设计平面连杆机构传动.docx
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设计平面连杆机构传动
[设计]平面连杆机构传动
第3章平面连杆机构传动
3.1铰链四杆机构的基本类型、应用和特点
构件间用四个转动副相连的平面四杆机构简称为铰链四杆机构,如图。
其中固定不动的杆1称为机架;与机架相连的杆2和杆4称为连架杆;不与机架相连的杆3称为连杆。
在连架杆中能绕固定轴线整周回转的构件称为曲柄,只能在某一角度范围内摆动的构件称为摇杆。
铰链四杆机构
3.1.1铰链四杆机构的基本类型及应用
铰链四杆机构中,根据连架杆运动形式的不同,可分为三种基本形式。
1(曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构的两连架杆中,若一个为曲柄,另一个为摇杆,则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。
通常曲柄等速转动,摇杆作变速往复摆动。
2(双曲柄机构
在铰链四杆机构中,若两连架杆均为曲柄,则此四杆机构称为双曲柄机构。
3(双摇杆机构
在铰链四杆机构中,若两连架杆均为摇杆,则此四杆机构称为双摇杆机构。
3.1.2铰链四杆机构的特点
铰链四杆机构具有如下特点:
(1)铰链四杆机构是低副机构,构件间的相对运动部分为面接触,故单位面积上的压力较小。
并且低副的构造便于润滑,摩擦磨损较小,寿命长,适于传递较大的动力。
如动力机械、锻压机械等都可采用。
(2)两构件的接触面为简单几何形状,便于制造,能获得较高精度。
(3)构件间的相互接触是依靠运动副元素的几何形状来保证,无需另外采取措施。
(4)运动副中存在间隙,难以实现从动件精确的运动规律,
3.2铰链四杆机构曲柄存在的条件
铰链四杆机构曲柄存在条件
在铰链四杆机构中,允许两连接构件作相对整周旋转的转动副称为整转副。
曲柄是以整转副与机架相连的连架杆,而摇杆则不是整转副与机架相连的连架杆。
铰链四杆机构三种基本型式的根本区别在于两连架杆是否为曲柄。
而两连架杆是否为曲柄又与各杆长度有关。
a、b、c、dAD上图所示为铰链四杆机构。
设各杆长度分别为,为机架。
由图可知,机构运动时B点只能以A为中心,作以a为半径的圆周或圆弧运动,在运动中,B、D两点连线的f'''AB长度是变化的,其中BD,a,d,f,。
若连架杆能作整周转动,BD,d,a,fmaxmin''''''BCD,BCD,BCD则机构在运动过程中三角形的形状是变化的,且必定存在和两种形态。
'',BCD根据三角形任意两边之和必大于(极限情况等于)第三边,在中应有
b,c,f(式3-1)max
b,c,a,d即
''''在中应有,BCD
b,f,cmin
c,f,bmin
b,d,c,a即(式3-2)
c,d,b,a(式3-3)
将式(3-1)、(3-2)、(3-3)两两相加并简化可得
a,b
a,c(式3-4)
a,d
由式(3-4)可知,欲使连架杆AB成为曲柄,则连架杆AB应为最短杆。
亦即只有最短杆的两端才有可能具有整转副。
又根据式(3-1),(3-3)可知,最短杆A8与其他三杆中最长杆的长度之和必小于或等于其余两杆长度之和,这一关系称为杆长之和条件。
铰链四杆机构有一个曲柄的条件是:
(杆长之和条件)
(1)最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和;
(2)最短杆为连架杆。
由于平面四杆机构的自由度为1,故无论哪杆为机架,只要已知其中一个可动构件的位置,则其余可动构件的位置必相应确定。
因此,我们可以选任一杆为机架,都能实现完全相同的相对运动关系,这称为运动的可逆性。
利用它,我们可在一个四杆机构中,选取不同的构件作机架,以获得输出构件与输入构件间不同的运动特性。
这一方法称为连杆机构的倒置。
图3-10连杆机构的倒置
可用以下方法来判别铰链四杆机构的基本类型:
1.如图3-10,若机构满足杆长之和条件,则
(1)以最短杆AB的邻边为机架时曲柄摇杆机构,如图3-10(a),;
(2)以最短杆AB为机架时为双曲柄机构,如图3-10(b),(3)以最短杆AB的对边为机架时为双摇杆机构,如图3-10(c),2(若机构不满足杆长之和条件则只能为双摇杆机构。
3.3铰链四杆机构的演化
3.3.1改变运动副形式
一、曲柄滑块机构
曲柄滑块机构二、双滑块机构
双滑快机构
3.3.2连杆机构的倒置
与铰链四杆机构一样,对于曲柄滑块机构也可通过连杆机构的倒置得到型式不同机构。
曲柄滑块机构的演化
(1)如图所示曲柄滑块机构,若改取杆2为机架则成为导杆机构。
其中导杆3为主动件带动滑块4相对杆1滑动并随之一起绕A点转动。
杆1起导路作用,称为导杆。
设杆2、杆3的长度分别为、,当时,杆3和杆1均可整圈旋转,故称为曲柄转动导杆机构;当时,ll,ll,ll323232
杆3可整圈旋转,杆1却只能往复摆动,故称为曲柄摆动导杆机构。
导杆机构常用于回转式油泵、牛头刨床等工作机构中。
(2)若取杆3为机架则成为摆动滑块机构(也称摇块机构),如图(c)所示。
这种机构广泛用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中。
如图所示卡车车厢翻斗机构。
(3)若取杆4为机架则成为定块机构(d)。
这种机构常用于手动抽水机构,如图3-15所示的手动抽水机构以及抽油泵中。
卡车厢自动翻斗机构手动抽水机构
3.3.3扩大转动副
在曲柄滑块机构中,若要求滑块行程较小则必须减小曲柄长度。
2e两中心间的距离e称为偏心距,其值即为曲柄长度,图中滑块行程为。
这种将曲柄做成偏心轮形状的平面连杆机构称偏心轮机构,它可视为是图(b)中的转动BAA副扩大到包容转动副,使构件2成为转动中心在点的偏心轮而成,因此其运动特性与原曲柄滑块机构等效。
同理,这种机构也可将曲柄摇杆机构按此方法演化而成,图(c)、(d),,运动特性与原机构也完全相同。
偏心轮机构
偏心轮机构常用于冲床、剪床和颚式破碎机等机构中。
3.4平面四杆机构的传动特性
3.4.1急回特性
用行程速度变化系数K来表示这种特性,即
,,CC/tt从动件空回程平均速度180:
,12211(式3-5)K,,,,,,主动件工作平均速度t180:
,,22CC/t121
K,1,180:
或(式3-6)K,1
摆动导杆机构曲柄摇杆机构的急回特性
,由式(3-6)可见,机构的急回速度取决于夹角的大小。
角越大,K值越大,机构的急回程度也越高,但从另一方面看,机构运动的平稳性就越差。
设计这种机构时,通常根据给定
的K值算出角作为已知的运动条件。
一般1,K,2。
e,0,,0e,0K,1)所示的曲柄滑块机构。
当时,,则,无急回特性;图(c)、(d
,0时,,则K,1,机构有急回特性。
图3-18所示的摆动导杆机构,其极位夹角等于导杆摆角,具有急回特性。
此外不等长双曲柄机构如惯性筛中的双曲柄机构也具有急回特性。
3.4.2压力角与传动角
将F分解可得推动摇杆的有效分力F,Fcos,t
和只能产生摩擦阻力的有害分力,F,Fsin,r
为压力角:
不计摩擦力、惯性力和重力时从动件上C点所受作用力的方向与其线速度方,
向所夹的锐角。
压力角大小在机构的运动过程中是变化的,其值愈小机构中有效分力愈大。
所以判断一连杆机构是否具有良好的传力性能,压力角是标志。
在实际应用中,为了度量方便,常以连杆与
,摇杆所夹锐角来衡量机构的传力性能。
显而易见,角即压力角的余角,称为传动角。
因为
,,90:
,,故角愈大,对机构传动愈有利。
为保证机构有较好的传力性能,应使机构的
,,40:
,50:
最小传动角不小于一定的值。
通常要求,对高速重载机械则要求。
minminmin
压力角与传动角
3.4.2极限位置与死角
在曲柄摇杆机构中,若以曲柄AB为主动件,则在其连续传动过程中,摇杆CD必在与CD1
两位置间来回摆动。
在通过这两个位置时,摇杆发生换向运动,其上各点的瞬时速度为CD2
零。
若称主动件的速度为输入速度,从动件的速度为输出速度,则
极限位置:
机构中瞬时输出速度与输入速度的比值为零的位置称为连杆机构的极限位置。
死角:
若以摇杆为主动件,则当摇杆处于或位置时,连杆BC与曲柄AB均共线,CDCD12
连杆作用在曲柄上的力通过铰链A的中心,力矩为零,不能推动曲柄旋转。
故机构中瞬时输入速度与输出速度的比值为零的位置称为连杆机构的死点位置。
为了避免机构在死点位置出现卡死或运动不确定现象,可以对从动件施加外力,或利用飞轮的惯性带动从动件通过死点。
缝纫机踏板机构,就是借助安装在主轴上的皮带轮(相当于飞轮)的惯性作用,使机构顺利通过死点位置。
工程上有的采用多套同样机构错位排列式各套机构的死点位置互相错开,靠位置差通过死点位置。
对于传动机构来说,死点位置是有害的,应设法消除其影响。
但在实际应用中也有利用死点位置的性质来进行工作的。
如快速夹具,
3.5多杆机构简介
在工程实际中,当四杆机构的运动性能不能满足需要时,可采用多杆机构来实现。
多杆机构类型繁多,大部分由四杆机构扩展而成。
与四杆机构相比,具有某些独特的运动规律和作用,许多机械中都有应用。
本节对多杆机构的几种应用实例简单介绍它们的功用。
3.5.1扩大运动行程
如六杆机构为压缩机机构。
主动曲柄1转动时,通过对称铰链的两个连杆带动缸体2和活塞3作相对运动,其相对行程即为曲柄长度的四倍,扩大了从动件运动行程。
3.5.2实现间歇运动
如图六杆机构为具有间歇运动的连杆机构。
当主动曲柄AB回转时,连杆上m点的运动轨迹有一段为直线,利用此段直线可实现间歇运动。
具体运动情况有两种:
mm11
(1)在m点铰接一移动导杆abdm,使ab垂直,当m点运动到直线段时,移动mmmm1111
导杆间歇。
(2)在m点铰接一转动导杆om,使其回转中心o在直线段上,当m点运动到直线段mm11
上时,转动导杆间歇。
mm11
压缩机机构间歇运动连杆机构
3.5.3夹紧力可变
如图六杆机构为铰链杠杆式夹紧机构。
当活塞左右移动时,角,的大小随之改变。
越
,10:
~25:
小夹紧力越大,且随被夹工件尺寸的变化而变化,一般。
铰链杠杆式夹紧机构加压机过载保护机构
3.5.4实现过载保护
如图六杆机构为加压机过载保护机构。
连杆AB由4、6两杆铰接于C处,并用螺栓5固联。
C点不在AB线上,过载时螺栓5断裂,并及时发出信号停车,使其他杆件不受破坏,实现过载安全保护。
双导杆滑块机构
3.5.5增大急回性能
如图八杆机构为双导杆滑块机构。
旋转导杆与摆动导杆组合在一起加强了滑块G的急回效果,其行程速系数显著增大。
',,'K,,K,',,,,
ACAC,AB由图可知,要求。
随着比值的减小,机构的动力性能变差,一般推荐AB
AC,2。
AB
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