第16章平面连杆机构

1、第十六章第十六章 平面连杆机构平面连杆机构第一节 机构的组成 一、机器和机构 二、零件和构件 三、运动副及其分类 四、机构的组成第二节 机构的运动简图第三节 汽车常用平面连杆机构 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 4.曲柄滑块机构第四节 有关连杆机构的一些特性 一、急回特性及行程速比系数 二、死点位置第十六章第十六章 平面连杆机构平面连杆机构第一节第一节 机构的组成机构的组成 一、机器和机构 机器 人们在日常生活和生产活动中已经见过或用过不少机器，如洗衣机、电动机、拖拉机、汽车发动机等。 尽管机器种类繁多，构造、性能和用途各异，但它们之间却存在着一些共同的特征。（以单缸内燃机为例分析） 任

2、何机器都是人为的实物组合体。 组成机器的各部分（实物）之间，具有确定的相对运动。 （说明） 所有机器都能作有效的机械动或可进行能量的转换。 综上所述，可得到机器的概念：机器是人为的实物组合体，它的各部分之间具有确定的相对运动，并能作有效的机械功或进行能量的转换，代替或减轻人类劳动。说明 如图16-1所示单缸内燃机，它是由曲轴、连杆、活塞、气缸、机体等许多实物组成的。 如图16-1所示，活塞在气缸中的往复运动，可变为曲轴相对于两端轴承的连续转动。 例如，汽车发动机把燃烧燃料产生的热能转换成机械能，最终通过传动系将动力传给汽车车轮，驱动汽车行驶，完成机器功能的转换。又如发电机是把其它形式的能转换为

3、电能，而电动机却把电能转换成机械能。工作原理： 1. 活塞下行，进气阀开启，混合气进入气缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧； 3. 高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭； 4. 活塞上行，排气阀开启，废气被排出气缸。图16-1 单缸内燃机 机构机构就是具有确定的相对运动的实物的组合，它的主要功用在于传递或转换运动形式，但它不能作机械功，也不能转换能量。（说明）机构与机器的区别由上述可见，机构只是具备了机器的前两个特征，因此，机构不能作机械功和进行能量转换，其主要功用在于传递或转换运动形式，而机器的主要功用则在于为了某一生产目的而利用、转换能量或作机械功。如上述内燃机中

4、活塞连杆机构，就是进行运动形式的转换，而整个内燃机则为机器，因为它能把燃料的化学能转换成机械能。但是，在本课程中，我们并不研究机器的能量转换问题。因此，若抛开机器的第三个特征，机器和机构就没什么区别了。所以，以后无论谈到机器还是机构，都只用“机构”这一词，有时也用“机械”这一词，机械是机器和机构的总称。 例如，内燃机中的活塞、连杆、曲轴、及机体组合成一个机构，通常称为活塞连杆机构，它能将活塞的往复移动转换为曲轴的转动。（其它机构） 二、零件和构件零件所谓零件，是指机械中每一个单独加工的单元体，或者说，零件是一个制造单元。构件若由一个或几个零件刚性地联接在一起，作为一个整体而运动，则这一个整体就

5、称为一个构件。这些刚性联接在一起的零件之间不能产生任何相对运动。显然，从运动的观念来看，构件是一个运动单元。（说明：构件与零件）如内燃机中的连杆就是由连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等刚性联接在一起的，在机构的运动过程中，这一刚性联接体就是一个构件，就是一个独立的运动单元。注意，一个不与其它任何零件刚性联接的单独的零件，也可以说是一个简单的构件（如内燃机的曲轴等）。 三、运动副及其分类 两构件直接接触并能保持一定形式的相对运动的联接称为运动副。例如，活塞与气缸的联接（即两者相配合）等，即构成了运动副。由于运动副中两构件间的接触形式不同，运动副又分为低副和高副。 1.低副 两构件间以面接触的运动副，称

6、为运动低副。低副又分为： 1）转动副 若运动副只允许两构件在接触处有相对转动，则称该运动副为转动副，也称铰链。如图16-2所示，构件1和构件2即为转动副。 2）移动副 若运动副只允许两构件沿接触面某一方向相对滑移，则称该运动副为移动副。如图16-3所示两构件即构成移动副。 3）螺旋副 两构件在接触处只允许作螺旋运动的运动副称为螺旋副。如图16-4所示丝杠与螺母组成的运动副。 动画图16-2、3、4 2高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图16-5所示的凸轮1与从动杆2、齿轮1与齿轮2构成的联接都是高副。 四、机构的组成 有了前述基本知识，我们可以讨论机构的组成了。虽然构件是组成机

7、构的基本要素，但只有构件，没有运动副，也不构成一个完整的机构，所以说运动副也是组成机构的要素。因此可以说，机构是由若干个构件通过运动副联接而成的。第二节第二节 机构的运动简图机构的运动简图 分析已有机械或设计新机械时，为了便于研究机械的运动，工程上常用规定的符号和线条，绘出能够表达各构件相对运动关系的图形，这种图形称为机构运动简图。在运动简图中常将运动副和构件用简单符号和线条来表示。常用运动副及构件的代表符号如表16-1所示。 如图16-6a所示为一单缸内燃机，b图就是它的机构运动简图。表16-1 运动副、构件的表示法图16-6 第三节第三节 汽车常用平面连杆机构汽车常用平面连杆机构 平面机构

8、是指机构内各构件的相对运动都在同一平面或互相平行的平面内。平面连标杆机构是由若干构件用低副（转动副和移动副）联接组成的机构，各构件间的相对运动都在同一平面或平行平面内。 平面连杆机构的类型很多，应用很广，最简单的是由四个构件组成的铰链四杆机构。本节介绍几种汽车最常用的平面连杆机构。 如图16-7所示，四个构件之间都是用转动副联接而成的，该机构称为铰链四杆机构。其中固定不动的杆4称为机架，与机架相联的杆1和杆3称为连架杆，联接两连架杆的杆2称为连杆。当连架杆能绕与机架相联的固定铰链整周回转时，则称该连架杆为曲柄，不能整周回转的连架杆称为摇杆。 曲柄摇杆机构 若铰链四杆机构两连架杆之一为曲柄，另一

9、连架杆为摇杆则称该四杆机构为曲柄摇杆机构。 曲柄摇杆机构能将曲柄作整周转动转换为摇杆的往复摆动，或者将摇杆的往复摆动转换为曲柄的整周转动。 图16-8是汽车中电动风窗刮水器构造示意图，电动机11驱动蜗杆蜗轮传动副旋转，通过蜗轮9上的偏心销钉带动拉杆8往复运动，然后经拉杆3和7使刮片架1和5摆动。刮水刷安装在刮片架上。其中，构件9、8、4及车身12（机架）构成曲柄摇杆机构。 图16-8 电动风窗刮水器示意图 双曲柄机构 若铰链四杆机构的两连架杆均为曲柄则称为双曲柄机构。 在双曲柄机构中，若两曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，则该机图构称为平行双曲柄机构，如图16-9a所示。该机构工作时，两

10、曲柄回转方向相同，角速度相等。但当主动曲柄1回转方向不变，而各构件位于同一直线AD上时，从动曲柄3的回转方向不确定，有可能变为反向双曲柄机构（如图16-9b），这时两曲柄回转方向相反，角速度不等。为防止平行双曲柄机构转化为反向双曲柄机构，可以利用从动曲柄本身或附加质量的惯性来导向，也可采用机构错位配置的办法使两组平行双曲柄机构不同时处于可能反向的位置，以保证机构正常运转。图16-9 双曲柄机构的应用较多，如图16-10所示为机车车轮联动机构，是平行双曲柄机构。该机构为防止转化为反向双曲柄机构，采用机构错位配置办法解决。图16-11所示的天平，是利用平行双曲柄机构两相对边杆组相互平行的特性，来保

11、证天平1和2始终保持水平位置。对于反向双曲柄机构应用较少，如图16-12所示为汽车车门开闭机构，为反向双曲柄机构。当主动曲柄AB转动时，通过 BC使从动曲柄CD向反方向转动，保证两车门能同时开闭至预定位置。双摇杆机构 若铰链杆机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。图16-13所示是利用双摇杆的自卸汽车。AD杆为车架，当油缸活塞向右伸长时，带动双摇杆AB、CD向右摆动，使车卸货。 如图16-14所示为汽车前轮转向机构，应用了两个摇杆长度相等的双摇杆机构等腰梯形机构。 4曲柄滑块机构 图16-15所示为一曲柄滑块机构，它由滑块、连杆、曲柄和机架四个构件组成。它是最常见的含有一个移动副的四杆机构

12、。当滑块为主动件时，此机构可将滑块的往复移动转变为曲柄的转动，常应用于内燃机、蒸汽机等机器中，如内燃机的活塞连杆机构；当曲柄为主动件时，则可将曲柄的转动转变为滑块的往复移动。常应用于活塞式泵、冲床等各种机器设备中。 在图16-16中，当曲柄AB旋转到与连杆BC成一直线时，滑块C的两个极限位置C1和C2之间的距离S，称为滑块的行程。它与曲柄长度r的关系为：S=2r，显然，连杆的长短并不影响行程的大小，只影响滑块起始点的位置。第四节第四节 有关连杆机构的一些特性有关连杆机构的一些特性 一、急回特性及行程速比系数 图16-17所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄AB为主动件并作匀速圆周转动时，摇杆CD为从动

13、件作往复摆动，其最大摆角为。曲柄AB在转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线，这时摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D 。曲柄摇杆机构所处的两位置，称为极位。在极位时，曲柄两位置间所夹的锐角称为极位夹角。 图16-17中，当曲柄以等角速度1顺时针转过1的角度时，摇杆CD从C1D摆至C2D ，设所经过的时间为t1 ，而C点的平均速度为v1；当曲柄继续转过2角度时，摇杆从C2D摆至C1D ，其经过的时间为t2，C点的平均速度为v2。因此，由图16-17中知道，1 =180+，1=180-，所以12，而曲柄的角速度1为常数，所以t1t2、v2v1，可见，当曲柄作等速回转时，摇杆来回摆动的角速度不

14、同，在摆回时具有较大的平均角速度，这就是摇杆的急回作用或者说摇杆具有急回特性。而v2与v1的比值，称为此四杆机构的急回特性系数或称为行程速比系数。以K表示。 行程速比系数 K值的大小表示机构的急回作用明显程度。K值越大，急回作用越明显。K值大小与极位夹角有关，二者有如下关系： 当 0时，K，说明该机构无急回特性； 当 0 时，说明该机构有急回特性。211122180180vtKvt（16-1）11801KK（16-2） 二、死点位置 在图16-17中，若以摇杆CD为主动件时，当摇杆CD在两极限位置C1D 、C2D，连杆BC与曲柄AB两次重合为一直线时，若不计铰链中摩擦和各杆的质量，摇杆作用在曲柄的力一定是通过曲柄的回转中心A点，不会产生力矩，不能使曲柄转动，这时，机构出现“卡死”的现象。机构处在连杆与从动件曲柄重合为一直线的极限位置时，称为死点位置。 在曲柄滑块机构中，若以滑块为原动件，则当滑块处于两极限位置时，连杆给曲柄的作用力也不能使曲柄转动，此时机构也处于死点位置。 为了保证机构连续正常运转，设计时必须设法使机构顺利通过死点位置。工程上常借助于装在曲柄上的飞