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此時不論以何桿為機架均為雙搖 桿機構(gòu)(圖 !")* 所示的等腰梯形機構(gòu)即為一例)。 干式恒溫儀對于含有移動副的四桿機構(gòu),根據(jù)機構(gòu)演化原理,可認為移動副是轉(zhuǎn)動中心 在無窮遠處(在工程實踐上可理解為足夠遠處)的轉(zhuǎn)動副,而將機構(gòu)轉(zhuǎn)化為鉸鏈 四桿機構(gòu)來分析其曲柄存在的條件。 !"#"$ 平面四桿機構(gòu)的特性 !" 急回特性及行程速比系數(shù) 圖 !"#+ 所示為一曲柄搖桿機構(gòu),設(shè)曲柄 !" 為原動件,在其轉(zhuǎn)動一周的過程 中,有兩次與連桿共線,這時搖桿 $# 分別處于兩極限位置 $) # 和 $# #。機構(gòu)所 處的這兩個位置稱為極限位置。機構(gòu)在兩個極限位置時,原動件 !" 所夾的銳 !"# 平面四桿機構(gòu)的基本工作特性 ,’ 角!稱為極位夾角。 如圖所示,當(dāng)曲柄以等角速度"! 順時針轉(zhuǎn)過#! " !#$% &!時,搖桿將由位置 !! " 擺到 !’ ",其擺角為$,設(shè)所需時間為 #! ,! 點的平均速度為 $! ;當(dāng)曲柄繼續(xù) 轉(zhuǎn)過#’ " !#$% (!時搖桿又從位置 !’ " 回到 !! ",擺角仍然是$,設(shè)所需時間為 圖 )*’+ 曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性 #’ ,! 點的平均速度為 $’ ,由于曲柄為等 速轉(zhuǎn)動,而#! ,#’ ,所以有 #! , #’ ,$’ , $! ,搖桿的這種運動性質(zhì)稱為急回運動。 為了表明急回運動的急回程度,可用反 正行程速比系數(shù)(簡稱行程速比系數(shù)或 行程速度變化系數(shù))% 來衡量,
即 % " $’ $! " !!!) ’ #’ !!!) ’ #! " #! #’ "#!# ’ " !#$% &! !#$% (! ()*-) 上式表明,當(dāng)機構(gòu)存在極位夾角! 時,機構(gòu)便具有急回運動特性。! 角愈 大,% 值愈大,機構(gòu)的急回運動性質(zhì)也愈顯著。在圖 )*’./ 所示的對心曲柄滑塊 機構(gòu)中,由于其!" $%,% " !,故無急回作用;而圖 )*’.0 所示的偏置曲柄滑塊機 構(gòu),因其!!$%,故有急回作用。在圖 )*’# 所示的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中,當(dāng)曲柄 &! 兩次轉(zhuǎn)到與導(dǎo)桿垂直時,導(dǎo)桿處于兩側(cè)極位。由于其!!$%,故也有急回作用。 圖 )*’. 曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性 1+ 第!章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計 機構(gòu)的這種急回作用,在機械中常被用來節(jié)省空回行程的時間,以提高勞動 生產(chǎn)率。例如在牛頭刨床中采用擺動導(dǎo)桿機構(gòu)就有這種目的。但要注意,急回 作用有方向性,當(dāng)原動件的回轉(zhuǎn)方向改變時,急回的行程也跟著改變。故在牛頭 刨床等設(shè)備上都用明顯的標(biāo)志標(biāo)出了原動件的正確回轉(zhuǎn)方向。 圖 !"#$ 導(dǎo)桿機構(gòu)的 急回特性 對于一些要求具有急回運動性質(zhì)的機械,如牛頭 刨床、往復(fù)式運輸機等,在設(shè)計時,要根據(jù)所需的行程 速比系數(shù) ! 來設(shè)計,這時應(yīng)先利用下式求出!角,然 后再設(shè)計各桿的尺寸。 ! % &$’( ! ) & ! * & (!"+) !" 壓力角與傳動角 在圖 !"#, 所示的四桿機構(gòu)中,若不考慮各運動 副中的摩擦力及構(gòu)件重力和慣性力的影響,則由原動 件 "# 經(jīng)連桿 #$ 傳遞到從動件 $% 上點 $ 的力 &,將 沿 #$ 方向,力 & 與點 $ 速度方向之間的夾角",稱為 機構(gòu)在此位置時的壓力角。而連桿 #$ 和從動件 $% 之間所夾的銳角# 稱為連桿機構(gòu)在此位置時的傳動角。# 和" 互為余角。傳動 角# 愈大對機構(gòu)的傳力愈有利。所以在連桿機構(gòu)中常用傳動角的大小及其變 化情況來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞。 圖 !"#, 壓力角與傳動角 在機構(gòu)運動過程中,傳動角# 的大小是變化的,為了保證機構(gòu)傳力性能良 好,應(yīng)使#-./!!’( 0 1’(;對于一些受力很小或不常使用的操縱機構(gòu),則可允許傳 動角小些,只要不發(fā)生自鎖即可。 對于曲柄搖桿機構(gòu),#-./ 出現(xiàn)在原動曲柄與機架共線的兩位置之一,這時有 #& %"#& $& %& % 234456 ’# * (# )( ) ) *)# #’( (!"72) !"# 平面四桿機構(gòu)的基本工作特性 ,7 當(dāng)!!! "! # " #$%時 !! &!!! "! # & ’())*+ $! , %! -( & , ’)! !$% (./01) 或當(dāng)!!! "! # 2 #$%時 !! &!!! "! # & 34$% - ’())*+ $! , %! -
( & , ’)! !$% (./0)) !3 和!! 中的較小者即為!567 。 由上式可見,傳動角的大小與機構(gòu)中各桿的長度有關(guān),故可按給定的許用傳 動角來設(shè)計四桿機構(gòu)。 !" 死點位置 在圖 ./8$ 所示的曲柄搖桿機構(gòu)中,設(shè)以搖桿 "# 為原動件,則當(dāng)連桿與從 動曲柄共線時(虛線位置),機構(gòu)的傳動角! & $%,這時原動件 "# 通過連桿作用 于從動件 (! 上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心,所以出現(xiàn)了不能使構(gòu)件 (! 轉(zhuǎn)動的 “頂死”現(xiàn)象,機構(gòu)的這種位置稱為死點。同樣,對于曲柄滑塊機構(gòu),當(dāng)以滑塊為 原動件時,若連桿與從動曲柄共線,機構(gòu)也處于死點位置。 圖 ./8$ 死點位置 為了使機構(gòu)能順利地通過死點而正常運轉(zhuǎn),必須采取適當(dāng)?shù)拇胧,如可采?將兩組以上的同樣機構(gòu)相互錯開排列組合使用(如圖 ./# 所示的機車車輪聯(lián)動 機構(gòu),其兩側(cè)的曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄位置相互錯開了 #$%);也可采用安裝飛輪加 大慣性的方法,借慣性作用使機構(gòu)闖過死點(如圖 ./8 所示的縫紉機踏板機構(gòu)中 的大帶輪即兼有飛輪的作用)等等。 在另一方面,在工程實踐中,也常利用機構(gòu)的死點來實現(xiàn)特定的工作要求。 如圖 ./83 所示的飛機起落架機構(gòu),在機輪放下時,桿 !" 與 "# 成一直線,此時 機輪上雖受到很大的力,但由于機構(gòu)處于死點位置,起落架不會反轉(zhuǎn)(折回),這 可使飛機起落和停放更加可靠。圖 ./8! 所示為輪椅的制動裝置,當(dāng)順時針扳動 小手柄使制動刀壓住車輪,可防止輪椅沿斜坡自動下滑。因機構(gòu)處于自鎖位置, 不會在制動力的作用下自動松脫,可始終維持制動狀態(tài)。 #4 第!章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計 圖 !"#$ 飛機起落架 圖 !"#% 輪椅的制動裝置 !"! 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計 !"!"# 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計的基本問題及設(shè)計方法 連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題是根據(jù)給定的要求選定機構(gòu)的形式,確定各構(gòu)件 的尺寸,同時還要滿足結(jié)構(gòu)條件(如要求存在曲柄、桿長比恰當(dāng)?shù)龋、動力條件(如 適當(dāng)?shù)膫鲃咏堑龋┖瓦\動連續(xù)條件等。 根據(jù)機械的用途和性能要求的不同,對連桿機構(gòu)設(shè)計的要求是多種多樣的, 但這些設(shè)計要求可歸納為以下三類問題: ($)滿足預(yù)定的運動規(guī)律要求 如要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角能夠滿足預(yù)定的對應(yīng)位置關(guān)系;或要求在原動件運 動規(guī)律一定的條件下,從動件能夠準(zhǔn)確地或近似地滿足預(yù)定的運動規(guī)律要求。 (%)滿足預(yù)定的連桿位置要求 即要求連桿能占據(jù)一系列的預(yù)定位置。因這類設(shè)計問題要求機構(gòu)能引導(dǎo)連 桿按一定方位通過預(yù)定位置,故又稱為剛體導(dǎo)引問題。 (#)滿足預(yù)定的軌跡要求 即要求在機構(gòu)運動過程中,連桿上某些點的軌跡能符合預(yù)定的軌跡要求。 如圖 !"$% 所示的鶴式起重機構(gòu),為避免貨物作不必要的上下起伏運動,連桿上 吊鉤滑輪的中心點 ! 應(yīng)沿水平直線 !!& 移動;而圖 !"! 所示的攪拌機機構(gòu),應(yīng)保 證連桿上的 ! 點能按預(yù)定的軌跡運動,以完成攪拌動作等等。 連桿機構(gòu)的設(shè)計方法有圖解法、解析法和實驗法,現(xiàn)分別介紹如下。 !"!"$ 圖解法設(shè)計平面四桿機構(gòu) 對于四桿機構(gòu)來說,當(dāng)其鉸鏈中心位置確定后,各桿的長度也就跟著確定 !"! 平面四桿機構(gòu)的設(shè)計 ’’ 了。用圖解法進行設(shè)計,就是利用各鉸鏈之間相對運動的幾何關(guān)系,通過作圖確 定各鉸鏈的位置,從而定出各桿的長度。下面根據(jù)設(shè)計要求的不同,對四桿機構(gòu) 設(shè)計的圖解法加以介紹。 !" 按給定連桿的位置設(shè)計平面四桿機構(gòu) 圖 !"## 給定連桿 的位置設(shè)計平面四桿機構(gòu) 如圖 !"## 所示,設(shè)連桿上兩活動鉸 鏈中心 $ 、! 的位置已確定,要求在機構(gòu) 運動 過 程 中 連 桿 能 占 據(jù) "% !% 、"& !& 、 "# !# 三個位置。設(shè)計的任務(wù)是要確定 兩固定鉸鏈中心 #、$ 的位置。由于在 鉸鏈四桿機構(gòu)中,活動鉸鏈 "、! 的軌跡 為圓弧,故 #、$ 應(yīng)分別為其圓心。因 此,可分別作 "% "& 和 "& "# 的垂直平分 線 %%& 、%&# ,其交點即為固定鉸鏈 # 的位 置;同理,可求得固定鉸鏈 $ 的位置,聯(lián)結(jié) #"% 、!% $,即得所求四桿機構(gòu)。如果 只給定 "% !% 、"& !& 兩個位置,則兩固定鉸鏈中心 #、$ 的位置不能惟一確定,必 須根據(jù)另外的輔助條件來確定。 #" 按給定連架桿的位置設(shè)計平面四桿機構(gòu) (%)按給定兩連架桿的兩組對應(yīng)位置設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu) 已知連架桿 #" 和機架 #$ 的長度;兩連架桿 #" 和 $! 的兩組對應(yīng)位置分 別為 #"% 、$&% 和 #"& 、$&& ( 其中 &% 、&& 兩點為 $! 桿上任意選取的一點 & 所占 據(jù)的位置),對應(yīng)角度關(guān)系分別
為!% 、"% 和!& 、"& ,如圖 !"#!’ 所示。要求設(shè)計 此鉸鏈四桿機構(gòu)。 設(shè)計這種四桿機構(gòu),就是要確定連桿 "! 和連架桿 !$ 的長度,實際上只需 確定連桿與連架桿相連的轉(zhuǎn)動副 !。 用圖解法設(shè)計時,通常將給定兩連架桿的對應(yīng)位置,轉(zhuǎn)化為給定連桿的位置 來處理。為此對已有鉸鏈四桿機構(gòu) #"!$ 進行分析(圖 !"#!()。連架桿 #" 由 #"% 順時針方向轉(zhuǎn)到 #"& 時,另一連架桿 $! 由 $!% 順時針方向轉(zhuǎn)到 $!& ,兩連 架桿的角位移分別為!%& )!% *!& 和"%& )"% *"& 。如果把第二個位置上各構(gòu) 件組成的四邊形 #"& !& $ 視為剛體,然后將此剛體繞 $ 點反轉(zhuǎn)過"%& ( 即按逆時 針方向轉(zhuǎn)),使其中的 $!& 與 $!% 相重合,則點 # 和 "& 將分別轉(zhuǎn)到 #+ 和 "& + 。這 樣,可以認為連架桿 $! 在 $!% 保持不動,而另一連架桿 #" 由位置 #"% 運動到 #+ "& + 。經(jīng)過反轉(zhuǎn)后,連架桿 $! 轉(zhuǎn)化為機架,而另一連架桿 #" 轉(zhuǎn)化為連桿。因 此,#"% 和 #+ "& + 就是轉(zhuǎn)化后“連桿”的兩個給定位置。因桿 "! 的長度不變,即 "% !% ) "& + !% ,故欲求的轉(zhuǎn)動副中心 !% 必在 "% 、"& + 兩點連線的中垂線 %%& 上。此 %,, 第!章 平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計 圖 !"#! 給定連架桿的兩組對應(yīng)位置設(shè)計平面四桿機構(gòu) 法稱為反轉(zhuǎn)法。 由上分析可知,設(shè)計此機構(gòu)的關(guān)鍵在于求得 !$ % 點。為了便于設(shè)計,可借助 "& 、"$ 兩點。在圖 !"#!’ 中,將點 !$ 、"$ 、# 和 !$ % 、"& 、# 分別連成兩個三角形 !!$ "$ # 和!!$ % "& #。由于機構(gòu)在反轉(zhuǎn)過程中被視為剛體,故上述兩三角形完 全相等