平面四杆机构演化及应用

平面四杆机构演化及应用 目 录 一、引言………………………………………………………………………………………3 二、平面四杆机构的基本类型………………………………………………………………3 (一)平面四杆机构相关的概念……………………………………………………………3 (二)平面四杆机构的基本类型……………………………………………………………4 (三)平面四杆机构的演化及应用…………………………………………………………6 三、平面四杆机构工作特性及运动特性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 …………………………………………10 (一)运动特性………………………………………………………………………………10 (二)传力特性 ……………………………………………………………………………12 ……………………………………………………………14 四、 平面四杆机构的相关计算… (一)自由度的计算…………………………………………………………………………14 五、 结论………………………………………………………………………………………15 参考文献 ……………………………………………………………………………………15 - 0 平面四杆机构的演化及应用 摘要:平面四杆机构是组成多杆机构的基础，本文详细介绍了平面四杆机构的基本类型、组成特点、工作原理、运动特性、自由度的计算以及平面四杆机构演化的机理和应用，并且扼要介绍了平面四杆机构的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法，对于初学者和技术人员都具有参考价值和实用价值。 关键词:平面四杆机构 工作原理 运动特性 自由度 - 1 一、引言 我国对平面四杆机构的应用和研究已有多年的历史，目前仍在继续扩展和深入。1983年全国第三届机构学学术讨论会上关于平面四杆机构的论文只有8篇，涉及设计、运动规律、分析、轮廓的综合等四个研究方向。到了1988年第六届会议，已有平面四杆机构方面的论文20篇，增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。而1990年第七届会议，平面四杆机构方面的论文22篇，又增加了CAD/CAM、误差分析等研究方向。近几年，对平面四杆机构方面的研究又不断深入，并发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了一系列论文，对四杆机构的共轭曲面原理、专家系统等方面也有了相当的研究。现在平面四杆机构已经在包装机械、食品机械、纺织机械、交通运输机械、动力机械、印刷机械等领域得到广泛的应用。本文从传播平面四杆机构基本知识出发，介绍了平面四杆机构的工作原理、演化机制及其相关计算。 二、平面四杆机构的基本类型及其演化 (一)平面四杆机构相关的概念 为分析机构的组成以及机构具有确定运动的条件，必须首先研究构件间的连接形式，即运动副。按照接触形式，通常把运动副分为低副和高副。两构件通过面接触组成的运动副称为低副，两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。平面机构中的低副又有转动副和移动副两种。若组成运动副的两构件只能在平行平面内相对运动，这种运 动副称为转动副(或称铰链)，若组成运动副的两构 件只能沿某一轴线相对移动，则称为移动副。 机构中的构件分为机架、主动件和从动件三类，实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为了使问题简化，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，这种说明机构各构件相对运动关系的简单图形，称为机构运- 2 动简图。 运动副和构件表示方法 机构能产生独立运动的数目称为机构的自由度，在平面机构中，各构件只作平面运动，所以，每个自由构件具有3个自由度。两个以上的构件同时在一处以转动副相连接就构成复合铰链。在有些机构中，某些构件所能产生的局部运动，并不影响其他构件的运动，这种局部运动的自由度称为局部自由度，在计算 自由度时，应将机构中的局部自由度除去不计。而在运 动副引入的约束中，有些约束对机构自由度的影响是重 复的，这些不起限制作用的重复约束称为虚约束，在计 算机构自由度时也应将其除去不计。虚约束对运动虽不 起作用，但可以增加构件的刚性和使构件受力均衡。 连杆机构是若干刚性机构件用低副连接组成的机 构，最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，即平面四杆机构。全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如右图所示。在此机构中，固定件为机架，与机架直接相连的构件称为连架杆，与机架相对的构件称为连杆。在连架杆中，能作整周回转的称为曲柄，只能在一定范围内摆动的则称为摇杆。若组成转动副的两构件能作整周相对运动，则该转动副称为整转副，不能作整周相对运动的则成为摆转副。 (二)平面四杆机构的基本类型 对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按两连架杆的运动形式将铰链四杆机构分为三种的基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 1.2.1 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄连杆机构。在这种机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。此种机构应用广泛，如图二的雷达天线俯仰机构，曲柄1- 3 缓慢地匀速转动，通过杆2使摇杆3在一定的角度范 围内摆动，从而调整天线俯仰角的大小。 图 1 雷达俯仰角调整机构 1.2.2 双曲柄机构 在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。如果曲柄长度不同，则称为不等双曲柄机构，在这种机构中，当主动曲柄以等角速度连续转动时，从动曲柄以变角速度连续转动，且其变化幅度相当大，最大值和最小值可相差2~3倍。图3所示的惯性筛机构就是利用了双曲柄机构的这个特性，从而使筛子6的往复运动具有较大变化的加速度，使被筛的材料颗粒能得到很好的筛分。 图2双曲柄机构 图3惯性筛机构 在双曲柄机构中，若其相对两杆平行且相等则称为平行四边形机构，这种机构的运动特点是两曲柄2和4以相同的角速度同向转动，而连杆3作平移运动。图5所示的机车车轮的联动机构就是利用了其两曲柄等速同向转动的特性。 图4 平行四边形机构 图5 机车车轮联动机构 平行四边形机构在运动过程中，，当两曲柄与连杆 及机架共线时，在原动曲柄转向不变的条件下，从动 曲柄会出现转动方向不确定的现象，由图4所示，当 - 4 'ABABDCDC3323曲柄2由转到时，从曲柄4可能转到，也可能转到。为了保证从动曲柄转向不变，可在机构中安装一个惯性较大的轮形构件，或者采用多组相同机构错开相位排列的方法，来保持从动曲柄的转向不变。 图6 反平行四边形机构 曲柄长度相等，而连杆与机架不平行的铰链四杆机构，称为反平行四边形机构，这种机构的主从动曲柄转向相反。汽车车门开闭机构即为其应用实例，它可以使两扇门车门同时反向打开或关闭。 1.2.3 双摇杆机构 若铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。图8所示鹤式起重机机构的四杆机构ABCD即为双摇杆机构。当主动摇杆AB摇动时，从动摇杆CD也随之摆动，位于连杆BC延长线上的重物悬挂点M近似地水平直线移动，从而避免了重物因不 必要的升降而发生事故和损耗能量。在双摇杆机 构中，若两摇杆长度相等，则形成等腰梯形机构， 实际中的汽车、拖拉机前轮的转向机构ABCD就 是这种机构。 图7 双摇杆机构 图8 鹤式起重机机构 除了铰链四杆机构之外，还有许多其他型式的平面四杆机构。可以认为，这些型式的平面四杆机构是铰链四杆机构通过改变构件 的形状与尺寸、改变运动副的尺寸、互换运动副 元素和选择不同构件作机架而形成的。 (三)平面四杆机构的演化及应用 曲柄滑块机构 当曲柄1绕轴A转动时，铰链C将沿圆弧 - 5 mm往复运动。摇杆长度越长，曲线mm越平直。设将摇杆3的长度增至无穷大，则铰链C运动的轨迹mm将变为直线。这时可以将摇杆3做成滑块，转动副D将演化成移动副。这种机构称为曲柄滑块机构，如图10(b)所示。当滑块轨迹的延长线与回转中心A存在偏距e时，称为偏置曲柄滑块机构，图10(a)为没有偏距的对心曲柄滑块机构。曲柄滑块机构广泛应用在冲床、内燃机、空气压缩机等各种机械中。 图9曲柄摇杆机构 图10 曲柄摇杆机构的演化 导杆机构 导杆机构可以看成是曲柄滑块机构中选取不同的构件为机架演化而成的。在图11(a)所示曲柄滑块中，若改选构件1为机架，则构件4将绕轴A转动，而滑块3将以构件4为导轨并沿构件4相对运动，如图11(b)所示。构件4称为导杆，此机构称为导杆机构。导杆机构中，通常取杆2为原动件，若杆1的长度ABBC,杆4仅能在某一角度范围内往复摆动，则称为摆动导杆机构。 图11 曲柄滑块机构的演化 - 6 图12所示即为摆动导杆机构在牛头刨床中应用实例 。 图12 牛头刨床的摆动导杆机构 1.3.3 摇块机构 若在图11(a)所示的曲柄滑块机构中，改选构件BC为机架，则演化成图11(c)的曲柄摇块机构，其中构架3仅能绕点C摇摆。这种机构广泛用于摆动式内燃机和液压驱动装置内。图13所示的自卸卡车车厢的举升机构，即为此机构的应用实例。 图13 自卸卡车车厢的举升机构 图14 手摇唧筒机构 1.3.4 定块机构 在图11(a)所示的曲柄滑块机构中，若改选构件3为机架，则演化为图11(d)所示的定块机构。这种机构常用于图14所示的手摇唧筒等机构中。 1.3.5 偏心轮机构 在图9所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄1的尺寸较小时，由于结构的需要，常将曲- 7 柄1改作成如图15所示的一个几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，回转中心与几何中心间的距离称为偏心距，它等于曲柄长，此机构称为偏心轮机构。当曲柄长度很小时，通常把曲柄做成偏心轮，这样不仅增加了轴颈的尺寸，提高了偏心轴的刚度和强度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使结构简化。这种结构广泛应用于冲床、剪床、柱塞油泵(如图16所示)等设备中。 图15 偏心轮机构 图16 柱塞式油泵 双滑块机构 双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构，可以认为是铰链四杆机构中的两杆长度趋于无穷大演化而来的。按照两移动副所处位置不同，可将双滑块机构分为四种形式。 a.两个移动副不相邻，如图17(a)所示，这种机构从动件的位移与原动件的转角的正切成正比，因此又称为正切机构。 b. 两个移动副相邻,且其中一个移动副与机架相关联，如图17(b)所示，这种机构从动件的位移与原动件的转角的正弦成正比，因此又称为正弦机构。 c.两个移动副均与机架相关联，如图17(c)所示的椭圆仪就是该机构的应用实例。当滑块1和滑块3沿机架的十字槽滑动时，连杆2上的各点便描绘出长、短轴不同的椭圆。 d.两个移动副相邻，且均不与机架相关联，这种机构的主动件1与从动件3具有相同的角速度，图17(d)滑块联轴器就是这种机构的应用实例，它可以用来连接中心线不重合的两根轴。 - 8 图17(a) 正切机构 图17(b)正弦机构 图17(d)十字滑块联轴器 图17(c)椭圆仪 三、平面四杆机构的工作特性及运动特性分析 C平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力的传C'bB递和变换的功能。前者称为平面连杆机构的运动特性，cC"aB'后者称为平面连杆机构的传力特性。了解这些特性，ω DB"Ad对于正确选择平面连杆机构的类型、进而进行机构设 计具有重要指导意义。 (一) 运动特性 2.1.1 转动副为整转副的条件 判定铰链四杆机构存在整周回转构件的Grashoff定理(简称曲柄存在条件): acabcd,，,，,,adbc，,，,,,，,，abacbd,,bcda,,, ,adadbc,，,，,,cbda,,, 在全铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆杆长之和小于或等于其余两杆杆长之和，则必然存在作整周转动的构件。若不满足上述条件，即最短杆与最长杆杆长之和大- 9 于其余两杆杆长之和，则不存在作整周转动的构件。 综合以上两种情况可得出铰链四杆机构有周转副的条件: (1)最短敢于最长干放入长度之和小于或等于其他两杆的长度之和。 (2)组成该周转副的两杆中必须有一杆为四杆中最短。 曲柄是连架杆，周转副处于机架上才能够形成曲柄。因此具有周转副的铰链四杆机构是否存在曲柄还应该根据选取何杆为机架来判断。 (1)如果铰链四杆机构满足杆长条件，则最短杆两端的转动副A和B均为周转副; (2)取最短杆相邻的构件为机架，得曲柄摇杆机构，其中最短杆为曲柄;取最短杆为机架，得双曲柄机构;取最短杆的对边为机架，得双摇杆机构。 (3)如果不满足杆长条件，则以任意杆为机架都得双摇杆机构。 2.1.2急回运动特性 图19 曲柄摇杆机构的急回特性 在图19的曲柄摇杆机构中，当主动曲柄1位于B1A而与连杆2成一直线时，从动摇杆3位于右极限位置C1D。当曲柄1以等角速度ω1逆时针转过角φ1而与连杆2重叠时，曲柄到达位置B2A，而摇杆3则到达其左极限位置C2D。当曲柄继续转过角φ2而回到位置B1A时，摇杆3则由左极限位置C2D 摆回到右极限位置C1D。从动件的往复摆角均为 y 。由图可以看出，曲柄相应的两个转角φ1和φ2为: 式中，θ为摇杆位于两极限位置时曲柄两位置所夹的锐角，称为极位夹角。 急回运动的产生: - 10 由上 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 可以看出:φ , φ，t,tωm,ωm 1212 12 显然从动摇杆往复摆动的平均角速度不等，一慢一快，这样的运动称为急回运动。为了提高机械的工作效率，应在慢速运动的行程工作(正行程)，快速运动的行程返回(反行 程)。通常用所谓行程速度变化系数K衡量急回运动的相对程度，即 如已知K，即可求得极位夹角θ 上述分析表明:当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角θ时，则机构具有急回运动特性。而且θ角愈大，K值愈大，机构的急回运动特性也愈显著。 所以通过分析 ,,机构中是否存在极位夹角及的大小，来判定机构是否有急回运动及急回运动的程 1,K,2度。在一般机械中，。 2.1.3 运动的连续性 机构具有运动的连续性:当主动件连续运动时，从动件也能连续地占据预定的各个位置。在铰链四杆机构中，若机构的可行域被非可行域分隔成不连续的几个域，而从动件各给定位置又不在同一个可行域内，则机构的运动必然是不连续的。 (二) 传力特性 2.2.1压力角和传动角 在图示的铰链四杆机构中，如果不 Pn CPγ计惯性力、重力、摩擦力，则连杆2是C2αBδtPδmax二力共线的构件，由主动件1经过连杆2C1 minδω作用在从动件3上的驱动力 F的方向将BBDA12沿着连杆2的中心线BC。力 F 可分解 为两个分力:沿着受力点C的速度υc 方向的分力Ft和垂直于υc方向的分力Fn。设力F与着力点的速度υc方向之间所夹的- 11 锐角为a，则 图20 压力角和传动角 vc其中，沿方向的分力Ft 是使从动件转动的有效分力，对从动件产生有效回转力矩;而Fn 则是仅仅在转动副 D 中产生附加径向压力的分力。由上式可知:a 越大，径向压力Fn 也越大，故称角a 为压力角。压力角的余角称为传动角，用γ表示，γ=90-a 。显然，γ 角越大，则有效分力Ft 越大，而径向压力Fn 越小，对机构的传动越有利。因此，在连杆机构中，常用传动角的大小及其变化情况来衡量一机构传力性能的优劣。在机构的运动过程中，传动角的大小是变化的。当曲柄AB转到与机架AD重叠共线和展开共线两位置AB1、AB2时，传动角将出现极值γ′和γ″(传动角总取锐角)。这两个值的大小为 比较这两个位置时的传动角，即可求得最小传动角γmin。为了保证机构具有良好的传力性能，设计时通常应使γmin?40?;对于高速和大功率的传动机械，应使γmin?50?。 2.2.2 死点分析 死点位置的形成:在图示的曲柄摇杆机构中，设摇杆 CD 为主动件，则当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲 柄在一条直线上，出现了传动角γ = 0 的情况。这时主动件CD 通过连杆作 用于从动件AB 上的力恰好通过其回 转中心，所以将不能使构件AB 转动 而出现"顶死"现象。机构的此种位置称 为死点位置。 图21 曲柄摇杆机构的死点 - 12 死点排除和利用措施: 1. 对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置，例如 缝纫机踏板机构 就是借助于带轮的惯性通过死点位置的; 2. 采用机构错位排列的方法，即将两组以上的机构组合起来，而使各组机构的死点位置相互错开。如 蒸汽机车车轮联动机构 就是由两组曲柄滑块机构组成的，而两者的曲柄位置相互错开90?。 3.机构的死点位置的积极作用:在工程实际中，不少场合也利用机构的死点位置来实现一定的工作要求。 四、平面四杆机构的相关计算 (一)自由度的计算 在平面机构中，两构件通过运动副连接后，使构件独立运动收到了限制，自由度随之减少。对独立运动所加的限制称为约束。不同类型的运动服引入的约束不同，所保留的自由度也不同，每个低副引入的约束数为2，高副约束数为1。设平面机构中共有n个活动构件(机架不是活动构件)，在各构件尚未构成运动副时，它们共有3n个自由度， 2，PPPPLHLH而当各构件构成运动副后，设共有个低副和个高副，则机构将受到个约束，故机构的自由度为: FnPP,,,32 LH 为了使机构具有确定的运动，机构自由度应该大于零，且机构原动件的数目应该等于机构的自由度数目，但在计算平面机构的自由度时候应注意几个问题: (1)复合铰链自由度的计算 两个以上的构件同时在一处以转动副相连接就构成复合铰链，如下图所示三年各构件组成的复合铰链，它实际为两个转动副，由此类推，m个构件组成复合铰链应具有(m-1)个转动副 图22 复合铰链 图23 局部自由度 - 13 (2)局部自由度 在有些机构中，某些构件所能产生的局部运动，并不影响其他构件的运动，我们把这些构件所能产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度，图23所示，该滚子推杆凸轮机构中，为了减少高副元素的磨损，在推杆C与凸轮A之间装了一个滚子B， FnPP,,,,322PPLHLH此式机构中n=3, =3, =1。其自由度为:。 但是，滚子B绕其自身轴线转动，并不影响其他的构件的运动，因而他只是一 FnPP,,,,321PPLHLH个局部自由，所以此时机构却变为n=2，=2，=1，而其自由度为， 。 由此可见，该机构的实际自由度为1 (3)虚约束 在运动副引入的约束中，有些约束对机构的自由度的影响是重复的。这些对 机构运动不起限制作用的重复约束称为虚约束或消极约束，在计算机构自由度的时候应将虚约束除去不计。 五、结论 平面四杆机构是组成多杆机构的基础，熟练掌握平面四杆机构的基本类型、演化机理、基本特性以及相关计算方法，对于复杂机构的设计具有重要的意义。本文详细 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了平面四杆机构的基础知识，对大多数初学者都有应用价值，同时，平面四杆机构的最新研究领域也是以此为基础，所以，对于技术人员也是不可多得的参考价值。 - 14 参考文献: 华大年,华志宏.连杆机构设计与应用创新.北京:机械工业出版社 刘江南,郭克希，机械设计基础.长沙:湖南大学出版社 曹惟庆.连杆机构的分析和综合.北京:科学出版社. 华大年,华志宏,吕静平.连杆机构设计.上海:上海科学技术出版社 黄纯颖.机械创新设计..北京:高等教育出版 - 15 - 1