常用机构和通用零件的工作原理

179第三篇 常用机构和通用零件 179引 言 179第10章 常用机构概述 17910.1 机器中的常用机构介绍 18210.2 运动副及其分类 18410.3 平面机构的运动简图 195第11章 平面连杆机构 19511.1 四杆机构的基本形式及其演化 20111.2 平面四杆机构的基本特性 20511.3 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 第三篇 常用机构和通用零件 引 言 本篇主要介绍机械中常用机构和通用零件的工作原理、运动特性、结构特点、使用维护以及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和规范，学习一般常用机构和通用零件的设计思想和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 一、常用机构 各种机械中经常使用的机构称为常用机构，如平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等。 二、通用零件 各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如齿轮、轴、轴承、螺纹联接件等。 第10章 常用机构概述 本章主要介绍生产活动中的各种常用机构。 10.1 机器中的常用机构介绍 人们在长期的生产实践中，创造发明了各种机器，并通过机器的不断改进，减轻人们的体力劳动，提高劳动生产率，而且有些还能完成用人力无法达到的某些生产要求。早在公元31年东汉时期发明的水排为当时的炼铁业提供了带动风箱鼓风的机械装置，如图10-1所示，它应用了水力学原理和复杂的连杆机构。图10-2所示用于舂米的连机碓则采用了凸轮机构。从古代的指南车（图10-3），计里鼓车中（图10-4）我们看到了现代齿轮的雏形，当时对齿轮及齿轮系的应用已达到了一个相当的水平。而现代的汽车、飞机、洗衣机、数控机床、机器人等机器的发明和使用，则给我们的生产和生活带来了极大的方便。人们的生活是越来越离不开机器了。 纵观从古至今林林总总的机器，我们发现，所有机器的作用无非是进行能量转换或完成特定的机械功能，用以减轻人或代替人的劳动。不同之处在于随着生产和科学技术的发展，机器的种类，形式更加多样化，而功能则愈来愈贴近人们的生活。但无论机器如何变化，按其基本组成都可以分 图10-1 图10-2 图10-3 图10-4 为动力源、传动机构、执行机构三部分，随着现代科学技术的发展，也可将控制器作为第四部分。所谓控制器既包括机械控制装置，也包括电子控制系统在内。在各种机器中，传动机构和执行机构在使用中最主要的目的是为了实现速度、方向或运动状态的改变，或实现特定运动规律的要求。毫无疑问，传动机构和执行机构在实现机器的各种功能中担当着最重要的角色。 本章主要介绍在机器中常见的机构类型及其功能。 图10-5所示的单缸内燃机，它由机架（气缸体）1、曲柄2、连杆3、活塞4 、进气阀5、排气阀6、推杆7、凸轮8和齿轮9、10组成。当燃烧的气体推动活塞4作往复运动时，通过连杆3使曲柄2作连续转动，从而将燃气的压力能转换为曲柄的机械能。齿轮、凸轮和推杆的作用是按一定的运动规律按时开闭阀门，完成吸气和排气。这种内燃机中有三种机构：（1）曲柄滑块机构，由活塞4、连杆3、曲柄2和机架1构成，作用是将活塞的往复直线运动转换成曲柄的连续转动；（2）齿轮机构，由齿轮9、10和机架1构成，作用是改变转速的大小和方向；（3）凸轮机构，由凸轮8、推杆7和机架1构成，作用是将凸轮的连续转动变为推杆的往复移动，完成有规律地启闭阀门的工作。 图10-6为一机器手，它由手轮1带动轴2及圆柱凸轮 3转动，推动（移动杆）带动齿条4作往复运动，带动小齿轮及不完全齿轮6转动，从而带动机械手转盘8及圆柱凸轮作xy平面内的间歇转动，带动机器手臂同时完成转动及上下摆动。而手爪的抓放则通过手轮1带动轴2上的不完全齿轮17与 图10-5 不完全齿轮16的啮合并带动同轴的盘形凸轮19作间歇转动，带动摆杆18摆动从而推动杆9作上下运动，通过杠杆10、连杆11、12、弹簧杆13，完成手的张合动作。由这台机器中，我们可以看到的机构有：（1）圆柱凸轮机构；（2）齿轮齿条机构；（3）不完全齿轮机构；（4）摆动凸轮机构；（5）曲柄滑块机构；（6）滚子凸轮机构。 图10-6 图10-7所示的牛头刨床中，有带传动机构（图中未画出）、齿轮机构，它们主要用于实现运动速度的改变，将电动机的高速变为工作机所需的较低的转速；曲柄导杆机构，将大齿轮的转动变为刨刀的往复运动，并满足工作行程等速，非工作行程急回的要求；曲柄摇杆机构和棘轮机构保证工作台的进给，三个螺旋机构M1、M2、M3，分别完成刀具的上下，工作台的上下及刀具行程的位置调整功能。 图10-7 图10-8 以上机器中的齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、带传动机构、曲柄滑块机构、曲柄导杆机构等，由于在各种机器中都有大量使用，故称为常用机构。这些机构在机器中的主要作用是传递运动和动力，实现运动形式或速度的变化。通过对不同机器的分析，可以这样认为，机器是若干机构的组合体。 10.2 运动副及其分类 10.2.1 运动副的概念 通过前面的分析，我们知道了机构能够实现运动速度、方向及形式的变换，而实现这些功能，则需要组成机构的各个部分共同的协调工作，即各部分之间的运动相对确定，这些具有确定的相对运动的单元体称为构件。与机器中的零件不同的是：零件是制造的基本单元体，而构件则是机构中的基本运动单元体，构件可以是单一零件，如内燃机中的曲轴，也可以是多个零件的刚性组合体，如内燃机的连杆（图10-8）、是由连杆体1、连杆盖5、螺栓2、螺母3、开口销4、轴瓦6和轴套7等多个零件构成的一个构件。 机构是具有确定相对运动构件的组合体，为实现机构的各种功能，各构件之间必须以一定的方式联接起来，并且能具有确定的相对运动。在图10-5所示的内燃机中，活塞与缸体组成可相对移动的联接；活塞和连杆、连杆和曲轴、曲轴和机架分别组成可相对转动的联接。这种两构件通过直接接触，既保持联系又能相对运动的联接，称为运动副，也可以说运动副就是两构件间的可动联接。 10.2.2 运动副的分类 根据运动副各构件之间的相对运动是平面运动还是空间运动，可将运动副分成平面运动副和空间运动副。所有构件都只能在相互平行的平面上运动的机构称为平面机构，平面机构的运动副称为平面运动副。 按两构件间的接触特性，平面运动副可分为低副和高副。 1． 低副 两构件间为面接触的运动副称为低副。根据构成低副的两构件间的相对运动特点，又分为转动副和移动副。 两构件只能作相对转动的运动副为转动副。（图10-9a、b）中轴承与轴颈的联接，铰链联接等都属转动副。 移动副是两构件只能沿某一轴线相对移动的运动副，如图（图10-9c、d）所示。 图10-9 2． 高副 两构件间为点、线接触的运动副称为高副，如图10-10所示的车轮与钢轨、凸轮与从动件、齿轮啮合等均为高副。 常用的运动副还有球面副（球面铰链），如图10-11a所示；螺旋副（图10-11b），均为空间运动副。 图10-10 图10-11 10.3 平面机构的运动简图 1．机构运动简图的概念 对机构进行分析，目的在于了解机构的运动特性，即组成机构的各构件是如何工作的，故只需要考虑与运动有关的构件数目、运动副类型及相对位置，而无需考虑机构的真实外形和具体结构，因此常用一些简单的线条和符号画出图形进行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 讨论和运动、受力分析。这种撇开实际机构中与运动关系无关的因素，并用按一定比例及规定的简化画法表示各构件间相对运动关系的工程图形称为机构运动简图。（如图10-12）为内燃机的运动简图。 图10-12 只要求定性地表示机构的组成及运动原理而不严格按比例绘制的机构图形称为机构示意图。 2．运动副及构件的规定表示方法 常用构件和运动副的简图符号见表10-1。 3．机构运动简图的绘制 绘制机构运动简图，首先应先了解清楚机构的构造和运动情况，再按下列步骤进行： (1) 分析机构的组成，分清固定件（机架），确定主动件及从动件的数目； (2) 由主动件开始，循着运动路线，依次分析构件间的相对运动形式，并确定运动副的类型和数目； (3) 选择适当的视图投影平面，确定固定件、主动件及各运动副间的相对位置，以便清楚地表达各构件间的运动关系。通常选择与构件运动平行的平面作为投影面； (4) 按适当的比例尺， ，用规定的符号和线条绘制机构的运动简图，并用箭头注明原动件及用数字标出构件号。 例10-1 绘制图10-5所示内燃机的机构运动简图。 解： （1）分清固定件（机架），确定主动件、从动件及数目 由图10-5可知，气缸体1是机架，缸内活塞4是主动件。曲柄2、连杆3、推杆7（两个）、凸轮8（两个）和齿轮9（两个）、10是从动件。 （2）确定运动副类型和数目； 由活塞开始，机构的运动路线见下框图： 活塞→连杆→曲柄～小齿轮→大齿轮～凸轮→滚子→推杆 注：～表示两构件同轴。 活塞与机架构成移动副，活塞与连杆构成转动副；连杆3与曲柄2构成转动副；小齿轮10与大齿轮9（两个）构成高副，凸轮与滚子（两处）构成高副；滚子与推杆（两处）7构成转动副；推杆7与机架（两处）构成移动副。曲柄、大、小齿轮、凸轮与机架（六处）分别构成转动副。 （3）选择适当投影面，这里选择齿轮的旋转平面为正投影面，确定各运动副之间的相对位置； （4）选择恰当的比例尺，按照规定的线条和符号，绘制出该机构的运动简图，并注明原动件及标注构件号（图10-12）。 10.2.4 平面机构的自由度 1．自由度 由上述分析可知，两个构件以不同的方式相互联接，就可以得到不同形式的相对运动。而没有用运动副联接的作平面运动的构件，独自的平面运动有3个，即沿x轴方向和y轴方向的两个移动以及在xOy平面上绕任意点的转动（图10-13），构件的这种独立运动称为自由度。作平面运动的自由构件具有3个独立的运动，即具有3个自由度。 图10-13 图10-14 2．约束 当两构件之间通过某种方式联接而形成运动副时，如图10-14，构件2与固联在坐标轴上的构件1在A点铰接，构件2沿x轴方向和沿y轴方向的独立运动受到限制。这种限制构件独立运动的作用称为约束。 对平面低副，由于两构件之间只有一个相对运动，即相对移动或相对转动，说明平面低副构成受到两个约束，因此有低副联接的构件将失去2个自由度。 对平面高副，如齿轮副或凸轮副（见图10-10b、c）构件2可相对构件1绕接触点转动，又可沿接触点的切线方向移动，只是沿公法线方向的运动被限制。可见组成高副时的约束为1，即失去1个自由度。 3．机构自由度的计算 机构相对机架（固定构件）所具有的独立运动数目，称为机构的自由度。 在平面机构中，设机构的活动构件数为n，在未组成运动副之前，这些活动构件共有3n个自由度。用运动副联接后便引入了约束， 图10-15 并失去了自由度，一个低副因有两个约束而将失去两个自由度，一个高副有一个约束而失去一个自由度，若机构中共有PL个低副、PH个高副，则平面机构的自由度F的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为 F=3n－2PL－PH （10-1） 如图10-15所示的搅拌机，其活动构件数n=3，低副数PL=4，高副数PH=0，则该机构的自由度为 F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1 4．平面机构自由度计算的注意事项 （1）复合铰链 两个以上的构件共用同一转动轴线所构成的转动副，称为复合铰链。 图10-16所示为三个构件在A点形成复合铰链。从左视图可见，这三个构件实际上构成了轴线重合的两个转动副，而不是一个转动副，故转动副的数目为2个。推而广之，对由k个构件在同一轴线上形成的复合铰链，转动副数应为k－1个，计算自由度时应注意这种情况。 图10-16 图10-17 图10-18 图10-17所示的直线机构中，A、B、E、D四点均为由三个构件组成的复合铰链，每处应有两个转动副，因此，该机构n=7，PL =10， PH =0，其自由度F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=1 （2）局部自由度 与机构整体运动无关的构件的独立运动称为局部自由度。 在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计。图10-18a所示的凸轮机构中，滚子绕本身轴线的转动，完全不影响从动件2的运动输出，因而滚子转动的自由度属局部自由度。在计算该机构的自由度时，应将滚子与从动件2看成一个构件，如图10-18b所示，由此，该机构的自由度为 F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1 局部自由度虽不影响机构的运动关系，但可以变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减轻了由于高副接触而引起的摩擦和磨损。因此，在机械中常见具有局部自由度的结构，如滚动轴承、滚轮等。 （3）虚约束 机构中不产生独立限制作用的约束称为虚约束。 在计算自由度时，应先去除虚约束。虚约束常出现在下面几种情况中： ※ 两构件在联接点上的运动轨迹重合，则该运动副引入的约束为虚约束。 如图10-19b所示机构中，由于EF平行并等于AB及CD，杆5上E点的轨迹与杆3上E点的轨迹完全重合，因此，由EF杆与杆3联接点上产生的约束为虚约束，计算时，应将其去除，见图10-19a。这样，该机构的自由度为F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1。但如果不满足上述几何条件，则EF杆带入的约束则为有效约束，如图10-19c所示。此时机构的自由度为F=3n－2PL－PH =3×4－2×6－0=0 ※ 两个构件组成多个轴线重合的转动副（图10-20a），或如果两个构件组成多个方向一致的移动副（图10-20b、c）时，只需考虑其中一处的约束，其余的均为虚约束。 图10-19 ※ 机构中对运动不起作用的对称部分引入的约束为虚约束。 图10-21所示的行星轮系，从传递运动而言，只需要一个齿轮2即可满足传动要求，装上三个相同的行星轮的目的在于使机构的受力均匀，因此，其余两个行星轮引入的高副均为虚约束，应除去不计，该机构的自由度F=3n－2PL－PH=3×3－2×3－2=1（C处为复合铰链）。 图10-20 图10-21 虚约束虽对机构运动不起约束作用，但能改善机构的受力情况，提高机构的刚性，因而在结构设计中被广泛采用。应注意的是，虚约束对机构的几何条件要求较高，故对制造，安装精度要求较高，当不能满足几何条件时，如图10-20c，虚约束就会变成实约束而使机构不能运动。 例10-2 计算图10-22a所示的筛料机构的自由度。 解： （1）检查机构中有无三种特殊情况 由图中可知，机构中滚子自转为局部自由度；顶杆DF与机架组成两导路重合的移动副E'、E， 故其中之一为虚约束；C处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束以后，应按图10-22b计算自由度。 （2）计算机构自由度 机构中的可动构件数为n=7, PL=9，PH=1，故该机构的自由度为 F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1×1=2 图10-22 5．机构具有确定运动的条件 机构能否实现预期的运动输出，取决于其运动是否具有可能性和确定性。 如图10-23所示，由3个构件通过3个转动副联接而成的系统就没有运动的可能性，因其自由度为F=3n－2PL－PH=3×2－2×3－0=0 ，故不能称其为机构。图10-24所示的五杆系统，若取构件1作为主动件，其自由度为 F=3n－2PL－PH=3×5－2×5－0=2 当构件1处于图示位置时，构件2、3、4则可能处于实线位置， 图10-23 也可能处于虚线位置。显然，从动件的运动是不确定的，故也不能称其为机构。如果给出2个主动件，即同时给定构件1、4的位置，则其余从动件的位置就唯一确定了（图10-24实线），此时，该系统则可称为机构。 当主动件的位置确定以后，其余从动件的位置也随之确定，则称机构具有确定的相对运动。那么究竟取一个还是几个构件作主动件， 图10-24 这取决于机构的自由度。 机构的自由度就是机构具有的独立运动的数目。 因此，当机构的主动件数等于自由度数时，机构就具有确定的相对运动。 在分析机构或设计新机构时，一般可以用自由度计算来检验所作的运动简图是否满足具有确定运动的条件，以避免机构组成原理错误。如图10-25a所示的构件组合体，其自由度为 F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－1=0 说明此构件系统不是机构，从动件无法实现预期的运动。图25 b、c为改进方案，经计算，自由度 F=3n－2PL－PH=3×4－2×5－1=1，故满足机构具有确定运动的条件。 图10-25 机构具有唯一确定运动的条件是机构的原动件数等于机构的自由度数，不满足这一条件，即原动件数小于机构的自由度数时，机构的运动是不确定的，通常在机构的设计中这种情况是不允许出现的。*但在有些场合中，利用机构运动的不确定性来设计机构的，则可以使机构大为简化，达到事半功倍的目的。机构运动不确定时，机构此时的运动受最小阻力定律的支配，即机构将优先沿着阻力最小的方向运动。 图10-26 图10-26所示为利用这一原理设计的送料机构，它由曲柄1、连杆2、摇杆3、滑块4和机架5组成。机构的自由度为2，但原动件只有一个（曲柄1），故其运动不确定。但根据最小阻力定律可知，机构将沿着阻力最小的方向运动。因此，推程时，摇杆将首先沿逆时针方向转动，直到推爪3'碰上挡销a'为止，这一过程使推爪向下运动，并插入工件的凹槽中。此后，摇杆3要先沿顺时针方向转动，直到推爪3'碰上挡销a"为止，这一过程使推爪向上抬起脱离工件。此后，摇杆3又与滑块4成为一体，一道返回。如此连续运动将工件一个个地推送向前。此机构适用于推送轻型、小件物品，机构简单、紧凑。 本 章 小 结 1．机器的组成一般分为动力源、传动机构、执行机构及控制系统四部分； 2．常用机构的主要作用是传递运动和动力，实现运动形式或速度的转变； 3．机构是具有确定运动的构件的组合体； 转动副 4．运动副是两构件之间的可动联接； 低副 平面运动副 移动副 5．运动副分为平面运动副 高副 空间运动副 6．机构的独立运动称为机构的自由度，计算公式为 F=3n－2PL－PH 7．计算自由度应注意的三个问题； （1）复合铰链 （2）局部自由度 （3）虚约束 8．机构具有确定运动的条件是自由度数等于主动构件数。 思 考 题 10-1 试判别下述结论是否正确，并说明理由： （1） 机构中每个可动构件都应该有自由度，图10-15所示的搅面机机构有三个可动构件，所以搅面机有三 个自由度。 （2） 图10-27中构件1相对于构件2能沿切向At 移动，沿法向An向上移动和绕接触点A转动，所以构件 1与2组成的运动副保留三个相对运动。 （3） 图中构件1与2在A两处接触，所以构件1与2组成两个高副。 图10-27 图10-28 10-2 如图10-28所示的曲轴1与机座2，曲轴两端中心线不重合，加工误差为△，试问装配后两构件能否相对转动，并说明理由。 10-3 局部自由度不影响整个机构运动，虚约束不限制构件独立运动，为什么实际机构中还采用局部自由度、虚约束的结构？ 习 题 10-1 吊扇的扇叶与吊架、书桌的桌身与抽斗，机车直线运动时的车轮与路轨，各组成哪一类运动副，请分别画出。 10-2 绘制图示各机构的运动简图。 题10-2图 10-3 指出图所示各机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，并判定它们是否有确定的运 动（标有箭头的构件为原动件）。 题10-3图 10-3 试问图示各机构在组成上是否合理？如不合理，请针对错误提出修改方案。 题10-4图 第11章 平面连杆机构 平面连杆机构是由若干构件通过低副联接而成的平面机构，也称平面低副机构。 平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中，其主要优点是：（1）由于运动副是低副，面接触，传力时压强小，磨损较轻，承载能力较高；（2）构件的形状简单，易于加工，构件之间的接触由构件本身的几何约束来保持，故工作可靠；（3）可实现多种运动形式及其转换，满足多种运动规律的要求；（4）利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求。主要缺点有：（1）由于低副中存在间隙，机构不可避免地存在着运动误差，精度不高，（2）主动构件匀速运动时，从动件通常为变速运动，故存在惯性力，不适用于高速场合。 平面机构常以其组成的构件（杆）数来命名，如由四个构件通过低副联接而成的机构称为四杆机构，而五杆或五杆以上的平面连杆机构称为多杆机构。四个机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是多杆机构的基础。 11.1 四杆机构的基本形式及其演化 11.1.1 四杆机构的基本形式 构件间的运动副均为转动副联接的四杆机构，是四杆机构的基本形式，称为铰链四杆机构，如图11-1所示。由三个活动构件和一个固定构件（即机架）组成。其中，AD杆是机架，与机架相对的杆（BC杆）称为连杆，与机架相联的构件（AB杆和CD杆）称为连架杆，能绕机架作360°回转的连架杆称为曲柄，只能在小 图11-1 于360°范围内摆动的连架杆称为摇杆。 根据两连架杆的运动形式的不同，铰链四杆机构可分为三种基本形式并以其连架杆的名称组合来命名。 （1）曲柄摇杆机构 两连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构中，当以 曲柄为原动件时，可将曲柄的匀速转动变为从动件的摆动。如图11-2所示的雷达天线机构，当原动件曲柄1转动时，通过连杆2，使与摇杆3固结的抛物面天线作一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度。图11-3为汽车前窗的刮雨器，当主动曲柄AB回转时，从动摇杆作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作。也有以摇杆为主动件，曲柄为从动件的曲柄摇杆机构。图11-4所示的缝纫机的踏板机构，踏板为主动件，当脚蹬踏板时，可将踏板的摆动变为曲柄即缝纫机皮带轮的匀速转动。 图11-2 图11-3 图11-4 （2）双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄作匀速转动时，从动曲柄作同向变速转动，如图11-5所示的惯性筛机构，当曲柄1作匀速转动时，曲柄3作变速转动，通过构件5使筛子6获得加速度，从而将被筛选的材料分离。在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，则称为平行双曲柄机构或平行四边形机构，若两曲柄转向相 图11-5 同且角速度相等，则称为正平行四边形机构 （图11-6a）。 两曲柄转向相反且角速度不同，则为反平行四边形机构（图11-6b）， 如图11-7a所示的机车车轮联动机构和图11-7b所示的摄影车座斗机构就是正平行四边形机构的实际应用，由于两曲柄作等速同向转动，从而保证了机构的平稳运行。 图11-7c所示的车门启闭机构，是反平行四 图11-6 边机构的一个应用，但AD与BC不平行，因此，两曲柄作不同速反向转动，从而保证两扇门能同时开启或关闭。 另外，对平行双曲柄机构，无论以哪个构件为机架都是双曲柄机构。但若取较短构件作机架，则两曲柄的转动方向始终相同。 图11-7 （3）双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。图11-8a所示为港口起重机，当CD杆摆动时，连杆CB上悬挂重物的点M在近似水平直线上移动。图11-8b所示的电风扇的摇头机构中，电机装在摇杆4上，铰链A处装有一个与连杆1固结在一起的蜗轮。电机转动时，电机轴上的蜗杆带动蜗轮迫使连杆1绕A点作整周转动， 图 11-8 从而使连架杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的目的。 图11-9a、b所示的飞机起落架及汽车前轮的转向机构等也均为双摇杆机构的实际应用。汽车前轮的转向机构中，两摇杆的长度相等，称为等腰梯形机构，它能使与摇杆固联的两前轮轴转过的角度不同，使车轮转弯时，两前轮的轴线与后轮轴延长线上的某点P交于点，汽车四轮同时以P点为瞬时转动中心，各轮相对地面近似于纯滚动，保证了汽车转弯平稳并减少了轮胎磨损。 图11-9 11.1.2 四杆机构的演化 生产中广泛应用的各种四杆机构，都可认为是从铰链四杆机构演化而来的。下面通过实例介绍四杆机构的演化方法。 1. 曲柄摇杆机构的演化 1）改变机架 曲柄摇杆机构可以说是所有四杆机构的基础。如对图11-10a所示的曲柄摇杆机构，通过改变机架，即可得到双曲柄机构和双摇杆机构。 （1）以杆1作机架得到双曲柄机构见图11-10b； （2）以杆2作机架得到双摇杆机构见图11-10c。 图11-10 2） 改变运动副尺寸 （1）将运动副D尺寸扩大，大于摇杆做成一环形槽，摇杆做成弧形滑块得到曲柄弧形滑块机 构见图11-11（c）； （2）扩大到无穷大，环形槽变成直槽，摇杆的运动变成直线运动，摇杆变成滑块，得到偏置曲柄滑块机构见图11-11（d）。 3）改变运动副类型 （1）以高副代替转动副，将杆3改成滚子，得到机构如图11-11（e）； （2）将环形槽变为曲线槽，得到凸轮机构如图11-11（f）； 图11-11 （3）以两个移动副代替两个转动副，可得 双转块机构见图11-12（a）； 曲柄移动导杆机构见图11-13（a）； 双滑块机构见图11-14（a）。 图11-12 图11-13 图11-14 图11-12b所示的十字沟槽联轴节、图11-13b所示的缝纫机刺布机构及图11-14b所示的椭圆仪分别是它们的应用实例。 2. 曲柄滑块机构的演化 由曲柄摇杆机构演化而来的偏置曲柄滑块机构，按照上述的方法，又可得到更多的具有滑块的四杆机构。 1) 改变机架 （1） 使滑块导路与曲柄转动中心的偏距为零，可得对心曲柄滑块机构见图11-15（a）。 曲柄滑块机构在锻压机、空压机、内燃机及各种冲压机器中得到广泛应用，如前述的内燃机中的活塞连杆机构，就是曲柄滑块机构。 杆l1l2可得摆动导杆机构见图11-15（c）； 图11-15 导杆机构具有很好的传力性能，常用于插床、牛头刨床和送料装置等机械设备中。图11-16所示为爬杆机器人，这种机器人模仿尺蠖的动作向上爬行，其爬行机构就是曲柄滑块机构。图11-17a、b所示分别为插床主机构和刨床主机构。 图11-16 图11-17 （3）以杆2作机架，得到摇块机构见图11-18（a）； （4）以滑块作机架，得到定块机构见图11-18（b）。 摇块机构常用于摆缸式原动机和气、液压驱动装置中，如图11-19所示的货车翻斗机构及的图11-20所示的液压泵。 图11-18 图11-19 2）改变运动副尺寸 （1）扩大转动副C的半径，使其超过杆2的长度，将杆2改成滑块2在环形槽3内绕C点转动可得到移动环形导杆机构见图11-21（b）； （2）转动副C扩大到无穷大，环形槽变成直槽，可得到移动导杆机构见图11-21（c）； （3）将转动副B扩大并超过杆1的长度，杆1变成了圆盘1，可得到偏心轮机构见图11-21（d）。 图11-20 图11-21 偏心轮机构，实际上就是曲柄滑块机构，偏心圆盘的偏心距AB即为曲柄的长度。这种结构解决了由于曲柄过短，不能承受较大载荷的问题。多用于承受较大载荷的机械中，如破碎机、剪床及冲床等。 实际上，还可以将上述各机构进行不同的组合，从而得到更多及功能各异的机构。 11.2 平面四杆机构的基本特性 11.2.1 铰链四杆机构有曲柄的条件 铰链四杆机构三种基本型式的区别在于连架杆是否为曲柄。由于用低副联接的两构件无论固定其中哪一个，其相对运动不变，根据四杆机构的演化原理，存在曲柄的充要条件如下： （1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和； （2）最短杆或其相邻杆为机架。 根据有曲柄的条件可知： （1）当最长杆与最短杆长度之和大于其余两杆之和时，只能得到双摇杆机构； （2）当最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时， ※ 最短杆为机架时，得到双曲柄机构； ※ 最短杆的相邻杆为机架时，得到曲摇杆机构； ※ 最短杆的相对杆为机架时，得到双摇杆机构。 11.2.2 平面四杆机构的运动特性 1．平面四杆机构的极位、极位夹角、最大摆角 以图11-22所示的曲柄摇杆机构为例，当曲柄为原动件时，摇杆作往复摆动的左、右两个极限位置，称为极位；曲柄在摇杆处于两极位时的对应位置所夹的锐角称为极位夹角，用( 表示；摇杆的两个极位所夹的角度称为最大摆角，用(表示。 2．急回特性 图11-22 图中，当主动曲柄顺时针从AB1转到AB2，转过角度(1=180°+(，摇杆从C1D转到C2D，时间为t1，C点的平均速度为v1。曲柄继续顺时针从AB2转到AB1，转过角度=180－(，摇杆从C2D回到C1D，时间为t2，C点的平均速度为v2，曲柄是等速转动，其转过的角度与时间成正比，因(1>(2，故t1>t2，由于摇杆往返的弧长相同，而时间不同，t1>t2，所以 v2>v1，说明当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度不同，返回速度较大，机构的这种性质，称为机构的急回特性，通常用行程速度变化系数K来表示这种特性，即 （11-1） （11-2） 式（11-1）表明，机构的急回程度取决于极位夹角的大小，只要( 不等于零，即 K>1，则机构具有急回特性；( 越大，K值越大，机构的急回作用就越显著。 对于对心曲柄滑块机构，因( = 0°，则K=1，机构无急回特性；而对偏置式曲柄滑块机构和摆动导杆机构，因( ≠0°，则K>1，机构有急回特性。 四杆机构的急回特性可以节省非工作循环时间，提高生产效率，如牛头刨床中退刀速度明显高于工作速度，就是利用了摆动导杆机构的急回特性。 11.2.3 平面四杆机构的传力特性 平面四杆机构在生产中需要同时满足机器传递运动和动力的要求，具有良好的传力性能，可以使机构运转轻快，提高生产效率。要保证所设计的机构具有良好的传力性能，应从以下几个方面加以注意： 1．压力角和传动角 衡量机构传力性能的特性参数是压力角。在不计摩擦力、惯性力和杆件的重力时，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用( 表示；它的余角( 称为传动角。 图11-23所示曲柄摇杆机构中，如不考虑构件的重量和摩擦力，则连杆是二力杆，主动曲柄通过连杆传给从动杆的力F沿BC方向。受力点C的速度方向与F所夹的锐角即为机构在此位置的压力角(，F可分解为沿C点速度方向的有效分力Ft=Fcos(=Fsin(和沿杆方向的有害分力Fn=Fsin(=Fcos(。显然，( 越小或者(越大，有效分力越大，对机构传动越有利。( 和( 是 图11-23 反映机构传动性能的重要指标。由于( 角更便于观察和测量，工程上常以传动角来衡量连杆机构 的传动性能。 在机构运动过程中，压力角和传动角的大小是随机构位置而变化的，为保证机构的传力性能良好，设计时须限定最小传动角或最大压力角(max。通常取(min ≥40°～50°。为此，必须确定( = (min时机构的位置并检验(min的值是否小于上述的最小允许值。 铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置处将出现最小传动角。 对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图11-24所示。 图11-25所示的导杆机构，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆受力的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90°。 图11-24 图11-25 2．死点 图11-26示的曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，在曲柄与连杆共线的位置出现传动角等于零的情况，这时不论连杆BC对曲柄AB的作用力有多大，都不能使杆AB转动，机构的这种位置（图中虚线所示位置）称为死点。机构在死点位置，出现从动件转向不定或者卡死不动的现象，如缝纫机踏板机构采用曲柄摇杆机构，它在死点位置，出现从动件曲柄倒、顺转向不定（图11-27a）或者从动件卡死不动（图11-27b）的现象。 图11-26 图11-27 曲柄滑块机构中，以滑块为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是连杆与曲柄共线位置。 摆动导杆机构中，导杆为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是导杆与曲柄垂直的位置。 图11-28 对传动而言，机构设计中应设法避免或通过死点位置，工程上常利用惯性法使机构渡过死点，如图11-4所示的缝纫机，曲柄与大皮带轮为同一构件，利用皮带轮的惯性使机构渡过死点。图11-28所示的机车车轮联动机构，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点。对有夹紧或固定要求的机构，则可在设计中利用死点的特点，来达到目的。如图11-29所示的飞机起落架，当机轮放下时，BC杆与CD杆共线，机构处在死点位置，地面对机轮的力不会使CD杆转动，使飞机降落可靠。图11-30所示的夹具，工件夹紧后BCD成一条线，工作时工件的反力再大，也不能使机构反转，使夹紧牢固可靠。 图11-29 图11-30 11.3 平面四杆机构的设计 平面四杆机构设计的主要任务是：根据机构的工作要求和设计条件选定机构形式及确定各构件的尺寸参数。一般可归纳为两类问题： （1） 实现给定的运动规律。如要求满足给定的行程速度变化系数以实现预期的急回特性或实现连杆的几个预期的位置要求； （2） 实现给定的运动轨迹。如要求连杆上的某点具有特定的运动轨迹，如起重机中吊钩的轨迹为一水平直线、搅面机上E点的曲线轨迹等。 为了使机构设计得合理、可靠，还应考虑几何条件和传力性能要求等。 设计方法有图解法、解析法和实验法。三种方法各有特点，图解法和实验法直观、简单，但精度较低，可满足一般设计要求；解析法精确度高，适于用计算机计算，随着计算机的普及，计算机辅助设计四杆机构已成必然趋势。下面分别加以介绍。 11.3.1 用图解法设计四杆机构 1．按给定连杆位置设计四杆机构 （1）按连杆的三个位置设计四杆机构 如图11-31所示，已知连杆的长度BC以及它运动中的三个必经位置BC，要求设计该铰链四杆机构。 图11-31 图形分析： 由于连杆上的B点和C点分别与曲柄和摇杆上的B点和C点重合，而B点和C点的运动轨迹则是以曲柄和摇杆的固定铰链中心为圆心的一段圆弧，所以只要找到这两段圆弧的圆心，此设计即大功告成，由此将四杆机构的设计转化为已知圆弧上的三点求圆心的问题。 设计步骤： 1) 选取适当的比例尺； 2) 确定B点和C点轨迹的圆心A和D（作法略）； 3) 联接AB1C1D，则AB1C1D即为所要设计的四杆机构（见图）。 4) 量出AB和CD长度，由比例尺求得曲柄和摇杆的实际长度。 lAB=(l×AB lCD=(l×CD （2）按连杆的两个位置设计四杆机构 由上面的分析可知，若已知连杆的两个位置，同样可转化为已知圆弧上两点求圆心的问题，而此时的圆心可以为两点中垂线上的任意一点，故有无穷多解。这一问题，在实际设计中，是通过给出辅助条件来加以解决的。 例11-1 设计一砂箱翻转机构。翻台在位置Ⅰ处造型，在位置Ⅱ处起模，翻台与连杆BC固联成一体，lBC=0.5 m，机架AD为水平位置，如图11-32所示。 解： 由题意可知此机构的两连杆位置，图形分析同前。 作图步骤如下： 1） (L=0.1m/mm，则BC=lBC/(l= 0.5/0.1=5 mm，在给定位置作B1C1、B2C2； 2） 作B1B2的中垂线b12、C1C2的中垂线c12； 3） 按给定机架位置作水平线，与b12 、c12分别交得点A、D； 4） 连接AB和CD，即得到各构件的长度为： lAB=(l×AB=0.1×25=2.5 m lCD=(l×CD=0.1×27=2.7 m lAD=(l×AD=0.1×8=0.8 m 图11-32 图11-33 2．按给定的行程速度变化系数设计四杆机构 例11-2 设已知行程速度变化系数K、摇杆长度lCD、最大摆角(，试用图解法设计此曲柄摇杆机构。 解： 图形分析：由曲柄摇杆机构处于极位时的几何特点我们已经知道（见图11-22），在已知lCD、(的情况下，只要能确定固定铰链中心A的位置，则可由确定出曲柄的长和连杆的长度，即设计的实质是确定固定铰链中心A的位置。这样就把设计问题转化为确定A点位置的几何问题了。 设计步骤： （1）由式（11-2）计算出极位夹角(； （2）任取适当的长度比例尺(L，求出摇杆的尺寸CD，根据摆角作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D，如图11-33。 （3）连接C1C2为底边，作∠C1C2O= ∠C2C1O=90°－( 的等腰三角形，以顶点O为圆心，C1O为半径作辅助圆，由图11-33可知，此辅助圆上C1C2所对的圆心角等于2(，故其圆周角为(； （4）在辅助圆上任取一点A，连接A C1、A C2，即能求得满足K要求的四杆机构。 lAB=(L（AC2－AC1）/2 lBC=(L（AC2＋AC1）/2 应注意：由于A点是任意取的，所以有无穷解，只有加上辅助条件，如机架AD长度或位置，或最小传动角等，才能得到唯一确定解。 由上述分析可见，按给定行程速度变化系数设计四杆机构的关键问题是：已知弦长求作一圆，使该弦所对的圆周角为一给定值。 11.3.2 用解析法设计四杆机构 在图11-34所示的铰链四杆机构中，已知连架杆AB和 CD的三组对应位置要求确定各构件的长度A、B、C、D。 如图所示选取直角坐标系xOy，将各杆分别向x轴和 y轴投影，得 图11-34 l1cos( + l2 cos ( + l3 cos (= l4 l1sin( + l2sin( = l3sin( （11-3） 将方程组中的( 消去，可得 R1+R2 cos (+R3 cos (= cos（(－(） （11-4） 式中 R1=（l42+l12+l32－l22）（2 l1 l3） R2=－l4 / l3 （11-5） R3=l4 / l1 将已知的三组对应位置(1、(1，(2、(2，(3、(3，分别代入，可得线性方程组 R1+R2 cos (1+R3 cos (1= cos（(1－(1） R1+R2 cos (2+R3 cos (2= cos（(2－(2） （11-6） R1+R2 cos (3+R3 cos (3= cos（(3－(3） 由方程组可解出R1 、R2 、R3，然后根据具体情况选定机架长度，则各杆长度由下列各式 求出 l1= l4 / R3 （11-7） l3=－l4 / R2 用解析法设计四杆机构可得到较精确的设计结果，但计算工作量很大，随着计算机的普及，这部分工作完全可以由计算机来完成，使人们从繁琐的数学计算中解放出来，解析法设计四杆机构目前已进入了实用阶段。 11.3.3 实验法设计四杆机构简介 按给定的运动轨迹设计四杆机构，工程中通常采用实验法，四杆机构运动时，连杆作平面复杂运动，对其上面任一点都能描绘出一条封闭曲线，这种曲线称为连杆曲线。连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各构件相对长度的不同而不同。为了方便设计，工程上已将用不同杆长通过实验方法获得的连杆上不同点的轨迹汇编成图谱册，如图11-35所示的连杆曲线图谱。当需要按给定运动轨迹设计四杆机构时，设计者只需从图谱中选择与设计要求相近的曲线，同时查得机构各杆相对尺寸及描述点在连杆平面上的位置，再用缩放仪求出图谱曲线与所需轨迹曲线的缩放倍数，即可求得四杆机构的各杆实际尺寸。 图11-35 本 章 小 结 1．四杆机构的基本形式 曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构 2．铰链四杆机构曲柄存在的条件 1）杆长之和条件 2）最短杆或其相邻杆为机架 3．平面四杆机构的运动特性 1）极位夹角θ——曲柄在摇杆处于两极位时的对应位置所夹的锐角 2）最大摆角——摇杆的两个极位所夹的角度 3）急回特性——机构的返回行程速度大于工作行程速度的性质，称为机构的急回特性，用行程速比系数K表示 4．平面四杆机构的传力特性 （1）传动角与压力角 压力角——传动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，用(表示。 传动角——压力角的余角，用γ表示。 （2）死点 摇杆作主动件时，当曲柄与连杆共线时，从动件转向不定或被卡死的现象。 思 考 题 11-1 铰链四杆机构有哪几种类型，如何判别？它们各有什么运动特点？ 11-2 下列概念是否正确，若不正确，请订正。 （1） 极位夹角就是从动件在两个极限位置的夹角； （2） 压力角就是作用于构件上的力和速度的夹角； （3） 传动角就是连杆与从动件的夹角。 11-3 加大四杆机构原动件的驱动力，能否使该机构越过死点位置？应采用什么方法越过死点位置？ 习 题 11-1 根据图中注明的尺寸，判别各四杆机构的类型。 题11-1图 11-2 图示各四杆机构中，原动件1作匀速顺时针转动，从动件3由左向右运动时，要求 （1） 各机构的极限位置图，并量出从动件的行程； （2） 计算各机构行程速度变化系数； （3） 作出各机构出现最小传动角（或最大压力角）时的位置图，并量出其大小。 11-3 若题11-2图所示各四杆机构中，构件3为原动件、构件1为从动件，试作出该机构的死点位置。 题11-2图 11-4 图示铰链四杆机构ABCD中，AB长为A，欲使该机构成为曲柄摇杆机构、双摇杆机构，A的取值范围分别为多少？ 题11-4图 题11-5图 11-5 如图所示的偏置曲柄滑块机构，已知行程速度变化系数K=1.5mm，滑块行程H=50mm，偏距e=20mm，试用图解法求： （1） 曲柄长度和连杆长度； （2） 曲柄为主动件时机构的最大压力角和最大传动角； （3） 滑块为主动件时机构的死点位置。 11-6 已知铰链四杆机构（如图所示）各构件的长度，试问： （1） 这是铰链四杆机构基本型式中的何种机构？ 题11-6图 （2） 若以AB为主动件，此机构有无急回特性？为什么？ （3） 当以AB为主动件时，此机构的最小传动角出现在机构何位置（在图上标出）？ 11-7 参照图设计一加热炉门启闭机构。已知炉门上两活动铰链中心距为500 mm，炉门打开时，门面朝上，固 定铰链设在垂直线yy上，其余尺寸如图示。 11-8 参照图设计一牛头刨床刨刀驱动机构。已知lAC=300 mm，行程H=450 mm，行程速度变化系数K=2。 题11-7图 题11-8图 - 179 - _1098639867.unknown _1143038959.unknown _1139640604.unknown _1098639855.unknown _1098015779.unknown