的长度就特别长，甚至是无穷大，这显然给布置 和制造带来困难或不可能为此，在实际应用中只是根据需要制作一个导路，C点做成 一个与连杆较接的滑块并使之沿导路运动即可，不再专门做出CD杆这种含有移动副 的四杆机构称为滑块四杆机构，当滑块运动的轨迹为曲线时称为曲线滑块机构，当滑块 运动的轨迹为直线时称为直线滑块机构。

直线滑块机构可分为两种情况：如图2-llb) 所示为偏置曲柄滑块机构，导路与曲柄转动中心有一个偏距&当0 = 0即导路通过曲柄 转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，如图2-l lc)所示由于对心曲柄滑块机构结构简 单，受力情况好，故在实际生产中得到广泛应用因此，今后如果没有特别说明，所提 的曲柄滑块机构即意指对心曲柄滑块机构应该指出，滑块的运动轨迹不仅局限于圆弧和直线，还可以是任意曲线，甚至可以 是多种曲线的组合，这就远远超出了较链四杆机构简单演化的范畴，也使曲柄滑块机构 的应用更加灵活、广泛图2・12所示为曲柄滑块机构的应用图2-12a）所示为应用于内燃机、空压机、蒸 汽机的活塞一连杆一曲柄机构，其小活塞相当于滑块图2-12b）所示为用于自动送料 装置的曲柄滑块机构，曲柄每转一•圈活塞送出一个工件当需要将曲柄做得较短时结构 上就难以实现，通常采用图2-12c）所示的偏心轮机构，其偏心圆盘的偏心距w就是曲柄 的长度这种结构减少了曲柄的驱动力，增大了转动副的尺寸，提高了曲柄的强度和刚 度，广泛应用于冲压机床、破碎机等承受较大冲击载荷的机械中二、 导杆机构在对心曲柄滑块机构中，导路是固定不动的，如果将导路做成导杆4较接于A点， 使之能够绕A点转动，并使AB杆固定，就变成了导杆机构，如图2・13所示。

当AB< BC时，导杆能够作整周的回转，称旋转导杆机构，如图2-13a=所示当AB>BC时导 杆4只能作不足一周的回转，称摆动导杆机构，如图2・13b）所示导杆机构具有很好的传力性，在插床、刨床等要求传递重载的场合得到应用如图 2-14a）所示为插床的工作机构，如图2-14b）所示为牛头刨床的工作机构三、 摇块机构和定块机构在对心曲柄滑块机构中，将与滑块较接的构件固定成机架，使滑块只能摇摆不能移 动，就成为摇块机构，如图2-15a）所示摇块机构在液压与气压传动系统中得到广泛应 用，如图2-15b）所示为摇块机构在自卸货车上的应用，以车架为机架AC,液压缸筒3 与车架较接于C点成摇块，主动件活塞及活塞杆2可沿缸筒中心线往复移动成导路，带 动车箱1绕A点摆动实现卸料或复位将对心曲柄滑块机构中的滑块固定为机架，就成 了定块机构，如图2-16a）所示图2・16b）为定块机构在手动唧筒上的应用，用手上下扳 动主动件1,使作为导路的活塞及活塞杆4沿唧筒中心线往复移动，实现唧水或唧油 表2・1给出了钱链四杆机构及其演化的主要型式对比第三节平面四杆机构的工作特性一、运动特性在图2・17所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为主动件。

曲柄在旋转过程中每周有 两次与连杆重叠，如图2・17中的B|AC］和AB2C2两位置这时的摇杆位置C|D和C?D 称为极限位置，简称极位C.D与C?D的夹角0称为最大摆角曲柄处于两极位AB1 和AB2的夹角锐角〃称为极位夹角设曲柄以等角速度S顺时针转动，从AB】转到AB2 和从AB?到AB】所经过的角度为（〃）和（乃一“），所需的时间为“和厲，相应 的摇杆上C点经过的路线为C】C2弧和C2C!弧,C点的线速度为V!和v2 ,显然有tl>t2 , vi

下面在不计重力、惯性力和摩擦作用的前提下，分析曲柄摇 杆机构的传力特性如图2・18所示，主动曲柄的动力通过连杆作用于摇杆上的C点，驱 动力F必然沿BC方向，将F分解为切线方向和径向方向两个分力人和耳，切向分力 F,与C点的运动方向％同向由图知F/=Fcosa或 Ft = Fsin /几二 Fsiny 或 Fr= Fcosa么角是尺与F的夹角，称为机构的压力角，即驱动力F与C点的运动方向的夹角 a随机构的不同位置有不同的值它表明了在驱动力F不变时，推动摇杆摆动的有效分 力耳的变化规律，a越小F（就越大压力角u的余角y是连杆与摇杆所夹锐角，称为传动角由于卩更便于观察，所以 通常用来检验机构的传力性能传动角丁随机构的不断运动而相应变化，为保证机构有 较好的传力性能，应控制机构的最小传动角汕in一般可取加in》40重载高速场合取 ymin>50曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两个位置之一，如图 2-18所示的Bi点或B2点位置偏置曲柄滑块机构，以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角y为连杆与导路垂线 所夹锐角，如图2・19所示最小传动角加n出现在曲柄垂直于导路时的位置，并且位于 与偏距方向相反一侧。

对于对心曲柄滑块机构，即偏距二0的情况，显然其最小传动 角加in出现在曲柄垂直于导路时的位置对以曲柄为主动件的摆动导杆机构，因为滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆，其 传动角y恒为90 ,即y=ymin = ymax =90，表明导杆机构具有最好的传力性能2. 止点从F严F cosa知，当压力角a = 90时，对从动件的作用力或力矩为零，此时连杆 不能驱动从动件工作机构处在这种位置称为止点，又称死点如图2-20a）所示的曲柄 摇杆机构，当从动曲柄AB与连杆BC共线时，岀现压力角a = 90 ,传动角丫 = 0如 图2-20b）所示的曲柄滑块机构，如果以滑块作主动，则当从动曲柄AB与连杆BC共线 时，外力F无法推动从动曲柄转动机构处于止点位置，一方而驱动力作用降为零，从 动件要依靠惯性越过止点；另一方面是方向不定，可能因偶然外力的影响造成反转四杆机构是否存在止点，取决于从动件是否与连杆共线例如上述图2-20a）所示的 曲柄摇杆机构，如果改摇杆主动为曲柄主动，则摇杆为从动件，因连杆BC与摇杆CD 不存在共线的位置，故不存在止点又例如前述图2-20/7）所示的曲柄滑块机构，如果改 曲柄为主动，就不存在止点。

止点的存在对机构运动是不利的，应尽量避免出现止点。