机械基础 常用机构

如果连架杆能作整周（3600）转动时， 则称为曲柄；
若不能作整周转动，而只能在一定 角度范围内往复摆动时，则称为摇杆。
因此根据两连架杆的运动情况的 不同，可将铰链四杆机构分为曲柄 摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机 构三种基本型式。
1、曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构中，若一个连架杆 为曲柄，另一个连架杆为摇杆时称为曲 柄摇杆机构。如图2和图3。
关于“机构运动简图符号”，可 参见国家标准GB/T4460－1984的规 定。
第十章 连杆机构
教学目标或要求： 了解连杆机构的特点，着重掌握连杆
机构的运动设计。
第十章 连杆机构
各构件之间均以低副相连接的机 构称为连杆机构。
其主要功用是实现给定的运动规 律或实现给定的运动轨迹。
本章只讨论平面四杆机构。
同 理 由 C1、C2、C3 三 点 可 求 出 连 架杆CD与机架AD的铰链点D，则机构 AB1C1D（ 或 AB2C2D、AB3C3D） 即 为 所 要求的四杆机构。并可按作图比例 尺确定各杆的长度。
如果仅已知连杆的两个位置B1C1和 B2C2，则两连杆架杆AB和CD与机架AD 的铰链点A和D可分别在B1B2和C1C2的垂 直平分线b12和c12上任意选取，所以可 以得到无穷多解。实际工程问题中， 往往还有其它要求（附加条件），从 而问题仍可得到唯一解。
需要注意，上述压力角与传动角 概念都是对从动件而言。
图12 最小传动角γmin的确定
四、死点位置
图13 曲柄摇杆机构的两个死点位置
图13所示为缝纫机的踏板机构— —曲柄摇杆机构。其中摇杆CD为主动 件，由图可见，机构在一个工作循环 中，连杆BC和曲柄AB两次处于共线位 置：
AB1C1和AB2C2，此时主动摇杆CD通 过连杆BC作用在曲柄AB上的力将通 过铰链中心A（α＝900、γ＝00）， 对曲柄AB的力矩为零，故不能推动 曲柄转动。机构的这两个位置称为 死点位置。
设图中AB为曲柄，BC为连杆，CD为摇杆， AD 为 机 架 ， 各 杆 的 长 度 分 别 为 a、b、c、d， 且a<d。
如果构件AB是曲柄，那末它应能绕A轴作 整周转动，也就是说它应能顺利绕过两个 极限位置AB1和AB2，即应有∠B1C1D≤1800， 构成△B1C1D；∠B2C2D≥0，构成△B2C2D。
图中曲柄回转中心A到滑块导路中 心线的距离e称为偏距。
当e≠ 0时称为偏置式曲柄滑块 机构，见图8a；
当e＝ 0时称为对心式曲柄滑块 机构，见图8b。
在对心式曲柄滑块机构中，在曲轴 回转一周的过程中，曲柄与连杆两次共 线，且与导路的中心线重合，对应滑块 移动的两个极限位置C1、C2之间的距离s 称为滑块的行程。
显然，压力角和传动角的大小是
随连杆机构的位置改变而变化的，
为了保证良好的传力性能，一般要
求机构在一个运动循环中的最大压
力角时，角γαm为in取≥α小4ma0x值0≤～或5500γ00～，取4传大00递或值。的最
小 功
传 率
动 大
不难证明，曲柄摇杆机构中，曲 柄与机架两次共线时的传动角γ1和 γ2中必有一个为γmin，见图12。
由此可见，连杆机构是否具有 良好的传力性能，可以用压力角 α的大小来衡量；压力角α愈小， 则Ft愈大，传力性能愈好。
压力角α的余角γ称为传动角， 即γ＝900－α。由图可见，传动角 γ就是连杆2与连架杆3之间所夹的 锐角，度量很方便，因此在工程中 常用传动角γ的大小来表明传力性 能；传动角γ愈大，传力性能愈好。
而在图9b中，构件AB在尚未到达极限 位置AB1时，∠BCD＝1800；
在图9c中，构件AB在尚未到达极限 位置AB2时，∠BCD＝00。
因 此 构 件 AB 就 不 能 通 过 AB1 和 AB2 位置作整周转动，即不能成为曲柄。
以上就是曲柄存在的几何条件， 下面把这个几何条件定量化。
在△B1C1D中，由两边之和大于、等 于第三边得
图7 双摇杆机构－飞机起落架
二、曲柄滑块机构
图8 曲柄滑块机构 a）偏置式（e≠ 0） b）对心式（e＝ 0）
图8所示的具有一个移动副和三个转 动副的机构称为曲柄滑块机构。
它是由曲柄摇杆机构演变而来的 （当摇杆为无限长时），其中与机架4 构成移动副的块状构件3称为滑块，当 曲柄1连续转动时，滑块3将沿导路作 往复直线移动。
当满足杆长之和条件时： 1）若选取最短杆为机架，则两连
架杆均为曲柄，故此机构为双曲柄机 构。
2）若选取与最短杆相邻的杆为机 架，则最短杆为曲柄，而另一连架杆 为摇杆，故此机构为曲柄摇杆机构。
3）若选取最短杆对面的杆为机 架，则曲柄不存在，两连架杆均 为摇杆，故此机构为双摇杆机构。
当不满足杆长之和条件时，曲 柄不存在。故不管以哪一杆为机 架，都只能得到双摇杆机构。
显然它与曲柄的长度r之间有如下关系 S＝2r
由于对心式曲柄滑块机构较偏置式曲 柄滑块机构具有工作行程大，受力情况 好等优点，因此在工程实际中得到更多 的应用。
它与曲柄摇杆机构相似，主动件可 以是曲柄，也可以是滑块。
当主动件为曲柄时，可以将连续的 回转运动转换为往复直线移动，如应 用于插床、冲床、剪床等机器中；
由上各式可得出铰链四杆机构中，曲 柄存在的条件为：
1）连架杆和机架中必有一杆是最短 杆，称为最短杆条件。
2）最短杆与最长杆的长度之和小于 或等于其他两杆的长度之和，称为杆长 之和条件。
从上述曲柄存在的两个条件可以 得到如下推论：
铰链四杆机构到底属于哪一种基 本型式，除与各杆的相对长度有关 外，还与选取哪一杆为机架有关。
一、按给定连杆的三个设计平面四 杆机构
设已知连杆的三个位置B1C1、 B2C2和B3C3 ，见图15，要求设计此 四杆机构ABCD。
图15 按给定连杆的三个位置设计 平面四杆机构
由于连杆的三个位置为已知，也 就 是 已 知 连 杆 BC 与 两 连 架 杆 AB、CD 的铰链点B和C的三个位置（同时确 定了连杆的长度），因此问题的实 质 是 要 求 出 两 连 架 杆 AB、CD 与 机 架 AD的铰链点A和D，从而得到四杆机 构ABCD和各杆的长度。
当主动件为滑块时，可以将往复直 线移动转换为连续的回转运动，如应 用于活塞式内燃机、蒸汽机等机器中。
第二节 平面四杆机构的基本性质
一、曲柄存在的条件 由第一节可知，铰链四杆机构的三
种基本型式的区别主要在于有无曲柄。 而曲柄是否存在则取决于机构中各杆件 的相对长度关系和选取哪一个杆件为机 架。
下面用图9a所示的曲柄摇杆机构来讨论 曲柄存在的条件。图9 曲柄存在的条件
a＋d≤b＋c
（1）
在△B2C2D中，由两边之差小于、等 于第三边得
b－c≤d－a
或 亦即
c－b≤d－a a＋b≤d＋c a＋c≤d＋b
（2） （3）
由式（1）＋式（2）、式（1）＋式 （3）、式（2）＋式（3）可得 a≤c a≤b a≤d（同设）
同理，当设a>d时，可得 d≤a d≤b d≤c
且有ω2m>ω1m，这种摇杆返回行 程的平均角速度大于工作行程的平 均角速度的性质称为曲柄摇杆机构 的急回特性，并用行程速比系数来 表明机构急回特性的大小。
即
由上式可知，当极位夹角θ=00时， K=1，机构无急回特性。
而θ角越大，K值也越大，机构的 急回特性越显著。
由此可得
三、压力角与传动角
第一节 平面四杆机构的基本型式 及其应用
铰链四杆机构和曲柄滑块机构是平 面四杆机构的基本形式。 一、铰链四杆机构
在平面四杆机构中，四个运动副都 是转动副时称为铰链四杆机构，见图1。
图1 铰链四杆机构
其中固定不动的（或相对固定不 动的）杆4称为机架，与杆4相对的 杆2称为连杆，与机架相连的杆1和 杆3都称为连架杆。
二、急回特性和行程速比系数
图10 曲柄摇杆机构的急回特性
在图10所示的曲柄摇杆机构中， 设曲柄AB为主动件。如前所述，它 在转动一周的过程中将两次与连杆 共线，即重叠一直线AB1C1D和延伸一 直线AB2C2D位置。
当曲柄由AB1位置顺时针转过角度ф1 ＝1800＋θ而到达AB2位置时，摇杆相应 由C1D摆动至C2D，此为工作行程，设经 历的时间为t1。当曲柄继续转过角度ф2 ＝1800－θ而回到AB1位置时，摇杆也将 由C2D摆回至C1D，此为返回行程（空行 程），设经历的时间为t2。
图11 连杆机构的压力角与传动角
在图11所示的铰链四杆机构中，若忽 略各构件的自重和运动副的摩擦，则主 动连架杆1通过连杆2作用在从动连架杆3 上C点处的力F是沿着杆BC方向的（因为 连杆2为二力杆），它与C点的绝对速度 νc方向（垂直于杆CD）之间所夹的锐角 α称为压力角。
显 然 力 F 在 νc 方 向 的 分 力 Ft＝ Fcosα是使从动连架杆3绕D点转动的 有效分力；而垂直于速度νc方向（即 沿杆CD方向）的法向分力Fn＝Fsinα 只能对杆CD产生拉力，因而是无效分 力。
二、按给定的行程速比系数K设计平面四 杆机构
按已知摇杆CD的长度lCD、摆角ψ和 行程速比系数K，试设计此曲柄摇杆机 构。
图16 按行程速比系数K设计曲柄摇杆 机构
由于连架杆AB和CD分别绕机架AD 的两个铰链点A和D作圆周运动，因 此连杆上B点的三个位置B1、B2和B3 应位于同一个圆弧Rb上，C点的三个 位置应位于同一圆弧Rc上。
根据不在一直线上的三点决定 一个圆的道理，可以连接B1B2和 B2B3，并分别作它们的垂直平分线 b12和b23，则b12和b23的交点就是B1、 B2和B3三点所在圆的圆心，即为连 架杆AB与机架AD的铰链点A。
第四篇 常用机构
一、机器与机构 图Ⅳ-1 机器、机构及运动简图
机器与机构的共同之处是它们都是 由一些人为制造的实体（构件）所组 成，且各实体之间具有确定的相对运 动，所以两者统称为机械。
机器与机构的不同点是机构只能实 现运动的传递和运动形式的转换。而 机器则能实现能量的转换或做有用功。
二、构件与零件
机构又是由若干构件所组成。而 构件可以是一个零件，也可以是由 几个零件构成的刚性整体。
图Ⅳ-2 构件与零件
构件与零件的主要区别在于构件 是运动的单元，它作为一个整体参 与运动；而零件则是制造的单元。
三、运动副及其分类和表示方法
运动副是指两个构件直接接触， 并能产生一定相对运动的联接。
其中两个构件以面接触的运动副 称为低副。
低副中若两个构件之间只能相对 转动时则称为转动副。
两个构件之间以点或线接触的运 动副称为高副。
图Ⅳ-3 转动副的表示方法
若两构件之间只能作相对移动时则 称为移动副。图Ⅳ-4 移动副的表示方 法
四、运动简图
在分析已有的机械或设计新机械时， 为了简明地表示出机械中所含机构种类、 构件组成、运动副和运动情况以及工作 原理等，可以不考虑那些与运动无关的 因素，而仅仅根据那些与运动有关的因 素，并用一些规定的简单符号绘制成机 械的图形，这种易画、易看的简明图形 称为运动简图。如图Ⅳ-1b
图2 曲柄摇杆机构－雷达天线机构
来自百度文库3 曲柄摇杆机构－缝纫机踏板机构
2、双曲柄机构
在铰链四杆机构中，若两连架杆均 为曲柄时称为双曲柄机构。如图4、5。
图4 双曲柄机构－惯性筛机构
图5 双曲柄机构－机车车轮联动机构
3、双摇杆机构
在铰链四杆机构中，若两架杆均为 摇杆时称为双摇杆机构。如图6。
图6 双摇杆机构－鹤式起重机
摇杆两极限位置C1D和C2D之间的 夹角Ψ称为摇杆的摆角，与之相对 应的曲柄两极限位置AB1和AB2之间所 夹的锐角θ称为极位夹角。
设曲柄AB为匀角速转动，则ф1/ф2＝ t1/ t2，由于ф1>ф2，所以对应t1> t2。 而从动摇杆在t1、 t2时间内的摆角均 为Ψ，所以其往复摆动的平均角速度分 别为ω1m＝Ψ/ t1和ω2m＝Ψ/ t2，
同理，在曲柄滑块机构——活塞式内燃机工作时，其活塞 （滑块）为主动件，机构在一个工作循环中，也有两个死 点位置AB1C1和AB2C2，见图14。
图14 曲柄滑块机构的两个死点位置
第三节 连杆机构的运动设计
平面四杆机构的运动设计有实现 预定的运动规律和实现预定的运动 轨迹两类问题，这里只介绍第一类 问题的设计，并采用简单易行的图 解法。