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1、山西轻工职业技术学院轻工分院毕业论文平面四杆机构的演化与应用教学系专业班级学生姓名指导老师姓名山西轻工职业技术学院二零一一年十二月十日引言我们现在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。全国的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、轮廓的综合的四个研究方向。到第六次会议，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。到第七届会议，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
2、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。1.1与平面四杆机构相关的概念为了分析机构的组成以及机构具有确定运动的条件，必须首先研究机构间的连接形式，即运动副。按照接触形式，通常把运动副分为高副和低副。两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副，两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面机构的低副又有转动副和移动副，若组成运动的两构件只能在平面内相对做旋转运动，这种运动副称为转动副（或称为铰链），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。
3、机构中的机构分为机架、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，为了是问题简单化，仅有简单的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，这种说明机构构件相对运动关系的简图，称为机构运动简图。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，每一个自由构件具有3个自由度。两个以上的构件同时在一处以转动副连接就构成了复合铰链。在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，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，在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计。机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束，称为
4、虚约束。计算机构自由度时，应将其除去不计。虚约束对运动虽然不起作用，但可以增强构件的刚性和使构件受力均衡。在机构中，固定件为机架，与机架相连的叫连架杆，与机架相对的叫连杆。在连架杆中，能作整周回转运动的叫曲柄，在一定范围内摆动的叫摇杆，若组成转动副的两构件能作整周相对运动，则该转动副叫整转副，不能作整周相对运动的则成为摆动副。1.2平面四杆机构的基本类型根据连架杆的运动方式不同，铰链四杆机构分为以下三种基本形式：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，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构叫曲柄连杆机构，在这种机构中，当曲柄为主动件，摇杆为从动
5、件，可将曲柄的连续转动，转变为摇杆的往复摆动。此种机构被广泛应用，如图所示雷达天线俯仰角调整机构。当摇杆为主动件时，曲柄为从动件，将主动件的往复摆动转化为从动曲柄的整周转动，如图所示的脚踏砂轮机机构。1.2.2双曲柄机构在铰链四杆机构，若两连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。主动曲柄等速转动，从动曲柄一般为变速转动。如图1-3所示插床六杆机构是以双曲柄机构为基础扩展而成的。在双曲柄机构中有一种特殊机构，连杆与机构的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同的曲柄机构，称为平行四边行机构，由于这种机构两曲柄的角速度始终保持相等，且连杆始终保持平动，因此应用较广泛，如图所示的天平机构。平面四边行机构有以下
6、三个运动特点：1.两曲柄转速相等如图所示的机车车轮联动机就是利用平行四边行机构的这一特性。2.连杆始终与机架平行如图所示的天平机构，始终保证天平1、2处于水平位置。3.运动的不确定性如图所示，在平行四边形机构中，当两曲柄转至与机架共线位置时，主动曲柄AB继续转动，例如到达AB2位置；从动曲柄CD可能按原转动方向转到C2D位置此时机构仍是平行四边形机构，也可能反向转到C3D位置。为了克服运动的不确定性，可以对从动曲柄施加外力或利用飞轮及构件本身的惯性作用，也可以采用辅助曲柄等措施解决。如图所示对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相等，两个曲柄长度相等所组成的转向相反的双曲柄机构称为反平
7、行四边形机构。反平行四边行机构不具备平行四边行机构前述两个运动特征，如图所示。1.2.3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，常由于操纵机构、仪表机构等。如图所示港口起重机机构，可以实现货物的水平移动，以减少功率消耗。 1.3铰链四杆机构的演化及应用1.3.1曲柄滑块机构在图所示的曲柄摇杆机构中，曲柄1为主动件，摇杆3为从动件，摇杆3上C点的轨迹是以D为圆心、以摇杆3的长度CD为半径的圆弧mm。当将摇杆转化成滑块，使滑块与机架组成移动副，同时保证C点轨迹不变时，C点的轨迹由圆弧线转化为同一圆弧线的滑槽。此时，虽然转动副D的类型发生改变，但机构的运动特性并没有改变。若将弧线形
8、滑槽的半径增至无穷大，即转动副D的中心移至无穷远处，弧线形滑槽变为直槽。这样曲柄摇杆机构演化成一种新的机构曲柄滑块机构。 曲柄滑块机构是由曲柄、连杆、滑块、机架组成，滑块轨道中心线通过曲柄的转动中心A时。称为对心曲柄滑块机构，滑块往复移动的距离H称为滑块行程。若滑块轨道中心线偏离曲柄的转动中心A，称为偏置曲柄滑块机构，滑块轨道中心线与曲柄的转动中心的垂直距离e称为偏心距。如图所示： 曲柄滑块机构可将主动滑块的往复直线运动经连杆转化为从动曲柄的连续转动，如应用于发动机中；也可将主动曲柄的连续转动经连杆转化为从动滑块的往复直线运动；如应用往复式气体压缩机、往复式液压泵等机械中。1.4平面四杆机构存
9、在曲柄的条件及基本特性1.4.1铰链四杆机构存在曲柄的条件可归纳出铰链四杆机构中曲柄存在的条件：1. 连架杆和机架中必有一杆为最短杆（简称最短杆条件）2. 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称长度和条件）。通过分析可得出如下结论：【1】 取最短杆为连架杆，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，组成了曲柄摇杆机构。【2】 取最短杆为机架，则两连架杆均为曲柄，组成双曲柄机构。【3】 取最短杆对面的杆为机架，则两连架杆均为摇杆，组成双摇杆机构。3. 铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和则不论取那一杆为机架，都没有曲柄存在，均为双摇杆机构。1.4.2急回特性某
10、些连杆机构，例如插床，刨床等单工作的机械，当主动件（一般为曲柄）等速转动时，为了缩短机器的非工作时间，提高生产效率，要求从动件作快速返回。这种当主动件等速转动时，做往复运动的从动件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性，称为急回特性。现在以曲柄摇杆机构为例，分析机构的急回特性。如图所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为主动件，摇杆CD为从动件。当曲柄AB按顺时针做等速转动时，摇杆CD做变速往复摆动。曲柄AB在转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线，这时摇杆CD分别位于两极限位置C1D与C2D。从动摇杆在两极限位置C1D与C2D之间往复摆动的角度称为摆角。从从动件CD处于两极限位置，曲柄
11、两对应位置之间所夹的锐角称为极位夹角。 在曲柄摇杆机构中，设摇杆由C1D摆到C2D的运动过程为工作行程。在这一行程中，曲柄转角1=180+，所需时间为t1=1/=(180+)/,摇杆的摆角为，摇杆在工作行程中的平均速度v1=C1C2/t1。摇杆由C2D摆回C1D的运动为回程。这一回程中，曲柄转角2=180-，所需时间为t2=2/=(180-)/，摇杆摆角为，摇杆在回程中的平均速度为v2= C2C1/t2。因为(180+) (180-)，即t1t2,所以v1v2,表明曲柄摇杆机构具有急回特性。急回特性的程度用v1和v2的比值K来表示，K称为行程速比系数，即：K= v1/v2=t1/t2=1/2=
12、(180+)/ (180-)。上式表明，机构的急回速度取决于极位夹角的大小。越大，K值越大，机构的急回程度越明显，但机构的传动平稳性下降。在设计时，应根据工作要求，合理地选择K值，通常K=1.22.0。1.43压力角和传动角在设计平面四杆机构时，不仅应使其实现预期的运动，而且应运转轻便、效率高，即具有良好的传力性能。在如图所示的曲柄摇杆机构中，如不计各杆质量和运动副的摩擦，则连杆BC可视为二力杆，它作用于从动摇杆CD上的力F是沿BC方向的。作用在从动件上的驱动力F与其受力点速度vc方向线之间所夹的锐角称为压力角。压力角的余角称为传动角。压力角和传动角在机构运动过程中是变化的。压力角越小或传动角
13、越大，对机构的传动越有利；而压力角越大或传动角越小，会使传动副中得压力增大，磨损加剧，降低机构传动效率。由此可见，压力角和传动角是反映机构传力性能的重要指标。为了保证机构的传力性能良好，规定工作行程的最小传动角min4050。 1.4.4死点位置如图所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆为主动件，当摇杆处于两极限位置时，从动曲柄与连杆共线，主动摇杆通过连杆传给从动曲柄的作用力通过曲柄的转动中心，此时曲柄的压力角=90，传动角=0，因此无法推动曲柄转动，机构的这个位置称为死点位置。死点位置常使机构从动件无法运动或出现运动不确定现象。以滑块为主动件的曲柄滑块机构中，连杆与曲柄共线时的两个位置也称死点位置。
14、由上述可见，平面四杆机构是否存在死点位置，取决于从动件是否与连杆共线。对于同一机构，若主动件不同，有无死点位置将有所不同。例如对于曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构，当曲柄为主动件时机构没有死点位置，只有当曲柄为从动件时机构才具有死点位置。为了使机构能顺利地通过死点位置，通常在从动件轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点位置。也可采用多组机构交错排列的方法，如两机构交错排列，使左右两机构不同时处于死点位置。在工程上有时也需要利用机构的死点位置来进行工作。1.5平面机构的自由度的计算和机构具有确定的条件设一个平面机构由N个构件组成，其中有一个构件为机架，则活动构件数n=N-1。它们在未组成运动副之前，共有
15、3n个自由度。用运动副连接后便引入了约束，减少了自由度。若机构中有PL个低副、PH个高副，则平面机构的自由度F的计算公式为:F=3n-2PL-PH。如图所示颚式破碎机主体机构运动简图，其活动件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=1。 在上述颚式破碎机主体机构中，由于原动件的数目和机构自由度的数目相等，所以机构有确定的运动。一般情况下，若机构中原动件的数目多于机构的自由度数目，将导致机构中最薄弱的构件损坏；若机构中原动件的数目少于机构的自由度数目，则机构的运动不确定，首先沿阻力最小的方向。因此，当机构中原动件的数目少于机构的自由度数目时，机构中各构件
16、就会就具体有确定的相对运动。1.6结论与建议平面四杆机构是一种应用广泛的机构。平面四杆机构中连杆上点的轨迹非常活跃，在机构尺寸不变而连杆上点的位置不同时，轨迹多种多样，若再加上机构尺寸变化，使得连杆上点的轨迹就更加丰富。因此满足各类不同工作要求的连杆机构设计便成了连杆研究中的一个非常具有现实意义的课题。传统的轨迹优化问题都是通过图解法，其特点是求解简单、直观，但是精度不高。随着计算机的出现及其性能的提高，利用计算机进行构件的仿真与设计已成为一种重要手段。由于平面四杆机构的运动副均为低副。构件间是面接触，其单位面积承受的压力较小，且便于润滑、磨损较小，故能传递较大的载荷。组成低副的元件表面全是圆柱面似乎面。因而制造简单。成本较低，并可获得较高的精度。
