铰链四杆机构基本特性

1.急回特性

摇杆摆回速度比摆去速度快的性质，称为急回特性。

在图1-1-17中，设曲柄AB为主动件作匀速回转运动，摇杆CD为从动件做往复摆动。曲柄AB在回转一周的过程中两次与连杆BC共线，此时摇杆CD分别位于C1D和C2D两个极限位置。摇杆在两个极限位置间的夹角φ称为摆角。摇杆在两极限位置时，曲柄两位置间所夹的锐角θ称为极位夹角。

图1-1-17　铰链四杆机构运转情况

动画1-11　极限夹角

当曲柄AB1位置顺时针转过φ1(=180°+θ)到达AB2位置时，摇杆由左极限位置C1D摆到右极限位置C2D，设经历的时间为t1，C点的平均速度；曲柄再由AB2位置转过φ2(=180°-θ)回到AB1位置时，摇杆自C2D摆回到C1D，设经历的时间为t2，C点的平均速度。因曲柄作匀速回转运动，经历的时间与其相应的转角成正比，由φ1＞φ2，t1＞t2，所以v2＞v1。

v2与v1的比值，称为从动件的行程速度比系数，以K表示。即

K的大小表示急回的程度。铰链四杆机构有无急回运动特性取决于该机构有无极位夹角θ，θ角越大，急回运动特性越显著。

2.传力特性

通常用压力角和传动角来表示四杆机构的传力特性(图1-1-18)。从动件受力点的受力方向与受力点的速度方向间所夹的锐角α，称为压力角，压力角的余角γ，称为传动角。

机构运转过程中，压力角和传动角随从动件的位置而变化。压力角越小，使从动件运动的有效分力越大，机构传动的效率也越高，所以可用压力角的大小判断机构的传力特性。为了保证机构能正常工作，要限制工作行程的最大压力角αmax或最小传动角γmin，一般设计时应使最小传动角≥40°。

铰链四杆机构运转时的传力特征如图1-1-18所示，最小传动角的位置是在曲柄与机架共线的两个位置处，可出现传动角的最小值。

3.死点位置

曲柄AB为从动件时，当连杆BC与曲柄AB处于共线位置时，连杆BC与曲柄AB之间的传动角α=0°，压力角γ=90°，这时摇杆CD经连杆BC传给从动件曲柄AB的力通过曲柄转动中心A，转动力矩为零，从动件不转，机构停顿，机构所处的这种位置称为死点位置，如图1-1-19所示。

动画1-12　曲轴连杆结构

图1-1-18　传力特性

图1-1-19　死点位置

动画1-13　死点的利用-飞机起落架

通过死点位置可采取的措施:

(1)利用从动件的惯性顺利地通过死点位置，如缝纫机踏板和内燃机活塞。

(2)采用错位排列的方式顺利地通过死点位置，如火车车轮。

另外，并不是所有的死点位置都是有害的，有时我们也可以利用死点位置完成机构的工作，如飞机起落架装置和夹具装置等。

动画1-14　死点的利用-夹具

【任务实施】

根据所学内容，解答学习任务中提出的问题。

解答:(1)因为LBC+LAD=50+120=170(mm)

LAB+LCD=82+96=178(mm)

所以(LBC+LAD)＜(LAB+LCD)符合曲柄存在的杆长之和条件。

(2)当分别取构件AB、BC、CD为机架时，将得到机构为:

①当取AD为机架时，不存在曲柄，得到双摇杆机构；

②当分别取AB或CD为机架时，均得到曲柄摇杆机构；

③当取BC为机架时，得到双曲柄机构。

1.运动副

运动副是指两构件直接接触并能产生相对运动的一种活动连接，通常用三种接触形式连接起来，即点接触、线接触和面接触。

2.平面连杆机构

由若干构件通过低副连接组成的平面机构称为平面连杆机构(也称为低副机构)。

平面四杆机构是多杆机构的基础，结构最简单，应用最广泛。

3.平面连杆机构的特点

平面连杆机构是由若干构件以低副连接而成的机构，也称低副机构。其主要特点是:平面连杆机构能进行多种运动的变换及实现一些比较简单的运动规律和运动轨迹；由于它的运动副全部都为低副，是面接触，故压力小、耐磨损、寿命较长；而且转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，易于加工、成本低。但是，由于低副中存在着间隙，机构将不可避免地产生运动误差，使运动精度降低；此外它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。

4.铰链四杆机构

全部用转动副将四个构件连接起来的四杆机构称为铰链四杆机构。

5.铰链四杆机构的分类

(1)曲柄摇杆机构；

(2)双曲柄机构；

(3)双摇杆机构。

6.铰链四杆机构的基本特性(www.xing528.com)

(1)急回特性:摇杆摆回速度比摆去速度快的性质，称为急回特性。

(2)传力特性(压力角和传动角):通常用压力角和传动角来表示四杆机构的传力性能。从动件受力点的受力方向与受力点的速度方向间所夹的锐角α，称为压力角，压力角的余角γ，称为传动角。

(3)死点位置:曲柄为从动件时，当连杆与曲柄处于共线位置时，连杆与曲柄之间的传动角α=0°，压力角γ=90°，这时摇杆经连杆传给从动件曲柄的力通过曲柄转动中心，转动力矩为零，从动件不转，机构停顿，机构所处的这种位置称为死点位置。

7.铰链四杆机构的判断规则

(1)若机构不满足杆长之和条件则只能成为双摇杆机构。

(2)若机构满足杆长之和条件，则:

①以最短杆的邻边为机架时为曲柄摇杆机构；

②以最短杆为机架时为双曲柄机构；

③以最短杆的对边为机架时为双摇杆机构。

一、填空题

(1)在__________条件下，曲柄滑块机构具有急回特性。

(2)机构中传动角γ和压力角α之和等于__________。

(3)在铰链四杆机构中，当最短构件和最长构件的长度之和大于其他两构件长度之和时，只能获得__________机构。

(4)在四杆机构中LAB=40 mm，LBC=40 mm，LCD=60 mm，AD为机架，该机构是__________。

(5)铰链四杆机构具有急回特性时其极位夹角θ值__________，对心曲柄滑块机构的θ值__________，所以它__________急回特性，摆动导杆机构__________急回特性。

(6)一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成__________机构。

二、判断题

(1)任何一种曲柄滑块机构，当曲柄为原动件时，它的行程速比系数K=1。(　)

(2)铰链四杆机构是由平面低副组成的四杆机构。(　)

(3)任何平面四杆机构出现死点时，都是不利的，因此应设法避免。(　)

(4)双摇杆机构不会出现死点位置。(　)

(5)曲柄摇杆机构只能将回转运动转换为往复摆动。(　)

(6)在单缸内燃机中若不计运动副的摩擦，则活塞在任何位置均可驱动曲柄。(　)

三、选择题

(1)缝纫机的踏板机构是以__________为主动件的曲柄摇杆机构。

A.曲柄　B.连杆　C.摇杆

(2)机车车轮机构是铰链四杆机构基本形式中的__________机构。

A.曲柄摇杆　B.双曲柄　C.双摇杆

(3)铰链四杆机构中，当满足__________条件时，机构才会有曲柄。

A.最短杆+最长杆≤其余两杆之和

B.最短杆-最长杆≥其余两杆之和

C.最短杆+最长杆＞其余两杆之和

(4)一对心曲柄滑块机构中，若以连杆为机架时，则将演化成__________机构。

A.转动导杆　B.曲柄摇块　C.曲柄移动导杆

(5)一对心曲柄滑块机构中，若以滑块为机架时，机构将演化成__________机构。

A.曲柄移动导杆　B.曲柄摇块　C.摆动导杆

(6)一对心曲柄滑块机构中，若以曲柄为机架时，机构将演化成__________机构。

A.曲柄移动导杆　B.转动导杆　C.摆动导杆

四、简答题

(1)平面四杆机构的基本形式是什么?它有哪些演化形式?演化的方式有哪些?

(2)什么是曲柄?平面四杆机构曲柄存在的条件是什么?曲柄是否就是最短杆?

(3)什么是行程速比系数、极位夹角和急回特性?三者之间关系如何?

(4)什么是平面连杆机构的死点位置?举出避免死点位置和利用死点位置进行工作的例子。

(5)平面铰链四杆机构的主要演化形式有哪几种?它们是如何演化来的?

五、计算题

(1)如图1-1-20所示四杆机构中，已知a=62 mm，b=152 mm，c=122 mm，d=102 mm，分别取不同构件为机架，可得到什么类型的铰链四杆机构?

(2)如图1-1-21所示铰链四杆机构，已知各构件的长度LAB=50 mm，LBC=110 mm，LCD=80 mm，LAD=100 mm。

图1-1-20　四杆机构

图1-1-21　铰链四杆机构

①该机构是否有曲柄?如有，请指出是哪个构件(必须根据计算结果说明理由)。

②当分别取构件AB、BC、CD为机架时，各将得到什么机构?