平面連桿機構

平面連桿機構

機器的主體部分由許多運動構件組成,用於傳遞運動和力。由一個構件為機架的、構件間能夠相對運動的構件系統稱為機構。所有構件都在相互平行的平面內運動的機構稱為平面機構。平面連桿機構運動設計的方法主要是幾何法和解析法,此外還有圖譜法和模型實驗法。平面連桿機構中最常用的是四桿機構,它的構件數目最少,且能轉換運動。幾何法是利用機構運動過程中各運動副位置之間的幾何關係,通過作圖獲得有關運動尺寸,所以幾何法直觀形象,幾何關係清晰,對於一些簡單設計問題的處理是有效而快捷的,但由於作圖誤差的存在,所以設計精度較低。

簡介

低副是面接觸,耐磨損;加上轉動副和移動副的接觸表面是圓柱面和平面,製造簡便,易於獲得較高的製造精度。因此,平面連桿機構在各種機械和儀器中獲得廣泛套用。連桿機構的缺點是:低副中存在間隙,數目較多的低副會引起運動累積誤差;而且它的設計比較複雜,不易精確地實現複雜地運動規律。

最簡單地平面連桿機構是由四個構建組成地,稱為平面四桿機構。它的套用非常廣泛,而且是組成多桿機構的基礎。

平面連桿機構平面連桿機構

由若干個剛性構件通過低副(轉動副、移動副)聯接,且各構件上各點的運動平面均相互

平行的機構(圖1),又稱平面低副機構。低副具有壓強小、磨損輕、易於加工和幾何形狀能保證本身封閉等優點,故平面連桿機構廣泛用於各種機械和儀器中。與高副機構相比,它難以準確實現預期運動,設計計算複雜。

平面連桿機構中最常用的是四桿機構,它的構件數目最少,且能轉換運動。多於四桿的平面連桿機構稱多桿機構,它能實現一些複雜的運動,但桿多且穩定性差。

基本問題

平面連桿機構的運動設計一般可歸納為以下三類基本問題:

1) 實現構件給定位置(亦稱剛體導引),即要求連桿機構能引導某構件按規定順序精確或近似地經過給定的若干位置。

2) 實現已知運動規律(亦稱函式生成),即要求主、從動件滿足已知的若干組對應位置關係,包括滿足一定的急回特性要求,或者在主動件運動規律一定時,從動件能精確或近似地按給定規律運動。

3) 實現已知運動軌跡(亦稱軌跡生成),即要求連桿機構中作平面運動的構件上某一點精確或近似地沿著給定的軌跡運動。

在進行平面連桿機構運動設計時,往往是以上述運動要求為主要設計目標,同時還要兼顧一些運動特性和傳力特性等方面的要求,如整轉副要求、壓力角或傳動角要求、機構占據空間位置要求等。另外,設計結果還應滿足運動連續性要求,即當主動件連續運動時,從動件也能連續地占據預定的各個位置,而不能出現錯位或錯序等現象。

平面連桿機構運動設計的方法主要是幾何法和解析法,此外還有圖譜法和模型實驗法。幾何法是利用機構運動過程中各運動副位置之間的幾何關係,通過作圖獲得有關運動尺寸,所以幾何法直觀形象,幾何關係清晰,對於一些簡單設計問題的處理是有效而快捷的,但由於作圖誤差的存在,所以設計精度較低。解析法是將運動設計問題用數學方程加以描述,通過方程的求解獲得有關運動尺寸,故其直觀性差,但設計精度高。隨著數值計算方法的發展和計算機的普及套用,解析法已成為各類平面連桿機構運動設計的一種有效方法。

基本特點

平面連桿機構平面連桿機構

四桿機構基本型式四桿機構有兩種基本類型。

①在滿足曲柄存在的前提下,鉸鏈四桿機構取不同的構件作機架,可得到具有不同運動特性的鉸鏈四桿機構:例如曲柄搖桿機構,雙曲柄機構和由它們派生出來的平行四邊形機構,曲柄滑塊機構等。鉸鏈四桿機構中,若a為最短桿,取桿d或桿b為機架,則a為曲柄,c為搖桿,即得曲柄搖桿機構。如取a為機架,則b和d都是曲柄,即得雙曲柄機構。

②在不滿足曲柄存在的前提下,鉸鏈四桿機構的運動鏈不論哪個桿固定,因無曲柄存在,必為雙搖桿機構,取c為機架,b和d都是搖桿。如將曲柄搖桿機構的搖桿長度增加至無窮大,則轉動副OB轉化為移動副,即得曲柄滑塊機構。此外四桿機構還帶兩個滑塊型式的雙滑塊機構。

尺寸綜合按給定的從動件運動來決定機構運動簡圖的尺寸。綜合時尚應考慮最小傳動角和曲柄存在等條件,以保證求得合理可靠的機構。

尺寸綜合

按給定的從動件運動來決定機構運動簡圖的尺寸。綜合時尚應考慮最小傳動角和曲柄存在等條件,以保證求得合理可靠的機構。

對從動件的運動要求是多種多樣的,要綜合的問題也各不相同。一般可歸結為:①主動件運動規律一定時,要求從動件能實現給定的對應位置或近似實現給定函式的運動規律;②要求連桿能實現給定的位置;③要求連桿上某點能近似沿給定曲線運動。其中②是研究運動幾何學的基本問題,據此也可求解近似實現給定曲線的機構。

尺寸綜合的主要方法有解析法、圖解法和實驗法。①解析法:以函式逼近論為基礎的代數法。這種方法精度高,計算繁複,但隨著電子計算機的套用和向量、複數與矩陣等數學手段的運用,60年代以來發展很快,常用的有插值法、平方逼近法、最佳逼近法等。②圖解法:以運動幾何學為基礎的幾何方法。這種方法概念明確、簡單,能以一定精度求解相當範圍的問題,但精度不如解析法高,常用的有運動幾何法和在其基礎上提出的半角轉動法等。③實驗法:用不同機構參數的模型通過反覆實驗求解機構的尺寸(見機構綜合)。

羅伯茨定理 若三個不同尺寸的鉸鏈四桿機構O1O2B1A1、O2O3B2A2和O1O3B3A3(圖3)間有下列關係:①O1A1ΜA3、O2B1ΜA2和O3B3ΜB2是鉸鏈平行四邊形;②ΔA1ΜB1∽ΔΜB2A2∽ΔA3B3Μ∽ΔO1O2O3,則在各自連桿上的Μ點可畫出同一條曲線,稱為羅伯茨定理。在綜合再現給定軌跡的鉸鏈四桿機構時,當設計出的機構不能滿足傳動角大小和安裝位置等其他條件時,用羅伯茨定理可得出另兩個不同尺寸的機構,以利於選擇。

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