常用机械机构.doc
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1、第4章 常 用 机 构4.1 平面连杆机构4.1.1 平面连杆机构的组成我们将机构中所有构件都在一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。1、构件的自由度如图41所示,一个在平面内自由运动的构件,有沿X轴移动,沿y轴移动或绕A点转动三种运动可能性。我们把构件作独立运动的可能性称为构件的“自由度”。所以,一个在平面自由运动的构件有三个自由度。可用如图41所示的三个独立的运动参数x、y、表示。2、运动副和约束平面机构中每个构件都不是自由构件,而是以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生一定运动的联接,称为运动副。两构件组成运动副后,就限制了两构件间的部分相对运动,运动副
2、对于构件间相对运动的这种限制称为约束。机构就是由若干构件和若干运动副组合而成的,因此运动副也是组成机构的主要要素。两构件组成的运动副,不外乎是通过点、线、面接触来实现的。根据组成运动副的两构件之间的接触形式,运动副可分为低副和高副。(1) 低副两构件以面接触形成的运动副称为低副。按它们之间的相对运动是转动还是移动,低副又可分为转动副和移动副。转动副组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。通常转动副的具体结构形式是用铰链连接,即由圆柱销和销孔所构成的转动副,如图42(a)所示。移动副组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副,如图42(b)所示。由上述可知,平面机构中的低副引入
3、了两个约束,仅保留了构件的一个自由度。因转动副和移动副都是面接触,接触面压强低,称为低副。我们将由若干构件用低副连接组成的机构称为平面连杆机构,也称低副机构。由于低副是面接触,压强低,磨损量小,而且接触面是圆柱面和平面,制造简便,且易获得较高的制造精度。此外,这类机构容易实现转动、移动等基本的运动形式及转换,因而是在一般机械和仪器中应用广泛。平面连杆机构也有其缺点:低副中的间隙不易消除,引起运动误差,且不易精确地实现复杂的运动规律。(2)高副两构件以点或线接触形成的运动副称为高副,如图43所示。这类运动副因为接触部位是点或线接触,接触部位压强高,故称为高副。3、构件分类机构中的构件可分为三类。
4、(1)机架它是机构中视作固定不动的构件,起支撑其他活动构件的作用。(2)原动件它是机构中接受外部给定运动规律的活动构件。(3)从动件它是机构中的随原动件运动的活动构件。4.1.2平面机构的运动简图为方便对机构进行分析,可以撇开机构匮与运动无关的因素(如构件的形状、组成构件的零件数目、运动副的具体结构等),用简单线条和符号表示构件和运动副,并按一定比例定出各运动副的位置,以简图表示出机构各构件间相对运动关系,这种简图为机构运动简图。它是表示机构运动特征的一种工程用图)1、常用运动副的符号(如图44)2、构件的表示法不管构件形状如何,都用简单线条表示,带短线的线条表示机架,如图45(b)、(c)、
5、(e)所示。如图46(a)所示表示能组成两转动副的构件,图46(b)所示表示组成一个转动副和一个移动副的构件;如图46(c)、(d)所示表示能组成三个转动副的构件。3、绘制机构运动简图的方法在绘制机构运动简图时,首先必须分析该机构的实际构造和运动情况,分清机构中的主动件和从动件;然后从主动件开始,顺着运动传递路线,仔细分析各构件之间的相对运动情况;从而确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。并按一定的比例,用特定的符号,正确绘制出机构运动简图。下面以如图47所示颚式破碎机为例,说明绘制机构运动简图的步骤。(1)分析机构,确定构件的相对运动如图47(a)所示颚式破碎机中,运动由皮带轮5输入,通过
6、偏心轴2带动活动颚3及摇杆4运动,构件1为机架,起支撑作用。结构上,皮带轮5和偏心轴2可以看做一个构件,其作用是将外部输入的旋转运动转变成偏心2绕A点旋转运动。活动颚板2工作时可绕偏心轴2的几何中心B点相对转动,摇杆4在C、D两点分别与活动颚板3的机架通过铰链连接。(2)确定所有运动副的类型和数目从上述运动分析及图中可以看出,偏心轴为主动构件,活动颚板、摇杆为从动件,机架为固定构件。各构件间均用转动副(共4个铰链)连接。(3)测量各运动副的相对位置尺寸逐一测量出四个运动副中心A与B、B与C、C与D、D与A之间的和长度LAB、LBC、LCD、LDA。(4)选定比例尺,用规定符号绘制运动简图根据测
7、量出的各运动副的位置尺寸,选择恰当的视图方向,选定合适的绘图比例,给出各运动副的位置,并用规定的符号和线条绘出各构件。(5)标明机架、构件序号、原动件、绘图比例等得到机构运动简图如图47(b)。4.1.3平面机构的自由度1、平面机构自由度的计算平面机构自由度就是该机构所具有的独立运动数目。平面机构自由度与组成机构的构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。在平面机构中,每个平面低副(转动副、移动副)引入两个约束,使构件失去两个自由度,保留一个自由度;而每个平面高副(齿轮副、凸轮副等)引入一个约束,使构件失去一个自由度,保留两个自由度。如果一个平面机构中含含有N个活动构件(机架为参考坐标系,相对
8、固定而不计),未用运动副联接之前,这些活动构件的自由度总数为3N。当各构件用运动副连接起来之后,由于运动副引入的约束使构件的自由度减少。若机构中PL个低副和PH个高副。则所有运动副引入的约束数为2PLPH。因此,自由度的计算可用活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数。基机构的自由度用F表示,则有:F3N(2PLPH)3N2PLPH(4-1)例4-1试计算图4-8所示四个平面机构的自由度解图4-8(a)的自由度:图中除机架以外的活动构件数为2,转动副数为3,没有高副,由式(4-1)得:F3N2PLPH32-23-00该机构自由度为0,不能运动。图4-8(b)自由度:图中除机架以外的活动构件
9、数为3,转动副数为4,没有高副,由式(4-1)得:F3N2PLPH3324-01该机构自由度为1,具有确定的相对运动。图4-8(c)自由度:图中除机架以外的活动构件数为3,转动副数为5,没有高副,由式(4-1)得:F3N2PLPH3325-0-1该机构自由度为1,不能运动。图4-8(d)自由度:图中除机架以外的活动构件数为4,转动副数为5,没有高副,由式(4-1)得:F3N2PLPH3425-02该机构自由度为2,原动件数为1,没有确定的相对运动(乱动)例4-2试计算如图4-7(b)所示叶、颚式破碎机的机构自由度。解图4-7(b)中,除机架以外的活动构件数为3,转动副数为4,没有高副,由式(4
10、-1)得:F3N2PLPH33-24-01该机构自由度为1,原动件数为1,具有确定的相对运动。2、机构具有确定相对运动的条件由以上分析和计算可知,如果机构的自由度等于或小于零,所有构件就不能运动,因此,就构不成机构(称为刚性桁架)。当机构自由度大于零时,如果机构自由等于原动件数,机构具有确定的相对运动;如果机构自由数大于原动件数,机构运动不确定。因此,机构具有确定的相对运动的充分必要条件:机构的自由度必须大于零,且原动件的数目必须等于机构自由度数,即:机构的原动件数机构的自由度0。3、机构自由度计算中几种特殊情况的处理(1)复合铰链如图4-9(a)所示,A处的符号容易被误认为是一个转动副,若观
11、察它的侧视图,如图4-9(b)所示,则可以看出构件1、2、3在A处构成了两个同轴的转动副。这种由三个或以上构件在同一处组成转动副,即为复合铰链。在计算机构自由度时,复合铰链处的转动副数目应为该处汇交的构件数减1。例43试计算如图4-10所示机构的自由度。解图4-10中除机架外有5个活动构件(4个杆件和1个滑块),A、B、C、D、E共4个简单铰链,应计2个铰链,故共有铰链6个,1个移动副,即PL7,高副数PH0。运用式(4-1)计算机构自由度得:F3N2PLPH35-27-01该机构有1个自由度,原动件数为1,该机构具有确定的相对运动。(2)局部自由度机构中某些构件所具有的局部运动,并不影响整个
12、机构运动的自由度。如图411(a)所示,构件3是滚子,它能绕C点作独立的运动,不论该滚子是否转动,转快或转慢,都不影响整个机构的运动。这种不影响整个机构运动的、局部的独立运动,称为局部自由度。在计算机构自由度时,应将滚子3与杆2看成是固定在一起的一个构件,如图411(b)所示,不计滚子与杆2间的转动副。而滚子的作用仅仅是将B处的滑动磨擦变为滚动磨擦,减少功率损耗,降低磨损。 (3)虚约束在机构中与其他约束重复而不起限制运动作用的约束称为虚约束。在计算机构自由度时,应当去除不计。如图412所示为机车车轮联动机构。在此机构中AB、CD、EF三个构件相互平行且长度相等:LABLCDLEF,LBCLA
13、D,LCELDF,按前述机构自由度的计算方法,此机构中N4,PL6、PH0。机构自由度为:F=3N2PLPH342600这表明该机构不能运动,显然与实际情况不符。进一步分析可知,机构中的运动轨迹有重叠现象。因为如果去掉构件4(转动副E、F也不再存在)当原动件1转动时,构件3上E点的轨迹是不变的。因此,构件4及转动副E、F是否存在对于整个机构的运动并无影响。也就是说,机构中加入构件4及转动副E、F后,虽然使机构增加了一个约束,但此约束并不起限制机构运动的作用,所以是虚约束。因此,在计算机构自由度时应除去构件4和转动副E、F。此时机构中N3,PL4、PH0,则机构实际自由度为:F=3N2PLPH3
14、32401由此可知,当机构中存在虚约束时,其消防办法是将含有约束的构件及其组成的运动副去掉。平面机构的虚约束常出现于下列情况中:(1)被联接件上点的轨迹与机构上联接点的轨迹重合时,这种联接将出现虚约束,如图412所示。(2)机构运动时,如果两构件上两点间距离始终保持不变,将此两点用构件和运动副联接,则会带进虚约束,如图413所示的A、B两点。(3)如果两个构件组成的移动副如图414(a)所示相互平行,或两个构件组成多个轴线重合的转动副时,如图4-14(b)所示,只需考虑其中一处,其余各处带进的约束均为虚约束。(4)机构中对运动不起限制作用的对称部分,如图4-18所示齿轮系,中心轮1,通过三个齿
15、轮2、2、2、驱动内齿轮、齿轮2和齿轮2中有两个齿轮对传递运动不起独立作用,从而引入了虚约束。虚约束对机构运动虽然不起作用,但可以增加构件的刚性,增强传力能力,因而在机构中经常出现。例4-4在如图4-16所示机构中,凸为主动件,试判断机构是否具有确定的运动。解 该机构中,表面上看起业有7个活动构件,实际上,3、4、5三个构件不存在相对运动,组成一个三解形构件,应看成一个构件,滚子2处为局部自由度,该处铰链要去掉,故对该机构计算机构自由度时,正确有活动件数为4个,转动副为4上,移支副为1个(存在1个虚约束),高副1个,所以其机构自由度计算为:F=3N2PLPH342501该机构自由度和原动件数都
16、为1,故机构具有良确定的相对运动。4.1.4铰链四杆机构及其演化1、铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构是将四个构件用四个转动副连接组成的机构。如图417所示,构件4为固定构件,称为机加;构件1和构件3通过铰链与机架相连,称为连架杆,其中,能围绕与机架相连的铰链做整周连续转动的连架称为曲柄,只能围绕与机架相连的铰链在一定范围内摆动的连架称为摇杆;构件2与机架不直接相连,称为连杆。铰链四杆机构有以下几种基本形式:(1)曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中,若两个连架杆中有一个为曲柄,另一个为摇杆,就称为曲柄摇杆机构。一般曲柄为原动件,连杆摇杆为动件。如图4-7所示颚式破碎机,如图4-9(a)所示雷达天线摇
17、摆机构,如图4-18(b)所示家用缝纫机踏板机构(摇杆为主动件)。(2)双曲柄机构在铰链四杆机构中,若两个连架杆都为曲柄,则称为双曲柄机构。如图4-19(a)所示震动筛的双曲柄机构可以将曲柄AB的匀角速转动变成曲柄CD的变角速转动。在双曲柄机构中,用得最多的是平行双曲柄机构,这种机构的对边两构件长度相等。如图4-19(b)所示工程车的平行双曲柄机构可保证载人升降台平稳升降。如图4-12所示火车轮驱机构,如图4-20所示反平行四边形机构等。(3)双摇杆机构铰链四杆机构中,若两连架杆均为摇杆,则称为双摇杆机构。如图4-21(b)所示的鹤式起重机构,当AB杆摆动时,CD杆也作摆支,连杆CB未端的E点
18、作近似水平直接运动,使之在吊起重物时,减少不必要的升降,降低了能耗。图4-21(a)为其机构运动简图。2、铰链四杆机构的演化工程实际应用中中,平面四杆机构多种多样,但在碚分是在铰链四杆机构的基础上演化而来的。了解四杆机构的演化方法,是分析和设计平面连杆机构的基础。如图4-22(a)所示的曲柄摇杆机构中,1为曲柄,3为摇杆,C点为轨迹以D为圆心、杆长CD为半径的圆弧tt。今在机架4上制作一同样轨迹的圆弧槽tt,并将摇杆3做成弧圆形滑块置于槽中滑动,如图4-22(b)所示。这时,弧形滑块在圆弧中的运动完全等同于绕转动副D转动的作用,圆弧槽tt的圆心即相当于摇杆3的摆动中心D,其半径相当于摇杆3的长
19、度CD。又若再将圆弧槽tt的半径增加至无穷大,其圆心D移至无穷远处,则圆弧槽变成了直槽,置于其中的滑块3作往复运动,从而将转动副D演化为移动副,曲柄摇杆机构演化为含一个移动副的四杆机构,称为内柄滑块机构,如图4-22(c)所示。图中e为曲柄回转中心A于经过C点直槽中心线的距离,称为偏心距。当e0时称为偏置曲柄滑块机构;当e=0时称为对心曲柄滑块机构。内燃机、蒸汽机、往复式抽水机、空气压缩机及冲床等的主机构都采用了曲柄滑块机构。如图4-23所示,内燃机活塞运动机构即为对心曲柄滑块机构。如图4-24所示,曲柄滑块机构的基础上,取不同的构件作机架,则分别可得到曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、曲柄摇机构和
20、定块机构。曲柄滑块机构主要应有于压力机、内燃机、送料机构中;如图4-25(a)所示曲柄导杆机构常用于牛头刨床;如图4-25(b)所示摇块机构用于自动卸料机构;如图4-25(c)所示定块机构用于手摇唧筒等。在曲柄滑块机构中,若将其中转动副C或B演化为移动副,则得到含两个移动副的四杆机构。如图4-26所示为转动副C演化为移动副的过程,所得机构如图4-26(b)所示称为曲柄移动导机构,其中移动导杆3的位移S与主动件曲柄1的转角的正弦成正比,即Sasin,故此机构又称正弦机构。4.1.5平面四杆机构的基本特性1. 铰链四杆机构有曲柄的条件如图427所示,杆AB为曲柄,设l1、l2、l3、l4分别为AB
21、、BC、CD、AD各杆长度。且设l1l4,A为整周回转副。在BCD中l1+l4l2+l3(42)在BCD中l3(l4l1)+l2,即:l1+l3l2+l4(43)l2(l4l1)+l3,即:l1+l3l2+l4(44)将式(42)式(44)中任意两式相加可得:l1l2,l1l3 ,l1l4。所以,l1为最短杆,且l1与任意一杆长度之和都小于其他两杆长度之和。结论:铰链四杆机构有曲柄的条件是:(1)最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其具有的几种基本形式:(2)最短杆或其邻杆应为机架。根据铰链四杆机构有曲柄的条件,我们可以判别出其具有的几种基本形式:当铰链四杆机构满足构件长度和条件时,若:(1)
22、最短杆为连架杆时为曲柄摇杆机构。(2)最短杆为机架时为双曲柄机构。(3)最短杆为连杆时为双曲柄机构。当铰链四杆机构不满足构件长度和条件时,为双摇杆机构。2、急回特性如图428所示,当曲柄AB为主动件作等速回转时,摇杆CD为从动件变速摆动,曲柄AB每回转一周,出现两次与连杆BC共线的位置,这时摇杆CD分别处在两个极限位置C2D,这时曲柄所在位置之间的夹角称为极位夹角。当曲柄以角速度从AB1到AB2顺时针转过1180+时,摇杆2从C1D位置摆到C2D。所花时间为t1,平均速度为1。当曲柄以从AB2到AB1转过2180时,摇杆从C2D置摆回到C1D所花时间为t2,平均速度2。由于11,所以t1t2,
23、12。这说明,当曲柄等速回转时,摇杆来回摆动的速度不同,其返回的速度较大,机构的这种性质,称为急回特性。行程速比系数常用K来表示。所以,除曲柄摇杆机构外,如图429所示偏置曲柄滑块机构、如图425(a)所示导杆机构也都有急回特性。机构有无急回特性,取决于该机构极位夹角是否大于零,越大,急回特性越显著。压力角与传动角:(1)压力角和传动角的概念如图430所示曲柄摇杆机构中,原动件AB通过连杆BC推动从动件CD。如果连杆BC是二力构件,则从动件CD上所受到的传动力F的作用方向应沿BC方向,作用点在C点。传动力F的方向与其作用点C的速度C方向之间的所夹的锐角,称为压力角。力F沿C方向上的分力FFsi
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