铰链四杆机构及其应用

图2．4　铰链四杆机构

图2．3　四杆机构的组成

二、四杆机构的类型判别

曲柄存在的条件如下：

①要有最短杆存在。

②最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。

满足上述条件时，有以下3种情况：

①若取最短杆相邻的构件任意杆为机架，则该机构为曲柄摇杆机构，且最短杆为曲柄。

②取最短杆为机架，则该机构为双曲柄机构。

③若取最短杆相对的杆为机架，则该机构为双摇杆机构。

当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取哪一个杆为机架，都无曲柄存在，机构只能为双摇杆机构。

其类型及特点见表2．1。

表2．1　四杆机构的类型及特点

例2．1　如图2．5所示的机构，已知：L1＝35，L2＝50，L3＝65，L4＝60。试求：判断该铰链四杆机构的类型。解　根据曲柄存在的条件：最长杆＋最短杆≤其余两杆之和，得

图2．5　机构

L1＋L3≤L2＋L4

则

35＋65＜50＋60

故有曲柄存在。

又因为是选择若取最短杆相邻的构件任意杆为机架，所以则该机构为曲柄摇杆机构，且最短杆为曲柄。

假设：L1＝46，则

L1＋L3＞L2＋L4

于是

46＋65＞50＋60

故该机构为双摇杆机构。

任务二　铰链四杆机构及其应用

知识要点：

1．了解四杆机构的演变。

2．了解演化后的四杆机构应用。

3．了解四杆机构的运动特征。

一、四杆机构的演变和应用

1．偏心轮机构

图2．6所示为一偏心轮的结构形式，将曲柄演变成一几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称偏心轮。偏心轮机构一般多用于曲柄销承受较大冲击载荷或曲柄较短的机构，如剪床、冲床以及破碎机等。

图2．6　偏心轮机构

图2．7　冲床结构图

图2．8　曲柄滑块机构

1—曲柄　2—连杆　3—滑块

2．曲柄滑块机构

曲柄滑块机构在机械中应用十分广泛，如内燃机、搓丝机、自动送料装置等。如图2．8所示，在该机构中，若以AB为主动件，则AB的连续旋转运动经连杆转换为从动滑块C的往复直线运动。

图2．9　导杆机构

3．导杆机构

若将曲柄滑块机构（图2．9（a））中的构件1作为机架，就演变成导杆机构（图2．9（b））

导杆机构分为转动导杆机构和摆动导杆机构。

当L1＜L2时，机架1为最短杆，相邻杆2和导杆4能绕机架连续旋转，故称为转动导杆机构；当L1＞L2时，机架不再是最短杆，相邻杆2和导杆只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构。

导杆机构多用于插床、刨床等机构中。

4．定块机构

若将曲柄滑块机构（图2．10（a））中的构件3作为机架，就演化成定块机构，此机构中滑块固定不动。图2．10（b）抽水机就是应用该原理。

三、平面四杆机构的运动特性

如图2．11所示为曲柄摇杆机构。假设等速转动的曲柄为主动件，它在回转过程中，与连杆有两次共线位置AB1和AB2。此时，从动件摇杆CD分别位于C1D和C2D两个极限位置，其夹角θ称为极位夹角。

图2．10　定块机构

图2．11　曲柄摇杆机构

当主动件曲柄从AB2开始沿顺时针旋转至AB1时结束，转角矱1＝180°＋θ（工作行程机构工作）；从AB1开始继续顺时针旋转回到AB2时结束，转角矱2＝180°－θ（空间行程机构不工作），至此完成整周旋转。摇杆则从CD2摆至CD1（期间所用时间假设为t1，v1＝C1C2／t1），再从CD1摆至CD2（期间所用时间假设为t2，v2＝C1C2／t2）。

从上述可知，矱1＞矱2，故t1＞t2，v1＜v2。通常情况下，摇杆由CD2摆至CD1的过程被用作机构中从动件的工作行程，从CD1摆至CD2过程被用作机构中从动件的空回行程。空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，机构的这种性质称为急回特性。

机构的急回特性可用行程比系数K来表示，即

K的大小表示急回的程度。由上式可知，K与θ有关。当θ＝0时，K＝1，说明该机构无急回特性；当θ＞0时，则该机构具有急回特性，θ越大，K值越大，急回特性就越明显。

任务小结

1．四杆机构的组成：机架、连架杆和连杆。

2．四杆机构的分类：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

3．曲柄存在的条件：

①有最短杆存在。

②l长＋l短≤l1＋l2。

如

l长＋l短＞l1＋l2

则为双摇杆机构。

思考题

列举在日常生活中你所见到的四杆机构。

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一、填空题

1．极位夹角是指____________，用θ表示，θ＝____________。当θ＞0时，表示机构急回特性的行程比系数K____________，机构____________急回特性。

2．在铰链四杆机构中，能相对机架作整周旋转的连架杆是____________。

3．部与机架直接相连，且作平面运动的杆件称为____________。

4．汽车窗雨刷采用的是____________机构。

5．家用缝纫机踏板机构采用的是____________机构。

6．公交车启闭机构采用的是____________机构。

二、选择题

1．铰链四杆机构中，最短杆件与最长杆件长度之和小于或等于其余两杆的长度之和时，机构中一定有（　　）。

A．曲柄　　　B．摇杆　　　C．连杆

2．曲柄摇杆机构中，曲柄的长度（　　）。

A．最短　　　B．最长　　　C．介于最短和最长之间

3．当曲柄摇杆机构出现死点位置时，可在从动曲柄上（　　）使其顺利通过死点位置。

A．加设飞轮　　　B．减少阻力　　　C．加大主动力

4．在曲柄摇杆机构中，最短杆是（　　）；在双曲柄机构中，最短杆是（　　）。

A．曲柄　　　B．摇杆　　　C．连杆

三、简答题

如图2．12所示，根据已知数据判断四杆机构类型。

图2．12　四杆机构

A：

B：

C：

D：

实践活动　制作简易四杆机构

1．训练内容及目标

①学生对平面机构进行实践学习，完成对铰链四杆机构模型制作。

②能在教师的指导下选择选择任意铰链四杆类型正确制作。

③在小组合作中逐步树立互相帮助、互相讨论和共同进步的团队意识。

2．准备材料及工具

木头条，铆钉（图钉），刀片，钢皮尺，铅笔，圆规，砂布。

3．活动步骤及过程

①学生分组，5～6人一组，选一位组长。

②根据学习资料提示，小组讨论人员分工，制定操作计划步骤。

③一组同学配合完成模型制作，每位学生口述操作过程，并提问要求其他同学回答。

④完成工作任务单的各类任务，并上交组长。

4．学生评价

采取学生自评，同学互评，教师点评的评价方式，完成对学生此次教学活动的学习效果评价，评定学习成绩。

【学习任务单】

铰链四杆机构制作学习任务单

【学习评价表】

学生综合学习评价表