汽車機械基礎機械工業(yè)出版社第三章平面連桿機構(gòu)一、鉸鏈四桿機構(gòu)的類型三、平面四連桿機構(gòu)的性質(zhì)及應用二、鉸鏈四桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)化汽車是由許多機構(gòu)組合而成的運輸機械。各構(gòu)件之間通過一定的連接方式組成機構(gòu),為了傳遞運動和動力,機構(gòu)中各構(gòu)件之間的連接必須是可動的,且這種相互運動必須是確定的。連桿機構(gòu)的特點為:機構(gòu)中,構(gòu)件與構(gòu)件均用低副連接,且可在一個平面或與之相互平行的平面表達其運動狀態(tài)。本章討論四桿機構(gòu)的類型、轉(zhuǎn)化、性質(zhì)及應用。第一節(jié)鉸鏈四桿機構(gòu)的類型平面連桿機構(gòu)運動形式多種多樣,且各構(gòu)件用低副連接。若各構(gòu)件之間都是用轉(zhuǎn)動副連接的平面四桿機構(gòu),則稱為鉸鏈四桿機構(gòu)。鉸鏈四桿機構(gòu)是組成多桿機構(gòu)的基礎。鉸鏈四桿機構(gòu)分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。一、曲柄搖桿機構(gòu)如圖3-1所示,機構(gòu)中固定桿件4稱為機架,與機架相連的桿件1和桿件3稱為連架桿,連接兩連架桿的桿件2稱為連桿。在連架桿中,如果桿件1和桿件3能繞固定鉸鏈作整周轉(zhuǎn)動,稱為曲柄;如果只能在小于360°的某一角度內(nèi)擺動,則稱為搖桿。若兩連架桿一個是曲柄,另一個是搖桿,則此機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。圖3-1鉸鏈四桿機構(gòu)1、3—連架桿2—連桿4—機架如圖3-2所示,在曲柄搖桿機構(gòu)中,若曲柄為原動件,當曲柄等速回轉(zhuǎn)時,搖桿作變速的往復擺動。圖3-2曲柄搖桿機構(gòu)圖3-3所示為雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu),其中曲柄AB作等速轉(zhuǎn)動,天線固定在搖桿CD上,作變速的往復擺動,實現(xiàn)天線的俯仰運動。圖3-3雷達天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)圖3-4所示為汽車前窗刮水器,當主動曲柄AB回轉(zhuǎn)時,搖桿CD(從動件)往復擺動,利用搖桿的延長部分實現(xiàn)刮水動作。二、雙曲柄機構(gòu)兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。主動曲柄連續(xù)等速轉(zhuǎn)動,從動曲柄一般為變速轉(zhuǎn)動,如圖3-5所示。圖3-6所示為利用雙曲柄機構(gòu)制成的慣性篩機構(gòu)。在雙曲柄機構(gòu)中,若兩對邊構(gòu)件長度相等且平行,則稱為平行雙曲柄機構(gòu),如圖3-7所示。圖3-8所示為攝影車坐斗升降機構(gòu)。該機構(gòu)利用平行四邊形通過液壓缸運動,使兩連架桿AB、CD始終保持平行的特點來工作。在平行雙曲柄機構(gòu)中,曲柄AB為主動件,曲柄CD為從動件,曲柄CD在運動時,與主動曲柄轉(zhuǎn)向相同,則為平行四邊形機構(gòu);曲柄CD在運動時,與主動曲柄轉(zhuǎn)向相反,則稱為反平行四邊形機構(gòu),如圖3-9所示。圖3-10所示為汽車車門開閉機構(gòu),它就是反平行四邊形機構(gòu)的應用實例。三、雙搖桿機構(gòu)兩連架桿都為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu),如圖3-11所示。主動件1的往復擺動,經(jīng)連桿轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭訔U3的往復擺動。圖3-12所示為港口使用的鶴式起重機,其特點為起重機在吊運貨物時,貨物始終作水平運動(圖中虛線位置),載荷平穩(wěn),減少了功率損耗。圖3-13所示為變速器換檔操縱機構(gòu)。通過操縱手柄,可使從動軸Ⅲ得到不同的轉(zhuǎn)速,達到汽車變速的目的。在雙搖桿機構(gòu)中,如果兩搖桿長度相等,則稱為等腰梯形機構(gòu)。汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)即是等腰梯形機構(gòu)。圖3-13變速器換檔操縱機構(gòu)1—手柄2—連桿3—連架桿4—換檔裝置圖3-14所示為梯形機構(gòu)應用于汽車前輪轉(zhuǎn)向的實例。汽車轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向輪只能向前滾動,不能有橫向滑動。轉(zhuǎn)向輪的軌跡要符合一定的規(guī)律:前內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角β大于前外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角α,兩前輪軸線要求交于一點。等腰梯形機構(gòu)能滿足這一規(guī)律。圖3-14梯形機構(gòu)轉(zhuǎn)向工作情況a)工作示意圖b)運動圖1—前軸2、3—銷4、5—轉(zhuǎn)向節(jié)6、7—轉(zhuǎn)向節(jié)臂8—轉(zhuǎn)向橫拉桿如果汽車轉(zhuǎn)向時,兩前輪偏轉(zhuǎn)角相同,兩輪軸線就不可能交于一點,而是交于兩點,轉(zhuǎn)向機構(gòu)只能是矩形,如圖3-15所示。這時兩前輪不可能繞同一中心滾動,運動軌跡發(fā)生改變。圖3-15矩形機構(gòu)不符合轉(zhuǎn)向規(guī)律a)工作示意圖b)運動圖若使兩轉(zhuǎn)向輪自由滾動,兩輪的運動軌跡有靠近的趨勢。然而兩前輪是安在同一軸的兩端,輪距B不變,當汽車轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向輪就會產(chǎn)生邊滾邊滑的現(xiàn)象,行駛阻力增加,轉(zhuǎn)向困難,并加速輪胎的磨損。顯然,汽車在轉(zhuǎn)向運動中,兩前輪軸線必須交于一點,兩前輪只有滾動而沒有橫向滑動,必須采用梯形機構(gòu)。

以上兩個條件缺一不可。當滿足1)、2)兩條件時:取最短桿為連架桿時,得曲柄搖桿機構(gòu),如圖3-16a所示。取最短桿為機架時,得雙曲柄機構(gòu),如圖3-16b所示。如果不滿足1)或2)任一條件時,只能得到雙搖桿機構(gòu),如圖3-16c所示。圖3-16鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判別a)桿4為機架b)桿1為機架c)桿3為機架第二節(jié)鉸鏈四桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)化在汽車機械中,活塞、連桿和曲軸組成的發(fā)動機總成機構(gòu)、翻斗車卸料等機構(gòu)都是四桿機構(gòu)。這些四桿機構(gòu)可以看作是由鉸鏈四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化而來的。一、曲柄滑塊機構(gòu)圖3-17a所示為一曲柄搖桿機構(gòu),轉(zhuǎn)動副中心C點的運動軌跡是以D為圓心,CD為半徑的圓弧。若在C點處鉸接滑塊,并在以D為圓心、CD為半徑的圓弧形導槽中運動,滑塊C點的運動軌跡與前者相同,如圖3-17b所示。C點的轉(zhuǎn)動副變?yōu)橐苿痈?曲柄搖桿機構(gòu)就演化為圓弧形導槽的曲柄滑塊機構(gòu)。其中,?mm為滑塊運動的導路中心線。圖3-17鉸鏈四桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)化a)鉸鏈四桿機構(gòu)b)轉(zhuǎn)化圖3-18a所示滑塊道路中心線為直線,且與曲柄回轉(zhuǎn)中心A的距離為e,稱為偏置曲柄滑塊機構(gòu)。圖3-18曲柄滑塊機構(gòu)a)偏置曲柄滑塊機構(gòu)b)對心曲柄滑塊機構(gòu)在曲柄滑塊機構(gòu)中,若滑塊的導路中心線與曲柄回轉(zhuǎn)中心的距離為零"("e=0")",則稱為對心曲柄滑塊機構(gòu),如圖3-18b所示。曲柄滑塊機構(gòu)在鍛壓機、空壓機、內(nèi)燃機及各種沖壓機器中得到廣泛應用。當曲柄為主動件作圓周運動,通過連桿使滑塊作往復直線運動時,可對工件進行壓力加工,如沖孔、落料、拉延、成形等工序。這種機構(gòu)稱為曲柄壓力機(沖床)。汽車機械中許多零件(如墊片、油箱、空氣濾清器外殼、汽車外殼等)都是由曲柄壓力機加工而成的。當滑塊為主動件作往復直線運動時,通過連桿使曲軸作周轉(zhuǎn)運動,形成汽車動力。這就是活塞連桿總成機構(gòu),是內(nèi)燃發(fā)動機的主體機構(gòu)?；钊B桿機構(gòu)和壓力機機構(gòu)都是曲柄滑塊機構(gòu),只是原動件和從動件發(fā)生了變化。在曲柄滑塊機構(gòu)中,當選取不同的桿件為機架時,可轉(zhuǎn)化成導桿機構(gòu)、搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu),如圖3-19所示。圖3-19曲柄滑塊機構(gòu)的轉(zhuǎn)化a)曲柄滑塊機構(gòu)b)轉(zhuǎn)動導桿或擺動導桿機構(gòu)c)搖塊機構(gòu)d)定塊機構(gòu)二、導桿機構(gòu)導桿機構(gòu)具有很好的傳力性能,常用于插床、牛頭刨床和送料裝置等機械設備中。1.轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)如圖3-19b所示,若選取構(gòu)件1作為機架,構(gòu)件2、4就成為連架桿,分別以B、A為回轉(zhuǎn)中心作轉(zhuǎn)動,由于構(gòu)件4為滑塊3提供導向作用,稱為導桿。這時l1<l2,導桿4能作周轉(zhuǎn)運動,稱為轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)。圖3-20a所示為轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu),圖3-20b所示為轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)應用于插床的實例。圖3-20轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)a)示意圖b)插床主運動機構(gòu)2.擺動導桿機構(gòu)如圖3-21a所示,當l2<l1時,導桿4在一定角度范圍內(nèi)擺動,稱為擺動導桿機構(gòu)。圖3-21b所示為擺動導桿機構(gòu)應用于刨床的實例。圖3-21擺動導桿機構(gòu)a)示意圖b)牛頭刨床主運動機構(gòu)三、搖塊機構(gòu)如圖3-22a所示,若選取構(gòu)件4作為機架,則構(gòu)件1、滑塊3與機架相連,這時滑塊3將以C點為回轉(zhuǎn)中心來回擺動,該機構(gòu)稱為搖塊機構(gòu)。搖塊機構(gòu)常用于擺缸式原動機和氣、液壓驅(qū)動裝置中。圖3-22b所示為液壓驅(qū)動自卸車翻斗(搖塊)機構(gòu)。圖3-22搖塊機構(gòu)a)示意圖b)自卸車翻斗機構(gòu)四、定塊機構(gòu)如圖3-23a所示,若選取構(gòu)件3作為機架,則構(gòu)件2、4與機架相連,這時機構(gòu)就轉(zhuǎn)化為直動導桿機構(gòu)(又稱定塊機構(gòu))。圖3-23b所示的手動壓水機為定塊機構(gòu)的應用實例。圖3-23定塊機構(gòu)a)示意圖b)手動壓水機第三節(jié)平面四桿機構(gòu)的性質(zhì)及應用平面四桿機構(gòu)的性質(zhì)有急回特性、壓力角(或傳動角)、止點位置等。認識這些性質(zhì),能更好地理解平面四桿機構(gòu)的運動狀態(tài)和工作情況。一、急回特性如圖3-24所示曲柄搖桿機構(gòu),曲柄AB為原動件,搖桿CD為從動件,曲柄以等角速度ω順時針方向轉(zhuǎn)動。曲柄轉(zhuǎn)動一周,有兩次與連桿共線,這時搖桿分別處于左右兩個極限位置C1D、C2D。θ為搖桿位于兩極限位置時,曲柄所夾的銳角,稱為極位夾角。圖3-24曲柄搖桿機構(gòu)的極限位置

二、壓力角、傳動角和止點位置1.壓力角與傳動角圖3-25所示為曲柄搖桿機構(gòu),如果不計各桿質(zhì)量和運動副中的摩擦,則連桿BC作用于從動桿3上的力F沿桿BC方向。力F與搖桿上作用點C的速度vC方向所夾的銳角稱為機構(gòu)的壓力角,用α表示。壓力角的余角γ=90°-α,稱為機構(gòu)的傳動角。壓力角α越小,傳動角γ越大,力F在vC方向的有效分力Ft=Fcosα越大,機構(gòu)傳動性能越好,效率越高。反之,壓力角α越大,傳動角γ越小,傳動性能越差。對于一般機械,為了保證機構(gòu)具有良好的傳動性能,通常γmin=40°~50°。γmin出現(xiàn)在曲柄AB與機架AD兩次共線位置之一。2.止點位置止點位置也稱死點位置。如圖3-26所示,在曲柄搖桿機構(gòu)中,取搖桿CD為主動桿,當搖桿處在兩極限位置時,連桿與曲柄共線,出現(xiàn)了傳動角γ=0的情況。此時,搖桿上無論加多大驅(qū)動力也不能使曲柄轉(zhuǎn)動,機構(gòu)的這種位置稱為止點位置。圖3-26止點位置如圖3-27所示的內(nèi)燃機主運動機構(gòu),當活塞運動時,連桿BC與曲軸AB共線時,機構(gòu)處于止點位置。當機構(gòu)處在止點位置時,從動件將卡死或出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象。通常采用在從動件上安裝飛輪的方法來使機構(gòu)通過止點位置。圖3-28所示為汽車四缸發(fā)動機,曲軸端部的飛輪儲存了做功行程的一部分能量,以克服止點位置,使曲軸能夠均勻旋轉(zhuǎn)。圖3-28發(fā)動機飛輪克服止點位置止點位置并不一無是處,在有些場合可利用止點位置達到某些工作要求。圖3-29所示為飛機起落架機構(gòu),飛機著陸前放下起落架,機構(gòu)處于實線位置,雖然飛機輪子受到很大的反作用力,但由于桿2與桿3共線,機構(gòu)處于止點位置,從而保證飛機著陸。飛機起飛后,起落架中AB、DC兩桿分別繞A、D兩點擺到點畫線位置,以減少空氣阻力。圖3-29飛機起落架值得注意的是,飛機起落架必須加裝保險裝置才能保證著陸的安全。圖3-30所示為夾緊機構(gòu)在夾緊工件后,連桿BC與連架桿CD成一直線,撤去外力之后,在工件反彈力FN作用下,機構(gòu)處在止點位置,即使反彈力很大也不會使工件松脫。