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1、铰链四杆机构的运动特性分析摘要：铰链四杆机构不仅本身应用广泛，而且是平面四杆机构、多杆机构的基础，同时为以后如凸轮等机构的学习打下必要的基础。因此，我们要去了解、分析铰链四杆机构的运动特性。关键词 ： 铰链四杆机构 双曲杆机构 曲柄摇杆机构 双摇杆机构 Analyzing The Characteristic Movement of Four Bar MechanismAbstract: In all kinds of mechanism type, characteristics of linkage mechanism with diverse structures and diverse
2、 properties. They were divided into the crank rocker mechanism, double crank mechanism, a double rocker mechanism etc. Four bar linkage mechanism is widely used or planar four bar mechanism, multi bar mechanism foundation, a solid foundation for the later cam mechanism of learning and lay, so we nee
3、d to analysis of the movement characteristics of four bar linkage is know.Keywords: Hinge four bar mechanism, double crank mechanism, a double rocker mechanism, a crank rocker mechanism. 绪论1.平面连杆机构的发展现状 19世纪以来，以几何图解法为主导的德国机构学学派曾对连杆机构的研究做出了巨大的贡献，其研究成果长期长期处于世界领先地位。二次世界大战后，借助于计算机技术的发展，使连杆机构在生产实际中的应用又有了
4、新的突破，开辟了很多的分支。在平面连杆机构中最基本的形式为四杆机构，关于四杆机构的分析已进行了不少研究工作。但是不论在运动学及力学方面，四杆机构仍有进一步研究成果的必要。至于五杆以上的多杆机构，目前的工作还很不完善。四杆机构虽然结构形式简单，而且应用广泛，但其所能实现的功能也比较简单，随着机械自动化、机械手、机器人的发展，人们对机构所需要的运动特性及动力特性有更高的要求，在国际上也十分注重这方面的工作。连杆机构是工程实际中应用最广泛的机构，是组成各种机械系统的基础，如活塞发动机，各种纺织机械、印刷机械等，因此连杆机构的研究一直是机构学领域中的研究重点。2.连杆机构分析的历史与现状 连杆机构分析
5、着重在于连杆机构学、运动学及动力学特性的研究，揭示连杆机构的结构组成、运动学与动力学规律及其相互关系，用于现有机械系 统的性能分析与改进。连杆机构的运动分析在连杆机构中占有重要的地位，因此本文着重介绍连杆机构运动学分析的发展情况。连杆机构的运动学分析包括三个方面的内容：位置分析、速度分析和加速度分析。连杆机构运动学分析的基础是理论力学中的运动学，它的研究历史较早，经过了几代学者们的努力，现已形成了较为成熟的连杆机构分析的理论与方法。1 铰链四杆机构的基本形式 1.1定义：全部用转动副相连的平面四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式。它由机架、连杆、连架杆、曲柄、摇杆组成，如图1-1。其中固定不动
6、的杆4称为机架；与机架相连的杆1和杆3称为连架杆；不与机架相连的杆2称为连杆。在连架杆中能绕固定轴线整周回转的构件称为曲柄，只能在某一角度范围内摆动的构件称为摇杆。图1-1 铰链四杆机构 在铰链四杆机构中，可以吧铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。1.2曲柄摇杆机构定义：在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。图1-2所示：应用：在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，可将曲柄的连续回转运动转换成摇杆的往复摆动。如雷达天线俯仰角调整机构。当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动转换成曲柄的连续回转运动，如缝纫机踏板机构。 图1-2
7、 曲柄摇杆机构1.2.1急回运动如图1-3所示：当曲柄摇杆机构中，曲柄虽作等速转动，而摇杆摆动时空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，这种性质称为机构的急回特性。 图1-3 曲柄摇杆机构的急回特性 当曲柄由位置AB1顺时针转到位置AB2时，曲柄转角j1=180+q，这时摇杆由极限位置C1D摆到极限位置C2D，摇杆摆角为y；而当曲柄顺时针再转过角度j2=180-q时，摇杆由位置C2D摆回到位置C1D，其摆角仍然是y 。虽然摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角却不等(j1j2);当曲柄匀速转动时,对应的时间也不等(t1t2)，这反映了摇杆往复摆动的快慢不同。令摇杆自C1D摆至C2D为工作
8、行程，这时铰链C的平均速度是V1=C1C2/t1；摆杆自C2D摆回至C1D为空回行程，这时C点的平均速度是V2=C1C2/t2，V1V2，表明摇杆具有急回运动的特性。牛头刨床、往复式运输机等机械利用这种急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。 急回运动特性可用行程速比系数K表示，即式中，q为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角为极位夹角。将上式整理后，可得极位夹角的计算公式： 由以上分析可知：极位夹角q越大，K值越大，急回运动的性质也越显著。但机构运动的平稳性也越差。因此在设计时，应根据其工作要求，恰当地选择K值，在一般机械中1K2。1.2.2压力角和传动角 压力角： 在平面连杆机构中不计
9、摩擦和构件的惯性的情况下，机构运动时从动件所受的驱动力的方向线与该力作用点的速度方向线之间的夹角。在曲柄摇杆机构中(图1),主动件通过连杆作用在摇杆上的力P沿BC方向,力作用点C 的速度VC的方向垂直CD，这两方向线所夹的角 为压力角。压力角越大，P在V方向能作功的有效分力就越小，传动越困难。压力角的余角 称为传动角。机构的压力角或传动角是评价机构动力学指标之一，设计机构时应限制其最大压力角或最小传动角。生产实际中往往要求连杆机构不仅能实现预期的运动规律，而且希望运转轻便、效率高。图1-4所以压力角是反映机构传力效果好坏的一个重要参数。一般设计机构时都必须注意控制最大压力角不超过许用值。图1-
10、4 压力角传动角：在实际应用中，为度量方便起见，常用压力角的余角来衡量机构传力性能的好坏，称为传动角。显然值越大越好，理想情况是=90度。公式：r=90-a传动角r就是连杆和摇杆之间所夹的角。传动角r越大，机构的传力性能就越好。反之，传动角r越小，机构传力效率低，费力。于机构在运动中，压力角和传动角的大小随机构的不同位置而变化。角越大，则越小，机构的传动性能越好，反之，传动性能越差。为了保证机构的正常传动，通常应使传动角的最小值min大于或等于其许用值g。一般机械，推荐g=4050。1.3 双曲柄机构 定义：在铰链四干机构中，两个连架杆均能做整周的运动，则该机构称为双曲柄机构。 应用：摄影平台
11、升降机构、机车车轮联动机构 、车门开闭机构等。 运动转变:匀速转动急回特性的运动. 1-5平行双曲柄机构 1.4 双摇杆机构 定义：两根连架杆均只能在不足一周的范围内运动的铰链四杆机构称为双摇杆机构。 应用: 港口用起重机吊臂机构、鹤式起重机的变幅机构、风扇摇头机构。图1-6双摇杆机构 参考文献1刘江南、郭克希主编,机械设计基础（第二版），湖南大学出版社，2009年。2濮良贵主编,机械设计（第五版），高等教育出版社，1989年。3徐灏主编,机械设计手册，机械工业出版社，1991年。4郭仁生主编,机械设计基础，清华大学出版社，2001年。5 杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础M. 北京：高等教育出版社，2006(5) 6 邹慧君等.机械原理M. 北京：高等教育出版社，1999(3) 7 于贺宪.平面四杆机构的工作特性及设计J.黑龙江科技信息，2009(8) 8 娄建国. 基于工作行程最佳传动性能的曲柄滑块机构的设计J. 煤矿机械，2006(2) 9 尚先云.解析法设计曲柄滑块机构J. 机械管理开发，2004(2) 10 孙恒，陈作模.机械原理.北京：高等教育出版社，2001(3) 11 陈辛波，富建国，汪信远.具有匀速往复运动和急回特性的非圆齿轮一曲柄滑块机构的设计J. 机械研究与设计，1998(5)