第3章 平面连杆机构

第3章平面连杆机构

运动副及平面机构运动简图3.1铰链四杆机构

3.2

牛头刨床传动机构设计3.33.1运动副及平面机构运动简图

3.1.1机构和运动副3.1.2机构运动简图3.1.3平面机构的自由度3.1.1机构和运动副

1．机构机构是由两个或两个以上构件通过活动连接形成的构件系统。一个机器中通常包含多种不同类型的机构，每个机构可以实现不同的运动功能。机构可以按照以下原则进行分类。①按组成的各构件间相对运动形式的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）。②按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、棘轮机构等。③按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等。④按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。⑤按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）。1—拨叉；2—曲柄；3—凸轮；4—轴；5—杠杆；6—拔叉2．运动副由两个构件直接接触而组成的可动的连接称为运动副，两个构件既具有一定约束又具有一定相对运动。按照接触方式不同，通常把运动副分为低副和高副两类。（1）低副。通过面接触构成的运动副称为低副。根据两个构件之间相对运动的性质，可将低副分为转动副和移动副两类（2）高副。通过点或线接触而构成的运动副称为高副，常见的高副有凸轮副和齿轮副。

3．运动链构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统称为运动链。如果组成运动链的各构件构成了首末封闭的系统则为闭式运动链；如果组成运动链的构件未构成首末封闭的系统则为开式运动链。

在运动链中，如果将其中某一构件加以固定而成为机架，该运动链就称为机构。机构通常由机架、原动件和从动件组成。4．机构3.1.2机构运动简图1．机构运动简图的用途而使用机构运动简图则具有以下优势。①机构运动简图仅用简单线条和符号表示构件和运动副，便于研究和计算。②机构运动简图简明扼要地表明了机构的运动副、运动件的运动特性，能分析出机构的主要构成和运动传递情况。③机构中都具有可以运动的构件，这些构件之间通过运动副可以按照特定轨迹产生相对运动。而平面机构运动简图则是表达运动关系的一种特殊“语言”。2．绘制机构运动简图正确绘制机构运动简图前，必须首先弄清图示机构的组成情况，明确机构的运动原理。

1—曲轴；2—连杆；3—活塞；4—缸体；5—阀杆；6—凸轮；7，8—齿轮3.1.3平面机构的自由度1．自由度的概念放在水平地面上的物体可以沿着地面的长度和宽度两个方向移动，同时也可以垂直于地面的轴线转动，总共具有3个独立的运动，通常把构件具有的独立运动称为自由度。2．机构自由度的计算在活动构件数为n的平面机构中，在未连接运动副之前共有3n个自由度。当用L个低副和H个高副连接组成机构后，每个低副引入两个约束，每个高副引入1个约束。平面机构的自由度的计算公式为f

=

3n

−

2PL

−

PH式中：f—机构自由度；n—机构中活动构件的数量，不包括机架等固定构件；

PL—机构中低副数量；

PH—机构中高副数量。3．机构具有确定运动的条件如果机构上提供驱动力的构件（称为原动件）数量与机构的自由度数量相同，则该机构具有确定的运动。4．计算平面机构自由度应注意的事项实际工作中，机构的组成更加复杂，这时采用公式F

=

3n

−

2PL

−

PH计算自由度时，可能出现差错，这是由于机构中常常存在一些特殊的结构形式，计算时需要特殊处理。3.2铰链四杆机构3.2.1铰链四杆机构的结构3.2.2铰链四杆机构的分类3.2.3铰链四杆机构的演化3.2.4铰链四杆机构设计平面连杆机构由若干个刚性构件通过转动副或移动副连接而成，也称平面低副机构。组成平面连杆机构的各构件的相对运动均在同一平面或相互平行的平面内，其主要特点如下。（1）用平面连杆机构传递力时，应力小、便于润滑、磨损较轻。（2）平面连杆机构加工方便，并易于保证精度。（3）平面连杆机构能方便地实现转动、移动等基本运动形式及相互间的转换等。（4）由于低副中存在间隙，机构运动误差不可避免，故平面连杆机构难以实现精确和较复杂的运动。3.2.1铰链四杆机构的结构1．铰链四杆机构的组成 机架：固定不动的构件（如杆AD）。 连架杆：与机架相连的构件（如杆AB和CD）。 连杆：不与机架直接相连的构件（如杆BC）。2．曲柄和摇杆连架杆中，能做整周回转的称为曲柄，只能做往复摆动的称为摇杆。在铰链四杆机构中，存在曲柄必须同时满足以下两个条件。（1）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其他两杆长度之和。（2）连架杆和机架中必有一个是最短杆。3.2.2铰链四杆机构的分类1．曲柄摇杆机构两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。曲柄作为主动件，可以将连续转动转化为摇杆的往复摆动，同时连杆做平面复杂运动（1）牛头刨床的横向进给机构（2）物料搅拌机构2．双曲柄机构两个连架杆都是曲柄的平面四杆机构称为双曲柄机构。（1）惯性筛。

（2）机车车轮联动机构

3．双摇杆机构若铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。双摇杆机构运动特点为：当主动曲柄做匀速转动时，从动曲柄做周期性的变速运动。

（2）飞机起落架

3.2.3铰链四杆机构的演化3.2.4铰链四杆机构设计1．急回特性1—曲柄；2—连杆；3—摇杆；4—机架从以上分析不难得知，这种主动件做等速运动，从动件空回行程平均速度大于工作行程平均速度的特性，称为连杆机构的急回特性。牛头刨床、往复式运输机等机械就是利用这种急回特性来缩短非生产时间，提高生产效率的。2．行程速比系数和极位夹角平面连杆机构有无急回特性取决于有无极位夹角，θ

=

0，则机构没有急回特性。而机构急回运动的程度取决于极位夹角θ的大小，θ越大，K越大，机构的急回特性越显著。3．压力角和传动角

从动件所受压力F与受力点速度vc所夹的锐角α称为压力角。显然，压力角越小，机构的传力性能越好，驱动力能够更多地转化为机构直接推力。3.3牛头刨床传动机构设计（1）电动机经皮带轮和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。（2）刨床工作时，由导杆机构1-2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀做往复运动。（3）刨头右行时，刨刀进行切削加工，称为工作行程，要求速度较低且均匀，以减小电机容量并提高切削质量。（4）刨头左行时，刨刀不进行切削加工，称为空回行程，要求速度较高，以提高产率。因此，刨床上通常采用具有急回特性的导杆机构。（5）刨刀每完成一次切削加工，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未绘出）使工作台连同工件做进给运动，以便切削加工继续进行。1．方案1该方案采用偏置曲柄滑块结构来实现，其优点是结构简单，承载能力强。主要缺点有两个方面：一是由于执行件的行程较大，因此要求曲柄较长，机构运动所占据的空间也较大，从而导致机器的体积庞大；二是机构在运动过程中，随着行程速比系数的增加，压力角增大，传力特性变差，这将导致机构工作性能不稳定2．方案2该方案采用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串联而成。与方案1相比，方案2在