[精品資料]本科資料 鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性

1、本科生畢業(yè)論文 鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性 目 錄摘要1關(guān)鍵詞11 鉸鏈四連桿機構(gòu)的基本形式和特征21.1 曲柄搖桿機構(gòu)21.1.1 急回運動31.1.2 壓力角和傳動角41.1.3 死點位51.2 雙曲柄機構(gòu)61.3 雙搖桿機構(gòu)61.4 鉸鏈四連桿機構(gòu)的特征72 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化82.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件82.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的演化93 鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動分析10 3.1 運動分析的目的和方法10 3 . 2 用 速度瞬心法對平面機構(gòu)作速度分析10 33 平面機構(gòu)運動分析的解析法13 4 結(jié)論14 參考文獻15 致謝15 鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動特性分析 學(xué) 生：謝賢能 指導(dǎo)老師：李

2、紅梅 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410128 摘 要：在各種機構(gòu)型式中，連桿機構(gòu)的特點表現(xiàn)為具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和多種多樣的特性。僅就平面連桿機構(gòu)而言，即使其連桿件數(shù)被限制在很少的情況下，大量的各種可能的結(jié)構(gòu)型式在今天仍難以估計。它們的特性在每一方面是多種多樣的，以致只能將其視為最一般形式的機械系統(tǒng)。本文對鉸鏈四連桿機構(gòu)運動進行了分析，從而用以設(shè)計。 關(guān)鍵詞：鉸鏈四連桿機構(gòu)；曲柄搖桿；雙曲柄；雙搖桿；急回運動；等 第1頁一、 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式和特性 構(gòu)件間用四個轉(zhuǎn)動副相連的平面四桿機構(gòu)簡稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖 1-1。其中固定不動的桿 1 稱為機架；與機架相連的桿 2 和桿 4 稱

3、為連架桿；不與機架相連的桿 3 稱為連桿。在連架桿中能繞固定軸線整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為曲柄，只能在某一角度范圍內(nèi)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。 圖 1-1 鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)可分：曲柄搖桿機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu) 雙搖桿機構(gòu)（一）曲柄搖桿機構(gòu) 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿，則此鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。圖 1-2 所示為調(diào)整雷達天線俯仰角的曲柄搖桿機構(gòu)。曲柄 1 緩慢地勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿 2 使搖桿 3在一定的角度范圍內(nèi)搖動，從而調(diào)整天線俯仰角的大小。 圖 1-2 雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu) 第2頁下面詳細討論曲柄搖桿機構(gòu)的一些主要特性： 1急回運動 如圖 1-3 所示為一曲柄搖

4、桿機構(gòu)，其曲柄 ab 在轉(zhuǎn)動一周的過程中，有兩次與連桿 bc 共線。這 兩個位置，鉸鏈中心 a 與 c 之間的距離 ac1 和 ac2 分別為最短和最長，因而搖桿 cd 的位置 c1d 和 c2d 分別為兩個極限位置。搖桿在兩極限位置間的夾角 稱為搖桿的擺角。 圖 1-3 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性 當曲柄由位置 ab1 順時針轉(zhuǎn)到位置 ab2 時，曲柄轉(zhuǎn)角 1180，這時搖桿由極限位置 c1d 擺到極限位置 c2d，搖桿擺角為 ；而當曲柄順時針再轉(zhuǎn)過角度 2180- 時，搖桿由位置 c2d 擺回到位置 c1d，其擺角仍然是 。雖然搖桿來回擺動的擺角相同，但對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角卻不等12當曲柄勻速轉(zhuǎn)動時

5、對應(yīng)的時間也不等t1gtt2，這反映了搖桿往復(fù)擺動的快慢不同。令搖桿自 c1d 擺至c2d 為工作行程，這時鉸鏈 c 的平均速度是 v1c1c2/t1；擺桿自 c2d 擺回至 c1d 為空回行程，這時 c點的平均速度是 v2c1c2/t2，v1ltv2，表明搖桿具有急回運動的特性。牛頭刨床、往復(fù)式運輸機等機械利用這種急回特性來縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。 急回運動特性可用行程速比系數(shù) k 表示，即 （1-1） 式中， 為搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角為極位夾角。將上式整理后，可得極位夾角的計算公式： （1-2） 由以上分析可知：極位夾角 越大，k 值越大，急回運動的性質(zhì)也越顯著。但

6、機構(gòu)運動的平穩(wěn)性也越差。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)其工作要求，恰當?shù)剡x擇 k 值，在一般機械中 1ltklt2。 第3頁 2壓力角和傳動角 在生產(chǎn)實際中往往要求連桿機構(gòu)不僅能實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律，而且希望運轉(zhuǎn)輕便、效率高。圖1-4 所示的曲柄搖桿機構(gòu)，如不計各桿質(zhì)量和運動副中的摩擦，則連桿 bc 為二力桿，它作用于從動搖桿 3 上的力 p 是沿 bc 方向的。作用在從動件上的驅(qū)動力 p 與該力作用點絕對速度 vc 之間所夾的銳角 稱為壓力角。由圖可見，力 p 在 vc 方向的有效分力為 ptpcos，它可使從動件產(chǎn)生有效的回轉(zhuǎn)力矩，顯然 pt 越大越好。而 p 在垂直于 vc 方向的分力 pnpsin

7、 則為無效分力，它不僅無助于從動件的轉(zhuǎn)動，反而增加了從動件轉(zhuǎn)動時的摩擦阻力矩。因此，希望 pn 越小越好。由此可知，壓力角 越小，機構(gòu)的傳力性能越好，理想情況是 0，所以壓力角是反映機構(gòu)傳力效果好壞的一個重要參數(shù)。一般設(shè)計機構(gòu)時都必須注意控制最大壓力角不超過許用值。 圖 1-4 壓力角與傳動角 在實際應(yīng)用中，為度量方便起見，常用壓力角的余角來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞，稱為傳力角。顯然值越大越好，理想情況是90 度。 由于機構(gòu)在運動中，壓力角和傳動角的大小隨機構(gòu)的不同位置而變化。角越大，則越小，機構(gòu)的傳動性能越好，反之，傳動性能越差。為了保證機構(gòu)的正常傳動，通常應(yīng)使傳動角的最小值min 大于或等于

8、其許用值。一般機械中，推薦40 度50 度。對于傳動功率大的機構(gòu)，如沖床、顎式破碎機中的主要執(zhí)行機構(gòu)，為使工作時得到更大的功率，可取min40 度50 度。對于一些非傳動機構(gòu)，如控制、儀表等機構(gòu)，也可取minlt40 度，但不能過小。可以采用以下方法來確定最小傳動角 min。由圖 4-5 中abd 和bcd 可分別寫出 2 2 2 bd l1 l4 -2l1l4cosltbad 2 2 2 bd l2 l3 -2l2l3cosltbc4由此可得 第4頁 當0 度和 180 度時，cos1 和-1，角 bcd 分別出現(xiàn)最小值角 bcd（min）和最大值角 bcdmax（見圖 1-4）。如上所述，

9、傳動角是用銳角表示的。當角 bcd 為銳角時，傳動角角 bcd，顯然，角 bcdmin也即是傳動角的最小值；當角 bcd 為鈍角時，傳動角應(yīng)以180 度-角 bcd 來表示， 顯然，角 bcdmax對應(yīng)傳動角的另一極小值。若角 bcd 由銳角變成鈍角，則機構(gòu)運動過程中，將在角 bcdmin和角 bcdmax位置兩次出現(xiàn)傳動角的極小值。兩者中較小的一個即為該機構(gòu)的最小傳動角min。 3死點位置 對于圖 1-4 所示的曲柄搖桿機構(gòu)，如以搖桿 3 為原動件，而曲柄 1 為從動件，則當搖桿擺到極限位置 c1d 和 c2d 時，連桿 2 與?1 共線，若不計各桿的質(zhì)量，則這時連桿加給曲柄的力將通過鉸鏈中

10、心 a，即機構(gòu)處于壓力角90 度（傳力角0 度）的位置，此時驅(qū)動力的有效力為 0。此力對 a 點不產(chǎn)生力矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。死點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定的現(xiàn)象。出現(xiàn)死點對傳動機構(gòu)來說是一種缺陷，這種缺陷可以利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)的慣性或添加輔助機構(gòu)來克服。 但在工程實踐中，有時也常常利用機構(gòu)的死點位置來實現(xiàn)一定的工作要求，如圖 4-6 所示的工件夾緊裝置，當工件 5 需要被夾緊時，就是利用連桿 bc 與搖桿 cd 形成的死點位置，這時工件經(jīng)桿1、桿 2 傳給桿 3 的力，通過桿 3 的傳動中心 d。此力不能驅(qū)使桿 3 轉(zhuǎn)動。故當撤去主動外力 p 后，在工作

11、反力 n 的作用下，機構(gòu)不會反轉(zhuǎn)，工件依然被可靠地夾緊。 圖 1-5 利用死點夾緊工件的夾具 第5頁（二） 雙曲柄機構(gòu) 在四桿機構(gòu)中除機架和連桿外其余兩構(gòu)件均為曲柄。 應(yīng)用舉例:a.攝影平臺升降機構(gòu) 圖 1-6 平行四邊形機構(gòu). b.慣性篩。 圖 1-7 平行四邊形機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu). （圖 1-8） c.機車車輪聯(lián)動機鉤。 d.車門開閉機構(gòu)。反平行四邊機構(gòu) e.天平。天平盤保持水平 運動轉(zhuǎn)變:勻速轉(zhuǎn)動急回特性的運動. （圖 1-6） 圖 1-7 （圖 1-8）（三） 雙搖桿機構(gòu) 兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)。 應(yīng)用舉例: a.翻臺式造型機. b.鶴式起重機的變幅機構(gòu).（圖 1-

12、9） c.汽車前輪轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。等腰梯形機構(gòu) 近似純滾動，減磨。（圖 1-10） d.風(fēng)扇搖頭機構(gòu). （圖 1-9） （圖 1-10） 第6頁四 鉸鏈四桿機構(gòu)的特點 鉸鏈四桿機構(gòu)具有如下特點： 1 鉸鏈四桿機構(gòu)是低副機構(gòu)，構(gòu)件間的相對運動部分為面接觸，故單位面積上的壓力較小。并且低副的構(gòu)造便于潤滑，摩擦磨損較小，壽命長，適于傳遞較大的動力。如動力機械、鍛壓機械等都可采用。 2 兩構(gòu)件的接觸面為簡單幾何形狀，便于制造，能獲得較高精度。 3 構(gòu)件間的相互接觸是依靠運動副元素的幾何形狀來保證，無需另外采取措施。 4 運動副中存在間隙，難以實現(xiàn)從動件精確的運動規(guī)律 第7頁二、鉸鏈四桿機構(gòu)的演化（一）

13、鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，有四個轉(zhuǎn)動副和四個桿，為什么連架桿能作整周旋轉(zhuǎn)（曲柄） ，有時就不能作整周旋轉(zhuǎn)（搖桿）呢？這主要是因為四桿的相對桿長能約束連架桿是否能整周旋轉(zhuǎn)或只作擺動的緣故。它們存在什么樣的規(guī)律呢？設(shè)：aba， bcb， cdc， add 連架桿 連桿 連架桿 機架將 b 副拆開后，1 桿上 b1 點： 在以 a 為圓心，a 為半徑的圓上。2 桿上 b2 點，在以 d 為圓心， （bc）為半徑之內(nèi) （cb）為半徑之外 的圓環(huán)區(qū)域 h 內(nèi)。當 b1 軌跡全在區(qū)域 h 內(nèi)，b1 和 b2 有公共點，1 構(gòu)件能整周旋轉(zhuǎn)曲柄存在。當 b1 軌跡超出 h 域，則表明超出部

14、分 b1 和 b2 沒有公共點，則 b 副必須拆開，即 1 桿不能整周旋轉(zhuǎn)曲柄不存在。例如圖中部分軌跡 efg 和 efg已超出 h 區(qū)域。當然最危險的位置是 f 和f，越出范圍最大。如果 f 和 f點 1 構(gòu)件都能通過，則其余各點必能通過。所以 1 構(gòu)件整周旋轉(zhuǎn)最危險點在構(gòu)件 ab 和機架 ad 共線：拉直或重疊欲使 b1 軌跡全部在 h 內(nèi)，即使 f 和 f全在 h 內(nèi)，則：拉直：adbc 2-1重疊：d-ac-b （2-2 用絕對值表明：da，也可 ad cb，也可 bc b2最外軌跡 b2 b2最內(nèi)軌跡 b2 b1軌跡 c c b b b2quot e c b1 h a e f a d

15、 f g g c-b b a d-a c d bc da 第8頁1）當 da，bc 時，則（22）式，dabc abdc （23a） da，cb，則（22）式 dacb dbac acbd 2-3b 將（21）（23a）（23b）分別相加得： ， ， ac ab ad 2-4 a 最短2）當 ad bc 則（22） adbc dbac 2-5a ad cb 則（22） adcb dcab 2-5b dabc 2-1 3-1 2-5a 2-5b分別兩兩相加得： dc db da結(jié)論：曲柄存在條件： 1） 連架桿與機架中必有一桿為四桿中最短桿。 （最短桿是連桿不行） 2） 最短桿與最長桿桿長之和小

16、于或等于其余兩桿之和（稱為桿長和條件） 另外，點出曲柄搖桿機構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生觀察出最短桿和相鄰的桿組成的兩個轉(zhuǎn)動副是“周轉(zhuǎn) 副”，而四副中另兩個副只是擺動副。 上節(jié)中知，取不同構(gòu)件為機架時，可得三種不同形式的基本機構(gòu)，道理在于最短桿帶的兩 個副是周轉(zhuǎn)副而另兩個不是。曲柄存在條件的具體應(yīng)用：1） 在鉸鏈四桿機構(gòu)中，當最短桿加最長桿其余兩桿之和2） 當不符合桿長和條件，則機構(gòu)只能是雙搖桿機構(gòu) 應(yīng)當注意：四桿機構(gòu)是封閉形，故最長桿其余三桿之和，否則，將有一處開裂，不成封閉形。（二）鉸鏈四桿機構(gòu)的演化演化原則：不改變構(gòu)件間的相對運動狀況，而只可改變構(gòu)件形狀或絕對運動。 1轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副 2取不同構(gòu)件為

17、機架： 3變換構(gòu)件的形態(tài) 4擴大轉(zhuǎn)動副尺寸。 第9頁三、鉸鏈四連桿機構(gòu)的運動分析（一）運動分析的目的和方法 1.目的： 不考慮外力及構(gòu)件變形的影響。 運動分析：研究在已知原動件的運動規(guī)律的條件下，分析機構(gòu)中其余各構(gòu)件上各點的位移/軌跡（角位移），速度（角速度） 。 ，加速度（角加速度） 位移 s（軌跡）/角位移 ：所占空間，行程，能否實現(xiàn)軌跡點。如攪拌機構(gòu) 速 度 v / 角速度 ：如牛頭刨床刨刀速度。也是加速度分析的基礎(chǔ)。 加速度 a / 角加速度：以便求慣性力。 2.方法： 速度瞬心法 圖解法： 優(yōu)點：形象，直觀，簡單。缺點：精度低，繁瑣 相對速度圖解法 。 解析法：建模快速，精度高（數(shù)學(xué)

18、工具，計算技術(shù)） 實驗法（二）用速度瞬心法對平面機構(gòu)作速度分析 應(yīng)用于少構(gòu)件機構(gòu)。如：凸輪，齒輪，平面連桿機構(gòu)等。 1.速度瞬心法及其在機構(gòu)中的數(shù)目： 速度瞬心：相對作平面運動的兩構(gòu)件上瞬時相對速度等于零的點或者說絕對速度相等的點 1 （即等速重合點）稱為速度瞬心。 pij構(gòu)件 i 與構(gòu)件 j 的瞬心。 絕對瞬心：絕對速度為零的瞬心。 速度瞬心 相對瞬心：絕對速度不為零的瞬心。 速度瞬心在機構(gòu)中的數(shù)目： m m 1 k cm2 （3-1） 2 k機構(gòu)中速度瞬心的數(shù)目 m機構(gòu)中構(gòu)件數(shù)（含機架） 第 10 頁 2.機構(gòu)中瞬心位置的確定法： （1）定義法： 瞬心方向和速度方向 當兩構(gòu)件 1，2 直接

19、相聯(lián)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副時，轉(zhuǎn)動中心即為該兩構(gòu)件的瞬心 p12 1 。 當兩構(gòu)件 1，2 構(gòu)成移動副時，構(gòu)件 1 上各點相對于構(gòu)件 2 的速度均平行于移動副導(dǎo)路， 2故瞬心 p12 必在垂直導(dǎo)路方向上的無窮遠處。 當兩構(gòu)件以平面高副相聯(lián)接時： 3 當兩構(gòu)件作純滾動時，接觸點相對速度為 0，故接觸點為瞬心 p12。 當兩構(gòu)件作既滾又滑時，速度方向沿切方向，瞬心 p12 位于過接觸點的公法線上。 （2）三心定理法： 三心定理：三個做平面運動的構(gòu)件，它們的三個瞬心必在同一條直線上。 kc32（32）/23 圖 3-1 證明：p13，p23 絕對瞬心 重合點 k（找的瞬心點） vk1 和 p13k1 v k2

20、和 p23k3 vk1 和 vk2 方向不同 要使其方向相同，k 必在 p13 p23 連線上。 即 p12 p13 p23 共線 3.速度瞬心在平面機構(gòu)速度分析中的應(yīng)用舉例 （1） 平面四桿機構(gòu) l 構(gòu)件實際長度m / 圖紙上構(gòu)件的長度mm 鉸鏈四桿機構(gòu)： 1 已知：各桿長度及1 求： 所有瞬心、3 解： （如圖）p14 ，p12 ， p23 ， p34 用三心定理 p24 ，p13 1 p14p13l 3p34 p13l 3 p14p13 / （p34p13） 1 第 11 頁 推論：在多桿機構(gòu)中，不直接接觸的兩構(gòu)件 i j 的瞬心在包含該二構(gòu)件（i j）的兩組 3構(gòu)件瞬心連線的交點上。 2 曲柄滑塊機構(gòu)： 已知：各構(gòu)件尺寸及1 求： v3 及各瞬心 解： v3vp131p14p131 （2） 凸輪機構(gòu)： 已知：各構(gòu)件