曲柄摇杆机构、四杆机构设计、凸轮

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1、 一、曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆，一为曲 柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄 摇杆机构。通常曲柄为原动件，并作匀速转动；而 摇杆为从动件，作变速往复摆动。曲柄摇杆机构的主要特性： 急回运动曲柄摇杆机构中，曲柄AB在转动一周中，在B1 、B2两次与连杆BC共线，相应铰链中心 A与C之间 的距离AC1和AC2分别为最短和最长，摇杆CD的位置C1D和C2D分别为其左右极限位置。摇杆在两极限 位置间的夹角，称为摇杆的摆角。当曲柄由位置 AB1 顺时针转到位 置AB2 时，曲柄转 角 180，这时摇杆由左极限位置C1D 摆到位置右极限位置 C2D，摆杆角度为；而当曲柄顺时针再转过

2、角 度 180时，摇杆由位置C2D摆回至位置 C1D，其摆角仍然是 。 虽然摇杆来回摆动 的摆角相同，但对 应的曲柄转角不等 ( )；当曲柄匀速转动时，对应 的时间也不等 （ t 1 t 2）。令摇杆自ClD摆至C2D为工作行程，这时铰链 的平均速度是 v1=C1C2 tl 。摇杆自C2D摆回至C1D是其空回行程，这时 点的平均速度是v2=C1C2 t2，显然v1 v2 ， 它表明摇杆具有急 回运动的特性。牛 头刨床、往复式输 送机等机械就利用 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度变化系数（也称 行程速比系数）K 表示。 v2 C1C2/t2 t1 180 K

3、 （2-1）v1 C1C2/t1 t2 180 摇杆处于两极限 位置时，对应的曲 柄所夹的锐角，称为极位夹角。K 值越大，急回 特性愈明显。一般机 械中，1K2。将式（2-1）整理，可得极位夹角计算公式K 180 （2-2）K2. 压力角和传动角和构件的惯性力(矩)及 重力，则通过二力杆 BC 作用于从动件CD上 的力沿BC 方向，把 力分解为沿C 点速度 vC 方向的分力F和垂 直于vC 的分力F原动件受到驱动力矩Md作用，若不计运动副的摩擦它们的大小与角度或有关，即有效分力 FFcosFsin， 有害分力 FFsinFcos 。因此， F越小越好，即角度越小（或越大 ）对机构的工作越有利。

4、 称为压力角， 称为传动角，二者 互为余角， 90 。压力角的定义是：不计摩擦、重力与惯性 力时，输出构件所受主动力F 的方向与输出构件 在受力点处的速度方向之间所夹的锐角。由于传动角在简图中非常直观，所以平面连杆机构 习惯于用传动角来表示机构的传动性能。机构工作时， 其传动角是作周期变化的。 一般许用值 =4050。 重 载大功率时取大值。1 为保证机构的传力性能良好， 应使最小传动角min 。曲柄摇杆机构中，最小 传动角min 总是发生于曲柄 与机架共线和重叠共线的两 位置之一，如图所示。 (具 体证明见P30页)3. 死点位置曲柄摇杆机构中，若 摇杆为主动件，当从动件 与连杆共线时，机构

5、的传 动角为零，此时不论驱动 力F有多大, 其有效分力 ,机构的这种位置称为机构的死点位置。死点位置对传动不利，但对夹紧和防松有 利。如图铰链四杆机构，当工件5 被夹紧时， 铰链中心B、 C、D共线，工件加在杆上的反 作用力Fn无论多大，也不能使杆3转动。这就保 证在去掉外力F 之后, 仍能可靠地夹紧工件。 当需要取出工件时，只 需向上扳动手柄，即能 松开夹具。二、双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双 曲柄机构。双曲柄机构功能：原动曲柄转动（匀速）从动曲柄转动（非匀速或匀速）双曲柄机构中，最常 用的是平行四边形机构， 或称平行双曲柄机构。三、双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称

6、为双摇 杆机构。原动摇杆摆动 从动摇杆摆动2-2 铰链四杆机构有整转副的条件整转副定义:两构件能相对转动3600的转动副。 铰链四杆机构中曲柄具有整转副。曲柄摇杆机构在什麽条件具有整转副?已知：杆曲柄，杆连杆， 杆摇杆，杆机架。 各杆长度为l1、l2、l3、l4 。曲柄与杆的夹 角 的变化范围： 当摇杆处于左右极限位置时，曲柄与连杆两次 共线。此时杆与杆的夹角的变化范围也是 杆为摇杆，它与相邻两杆的夹角 、 的 变化范围小于360。显然，、为整转副， 、不是整转副。为了实现曲柄 整周回转，AB杆 必须顺利通过与连 杆共线的两个位置 AB和AB。当杆处于AB 位置时，形成三角形 。根据三角形任意

7、两边之和必大于(极限情况下等于 )第三边的定理可得l4(l2 l1)l3 l3(l2 l1)l4 即 l1l4l2l3 （2-4）l1l3l2l4 （2-5）当杆处于AB 位 置时，形成三角形 。可得l1 l2 l4 l3 （2-6）将式(2-4)、(2-5)、(2-6)两两相加即杆最短。l1l4l2l3 （2-4） l1l3l2l4 （2-5）l1l2l4l3（2-6）l1 l2l1 l3l1 l4由此可得铰链四杆机构有整转副的条件是： (1) 整转副是由最短杆与其邻边组成的 ;(2) 最短杆与最长杆长度之和，应小于或等于 其余两杆长度之和。否则如下图 这两个条件必须同时满足，否则机构中不存

8、 在整转副，无论取哪个构件作机架都只能得到双 摇杆机构。(1) 整转副是由最短杆与其邻边组成的 ;另外，具有整转副的铰链四杆机构是否存 在曲柄，还应根据选择何杆为机架来判断。 (1) 取最短杆为机架时，机架上有两个整转副， 故得双曲柄机构。 (2) 取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一 个整转副，故得曲柄摇杆机构。(3) 取最短杆的对边为机架时，机架上没有整 转副，故得双摇杆机构。曲柄摇杆机构，铰链中心的轨迹是以为圆心，以l3为半径的圆弧mn。若l3增至无穷大, 则如图b所示，C点轨迹变成直线。于是摇杆演化 为直线运动的滑块，转动副演化为移动副，机 构演化为如图所示的曲柄滑块机构。2-3 铰链

9、四杆机构的演化 一、曲柄滑块机构二、导杆机构导杆机构是改变曲柄滑块机构中的固定构 件而演化来的。如图a 所示的曲柄滑块机构， 若改取杆1为固定构件 ，即得图b 所示导杆机 构。杆4 称为导杆。滑块相对导杆滑动并一 起绕点转动。通常取 杆为原动件。传动角始终等 于90。具有很好的传力性能，故常用 于牛头刨床、插床 和回转式油泵之中 。导杆机构的的特点：若杆为固定构件，可得图c所示摆动滑块机 构，或称摇块机构。三、摇块机构和定块机构如图，当油缸中的压力油推动活塞杆 运动时，车厢便绕回转副中心倾转，当达 到一定角度时，物料就自动卸下。例如自卸卡车的车厢自动翻转卸料机构就 是一个摇块机构。在图a所示曲

10、柄滑块机构中，若取杆3为固 定件，即可得图d 所示固定滑块机构或称定块 机构。这种机构常用于抽水唧筒（图2-18）和抽油泵中。四、偏心轮机构 杆为圆盘，其几何 中心为，因运动时该圆 盘绕偏心转动，故称偏 心轮。、之间的距离 称为偏心距。按照相对运动关系，可 画出该机构的运动简图，如 图b 所示。由图可知，偏心 轮是回转副扩大到包括回 转副而形成的，偏心距 即是曲柄的长度。- 平面四杆机构的设计一、平面四杆机构设计的基本问题 平面四杆机构的设计是根据工作要求（如运动要求 、传力要求、空间尺寸等）和给定的条件，选定合适的 机构型式和确定机构各构件的尺寸。一般，四杆机构的 设计中常常碰到下面两类基本

11、问题：（1）给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度） 设计四杆机构。（2）给定点的运动轨迹设计四杆机构。四杆机构设计的方法有解析法、几何作图法和实 验法。作图法直观，解析法精确，实验法简便。二、给定行程速度变化系数设计四杆机构曲柄摇杆机构已知条件：摇杆长度l3，摆角，行程速度变化 系数。设计的实质是确 定铰链中心点的位 置和其他三杆的尺寸 l1、 l2 和 l4 。设计步骤：(1) 按公式 计算出极位夹角。(2) 任选固定铰链中心的位置，由摇杆长度 l和 摆角，作出摇杆两个极限位置C1D和C2。(3) 连接C和C，并作CM 垂直于CC。(4) 作C1C2N90，C2N与C1M相交于点，由图可

12、见，C1PC2(5) 作PC1C2的外接圆，在此圆周上 （C1C2圆弧和EF圆弧除外） 任取一点 作为曲柄的固定 铰链中心。A(5) 作PC1C2的外接圆，在此圆周上 （C1C2圆弧和EF圆弧除外） 任取一点 作为曲柄的固定 铰链中心。连AC 和AC，因同一圆弧的圆周角相等， 所以CAC CPC 。(6) 因极限位置处曲柄与连杆共线，故 AC1 l2 l1、 AC2l2 l1， 从而得曲柄长度： l1=(AC2 AC1)2。再以为圆心以 l为半径作圆，交 C1A的延线于B，交 C 2A于B，即得 B1C1= B2C2= l 及 AD= l4 。由于点是 C1PC2 外接圆上任 选的点，所以仅按

13、行 程速度变化系数设 计，可得无穷多的解 。由于点位置不 同，机构传动角的大 小也不同。因此设计 时应按照最小传动角 最优或其他辅助条件 来确定点的位置。三、按给定连杆位置设计四杆机构翻台振实式造型机的翻转机构，用一个铰链四杆机构来实 现翻台的、两个工作位置。位置，砂箱7与翻台8固联， 在振实台9上振实造型。然后压力油推动活塞6，通过连杆5使 摇杆4摆动，将翻台与砂箱翻转到位置。托台10上升接触砂 箱，解除砂箱与翻台间的 紧固联接并起模。给定了连杆3的长度 l3=BC 及其两个位置 BlCl 和B2C2，确定连架杆与机架组 成的固定铰链中心A和D 的位置，并求出其余三杆 的长度 l1、l2 和

14、 l4 。由于连杆上B、C两点的轨迹分别为以、D 为圆心 的圆弧，所以、D必分别位于B1B2和ClC2的垂直平分线上 。具体设计步骤： (1) 根据给定条件，绘出连杆的两个位置B1C1和B2C2。(3) 由于A和D两点可 在 b12和 c12两直线上任 意选取，有无穷多解。 实际设计时应考虑其他 辅助条件，例如最小传 动角、各杆尺寸所允许 的范围或其他结构上的 要求。(2) 分别连接B1和B2、C1和 C2，并作B1B2、ClC2的垂直平 分线 b12、c12。本机构要求A、D两点在同一水平线上，且ADBC。根据这一附加条件，即可唯一地确定、的位置，并作出所求的四杆机构AB1C1D。若给定连杆三个位置，四杆机构的设计过程与上述基 本相同。如图 ，由于B1、B2、B3三点位于以A 为圆心的同 一圆弧上，故运用已知三点求圆心的方法，作Bl B2和B2B3 的垂直平分线， 其交点就是固定 铰链中心A。同 样，作C1C2和 C2C3的垂直平分 线，其交点便是 另一固定铰链中 心。ABlClD即 为所求四杆机构 。第3章 凸轮机构 3-1 凸轮机构的工作原理和组成第3章 凸轮机构 3-1 凸轮机构的工作原理和组成内燃机配气凸轮机构：凸轮1以等角速度回转，它的轮廓 驱使从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门