4.1　连杆机构设计技巧与禁忌

所有构件全部用低副(转动副和移动副)连接而成的机构称为连杆机构。

若连杆机构中各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运动,则称为平面连杆机构,否则称为空间连杆机构。平面连杆机构在各种机械和仪器中应用广泛。

按机构中构件数目的多少,平面连杆机构可分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等。最简单的四杆机构是由四个构件组成,且是组成多杆机构的基础。

4.1.1　平面四杆机构的基本形式、演化、特点及应用

(1)铰链四杆机构的基本形式及应用

平面四杆机构中,所有低副皆为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。它的应用尤为广泛。关于铰链四杆机构,可按其两连架杆属于曲柄或摇杆的具体情况,分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

① 曲柄摇杆机构　两连架杆一个为曲柄、另一个为摇杆的铰链四杆机构,称为曲柄摇杆机构。通常,曲柄为原动件做单向等速转动,而摇杆为从动件做往复变速摆动。

如图4⁃1所示的雷达天线俯仰角调整机构,即为一曲柄摇杆机构。原动曲柄1连续等速转动,通过连杆2使摇杆3绕机架4在一定角度范围内摆动,从而达到调整雷达天线俯仰角的大小。

再如图4⁃2所示的缝纫机脚踏板机构,亦为一曲柄摇杆机构。原动摇杆1连续往复摆动,通过连杆2使从动曲柄3绕机架4整周转动,从而完成缝纫工作。

② 双曲柄机构　两连架杆皆为曲柄的铰链四杆机构,称为双曲柄机构。通常,原动曲柄做单向等速转动,而从动曲柄做单向变速转动。

如图4⁃3所示惯性筛筛料机构中的四杆机构ABCD,即为一双曲柄机构。原动曲柄1连续等速转动,通过连杆2 使从动曲柄3获得变速转动,又通过连杆4使筛子5具有较大幅度的速度波动,从而借助惯性实现颗粒状物料的筛分。

就双曲柄机构而言,用得最多的是平行四边形机构(图4⁃4),这种机构其两组对边杆的长度分别相等。如图4⁃4(a)所示机构四杆构成平行四边形,称为正平行四边形机构。这种机构的运动特点是其两曲柄1、2以相同的角速度绕机架4沿同一方向转动,而连杆3做平动。如图4⁃5所示的摄影平台升降机构及如图4⁃6所示的播种机料斗机构即为其应用实例。

如图4⁃4(b)所示机构,虽然其两组对边杆的长度分别相等,但不平行,称为反平行四边形机构。这种机构的运动特点是当原动曲柄1做等速转动时,从动曲柄3做反向变速转动。图4⁃7所示的车门启闭机构即为反平行四边形机构的应用实例。它利用反平行四边形机构运动时两曲柄1、3转向相反的特性,使两扇车门同时敞开或关闭。

③ 双摇杆机构　两连架杆皆为摇杆的铰链四杆机构,称为双摇杆机构。

如图4⁃8所示的鹤式起重机主机构,即为一双摇杆机构。当原动摇杆1绕机架4上的A点摆动时,从动摇杆3随之绕机架4上的D点摆动,使得悬挂在连杆2上E点处下方的重物近似地在一水平直线上移动,以避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。

在双摇杆机构中,若两摇杆长度相等,则构成等腰梯形机构。图4⁃9所示汽车前轮的转向机构即为其应用实例。

(2)铰链四杆机构的演化及应用

在生产实际中有许多机构虽然不是铰链四杆机构基本形式,但它们可以看作是由铰链四杆机构演化而来,其演化及应用如表4⁃1所示,表中(a')、(b')、(c')、(d')所示机构,分别是由铰链四杆机构(a)、(b)、(c)、(d)演化而来。

另外,实际应用中的偏心轮机构也可以看成是铰链四杆机构通过扩大转动副演化而来的。如冲床、剪床、颚式破碎机等机械中的偏心轮机构。

(3)平面连杆机构的特点

1)优点

① 结构简单易制造连杆机构由于转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面,所以制造简便,且易于获得较高的加工精度。低副接触依靠自身的几何形状来封闭,无需外载荷作用,结构简单,制造成本低。

② 承载能力大　组成平面连杆机构的低副为面接触,易于润滑,单位面积所承受的力较小,摩擦及磨损较轻,因而可以用来传递较大的动力,满足重载机械的要求。

③ 可实现多种运动形式的转换　平面连杆机构能够实现多种运动形式的相互转换,例如,它能够将原动件的转动转化为从动件的转动、摆动或往复移动,反之也能够很方便地实现。平面连杆机构还可以与其它机构组合使用,实现多种形式的运动规律。

④ 连杆上各点的运动轨迹曲线具有多样性连杆机构运动过程中,连杆平面上的各点将描绘出各种不同形状的曲线,这些曲线称为连杆曲线(图4⁃10)。连杆构件上点的位置不同,曲线形状不同;改变各构件的相对尺寸,曲线形状也随之变化。利用这些轨迹曲线可以实现生产中多种特殊曲线运动要求,在各种机械和仪器中获得广泛应用。

图4⁃11所示为搅拌机传动机构。搅拌器由曲柄带动,在A点装有搅铲,A点的运动轨迹如虚线构成的曲线,可均匀地对物料进行搅拌。

图4⁃12所示为搂干草机构。如图所示,搂把固定在A点处,连杆由曲柄带动,曲柄则由轮子上的链条带动,A点的运动轨迹如虚线构成的曲线,其中虚线2是A点相对于机架的轨迹,虚线1和3是轮子转动时A点对地面的运动轨迹。

2)缺点

① 连杆机构设计具有近似性　连杆机构设计时,若已知条件较多,一般难以求出精确的设计结果,不易精确地实现复杂的运动规律。另外,组成连杆机构的构件相对较多,而各构件的尺寸的误差和运动副间的间隙使运动传递的累积误差较大,传动精度不高。所以连杆机构只适用于对传递运动要求不太严格的场合。

② 连杆机构的惯性力难以平衡　连杆机构在运动过程中,一些构件所产生的惯性力难以平衡,在高速运转时会大大增加机构的动载荷,产生较大的强迫振动,所以连杆机构一般不宜用于高速场合。

4.1.2　连杆机构形式选择技巧与禁忌

(1)原动机的选择要适当

执行机构的形式与原动机的形式密切相关,不要仅局限于选择电动机驱动形式。在只要求执行构件实现简单的工作位置变换的机构中,采用如图4⁃13(a)所示机构,利用曲柄摇杆机构来实现摇杆Ⅰ、Ⅱ两个工作位置的变换,往往要用电动机带动一套减速装置驱动曲柄。为了使曲柄能停在要求的位置,还要加装制动装置。如果采用如图4⁃13(b)所示的方案,改用汽缸驱动,则可使结构大为简化,同采用电动机驱动相比,可省去一些减速传动机构和运动变换机构,从而可缩短运动链,简化结构,且具有传动平稳、操作方便、易于调速等优点。

图4⁃14所示钢板叠放机构的动作要求是将轨道上钢板顺滑到叠放槽中(图中右侧未示出)。图4⁃14(a)所示为六杆机构,采用电动机作为原动机带动机构中的曲柄转动(未画出减速装置);图4⁃14(b)所示为连杆一凸轮(固定件)机构,采用液压缸作为原动件直接带动执行构件运动。可以看出,后者比前者要简单。以上两例说明,改变原动件的驱动方式有可能使机构结构简化。

常用原动机的运动形式如表4⁃2所示。

采用不同的原动机,为了实现同一执行构件运动形式而采用不同执行机构的形式分析如表4⁃3所示。

(2)连杆机构运动链尽量简短

完成同样的运动要求,应优先选用构件数和运动副数较少的连杆机构,这样可以简化机器的构造,从而减小质量,降低成本;同时也可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差,提高零件加工工艺性,增强机构工作可靠性。运动链简短还有利于提高机构的刚度,减少产生振动的环节。考虑以上因素,在机构选型时,有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构,也不采用理论上无误差但结构复杂的机构。图4⁃15所示为两个直线轨迹机构,其中图4⁃15(a)所示为E点有近似直线轨迹的四杆机构,图4⁃15(b)所示为理论上E点有精确直线轨迹的八杆机构。但是,实际分析结果表明,在保证同制造精度条件下,后者的实际传动误差为前者的2~3倍,其主要原因在于运动副数目较多而造成运动累积误差增大。

(3)尽量避免虚约束

虚约束在机构中可增加机构的刚性和强度,能够消除运动的不确定性。但在机构中引入虚约束会增加装配上的困难,提高对组成零件的尺寸精度要求及增加生产成本,且当加工、装配精度达不到要求时,虚约束有可能变成起独立作用的实际约束,此时,则会在构件间产生楔紧现象。因而,在进行机构设计时,是否要加入虚约束需慎重考虑。

例如图4⁃16所示为一加工机床运动简图,由四个摇杆带动四个工作头。图4⁃16(a)所示为有虚约束,对各杆尺寸、加工、安装要求较高,易发生上述问题。而图4⁃16(b)所示则没有虚约束,要求精度比较低,一般在非必要的情况下采用此种结构更符合实际工作需求。

(4)选择构件受力较小的连杆机构

图4⁃17所示为两种卡车车厢自动翻转卸料机构,从构件的相对运动关系考虑,既可以采用如图4⁃17(a)所示的摇块机构,也可以采用如图4⁃17(b)所示的摆动导杆机构。但显而易见,采用4⁃17(a)所示的摇块机构,从动力源配置和构件的受力情况看,要比采用图4⁃17(b)所示的摆动导杆机构更合适。

(5)简化机构的动作

图4⁃18所示为一小型零件的电镀槽机构,小型电镀零件常悬挂在一个杆上放入电镀槽。为了提高镀层质量和电镀速度,需要将杆晃动。图4⁃18(a)所示为两边各设一个曲柄滑块机构使杆前后晃动,结构复杂。图4⁃18(b)所示只使杆右端做圆周运动,杆左端在支点的滑槽中滑动,支点还可以在杆的作用下,按杆的方向任意转动,结构简单。

(6)满足功能要求机构方案的选择

图4⁃19所示为两种钉扣机针杆传动机构方案。图4⁃19(a)所示机构是由摆动凸轮和曲柄滑块机构并联而成,而图4⁃19(b)所示机构由摆动导杆和曲柄滑块机构并联而成,都是可以实现从动件做复杂平面运动的两自由度机构,一般需要提供两个原动机,用于实现钉扣机中的针杆运动。但应当注意的是:由于曲柄滑块机构只完成进针运动,而导杆机构只完成来回移动针杆的运动,要准确地将针来回引导到扣眼后再将针插入扣眼,则需要两机构的曲柄运动配合十分协调而准确,在这种情况下用齿轮、带、链传动机构将图4⁃19(b)中的两曲柄AB和OC的运动约束起来,用一台原动机驱动,则比图4⁃19(a)所示需两个电机驱动的形式更合理。

4.1.3　传动角与死点位置设计技巧与禁忌

(1)传动角不可过小

在不计运动副中的摩擦和构件质量的情况下,机构从动件的受力方向与受力点的速度方向之间所夹的锐角称为机构的压力角α。压力角的余角称为传动角γ,即γ=90°-α。α越小(或γ越大),机构的传力性能越好,传动效率越高;反之,传力性能越差,传动效率越低。由于在机构运动简图中传动角比压力角更直观,所以,在实际应用中,通常用传动角γ来判断机构的传动质量。

在机构的运动过程中,为了保证机构有良好的传力性能,设计时应使传动角γ不宜过小。γ是变化的,为了保证机构正常工作,必须规定最小传动角γmin的下限。对于一般机械,通常取γmin≥40°;对于颚式破碎机、冲床等大功率机械,最小传动角应当取大一些,可取≥50°。对于小功率的控制机构和仪表,γmin可略小于40°。

如图4⁃20(a)所示,传动角过小,推动从动件的有效分力很小,而无效(一般有害)分力很大,致使机构传动阻力较大,传力性能较差。可通过改变构件尺寸比例或改变连杆机构形式加以改善,如图4⁃20(b)所示,改为摇杆机构后有很大改善。

图4⁃21所示机构将曲柄1的转动变换为滑块2的直移,用螺杆4调节螺钉3的位置,可改变滑块2的行程大小,由图4⁃21(a)可见机构的传动角γ较小,传动状态不佳,极易因摩擦力过大而导致“死机”。可通过改变机构的几何参数,如图4⁃21(b)所示,增大传动角,可获得良好的传动性能。

(2)死点位置不良影响的消除

在不计构件质量和运动副摩擦的情况下,当机构的传动角γ=0°(压力角α=90°)时,原动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过从动件的回转中心,因而不能使从动件转动,机构将处于静止状态。机构的这种位置称为死点位置。死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定现象。

为了消除死点位置的不良影响,可以对从动曲柄施加外力,或利用飞轮及构件自身的惯性作用,使机构通过死点位置。

图4⁃22(a)所示的曲柄滑块机构中,滑块为主动件,当连杆与曲柄位于一条直线时,机构处于死点位置,此时滑块的推力不能对曲柄产生推动力矩,对这类在死点可能停止转动或反转的机械,设计时必须考虑消除死点的影响,如加大曲柄的惯性(加飞轮)或使工作速度加快,也可采用多个曲柄滑块机构错位排列等措施,都有利于使机械顺利通过死点,如图4⁃22(b)所示。再如,蒸汽机动力设备是90°开式双汽缸结构,这样的结构也可以避开死点,如图4⁃22(c)所示。

图4⁃23(a)所示是一种较简单的能克服死点位置的机构,其结构特点是在滑块上制成导向槽,利用滚滑副的导向作用,使机构克服死点位置,完成机构由移动变为转动,且无死点位置。图4⁃23(b)所示为该机构在活塞发动机上的具体应用,其巧妙之处在于其滑板4与活塞杆1相连接,利用滑板4上的曲线形长孔2及与之配合的曲柄销3驱动曲柄轮5转动,在曲柄销3的左右死点位置上,由于滑板4的曲线形长孔2的斜面与曲柄销3接触,所以就能消除一般曲柄滑块机构的死点问题。曲线形长孔2的倾斜方向确定了曲柄销的旋转方向,并使其保持固定的旋转方向。

(3)利用死点位置特性的相关配置

如图4⁃24所示的机构,电磁阀的运动经连杆机构由连杆端部输出。这一机构利用死点附近的运动使电磁阀的拉力得到放大,为提高控制精度,行程开关应设置在连杆机构中行程C较长的构件上。图4⁃24(a)的连杆行程C比图4⁃24(b)的Ca大,所以图4⁃24(a)机构的控制精度比图4⁃24(b)的高,限位开关配置较为合理。

(4)避免铰链四杆机构的运动不确定

如图4⁃25(a)所示平行四边形机构,当以长边为机架时,在长短边四杆重合的位置可能发生运动不确定现象,导致从动杆反转,破坏四杆的平行四边形关系。若增加一根与短边平行且长度相等的杆,如图4⁃25(b)所示,可以避免运动不确定,但此时出现虚约束,要求精度高。除上述情况外,凡最短杆与相邻最长杆长度之和等于另两杆长度之和的铰链四杆机构,都可能出现运动不确定现象,可加大从动件惯性予以避免,或用两套机构错开90°,如图4⁃25(c)所示。

(5)防止平行四杆机构反转

如图4⁃26(a)所示为一“飞毯”游艺机,座舱做回转运动,但在任何位置都应保持水平,该游艺机采用了平行四杆机构(两组双曲柄机构),其机构运动简图如图4⁃26(b)所示。前面两个臂(AB杆)为主动件,每个臂有一个液压马达驱动,后面两臂(CD杆)为从动件,此方案设计原理不当。因为当四个吊挂的回转臂(四个曲柄)转到水平位置时,后臂会因为受座舱重力作用而发生翻转,如图4⁃26(c)所示,致使飞毯不能实现原来的平面平行运动。可改为四个臂(四个曲柄)同时用液压马达驱动,如图4⁃26(d)所示,则效果良好。

4.1.4　连杆机构平衡的设计技巧与禁忌

(1)曲柄滑块机构的平衡

连杆机构的平衡是比较困难的,如图4⁃27(a)所示的单曲柄滑块机构,在曲柄上加配重只能达到部分平衡。图4⁃27(b)为两个曲柄滑块机构的并联组合,把两个机构曲柄连接在一起,成为共同的输入构件,两个滑块各自输出往复移动。这种采用相同结构对称布置的方法,可使机构总惯性力和惯性力矩达到完全平衡。若按如图4⁃27(c)所示方法布置,则惯性力能得到部分平衡,但机构所占空间较小。

(2)利用机构动力学非对称性减小惯性力

如图4⁃28(a)所示,曲柄1、齿条2及齿轮3经过超越离合器4推动一个托板式工件传送系统(图中未表示)的前进转位运动,齿条向右运动时离合器4结合,托板水平转位;齿条向左运动时离合器4离开,托板不动。工作中发现,在转位过程中的减速段,传动系统上工件的惯性力过大,个别工件离开在托板上的规定位置,并且在转位结束时整个系统产生轻微振动,惯性力过大是由于在减速段的负加速度绝对值过大,转位结束时由于负加速度绝对值最大而产生冲击。

在图4⁃28(a)的机构中,当0≤ϕ≤π时构件4转位。根据曲柄⁃连杆机构的运动图,在该时间角区间内,增速段时间角大于π/2,减速段时间角小于π/2,减速段的平均加速度绝对值和最大加速度绝对值以及加速度突跳均大于增速段。如果π≤ϕ≤2π时构件4转位,则情况相反,动力学性能可以改善。利用曲柄滑块机构动力学性能在增速与减速段的不对称性,按照动力性能较好的减速段选择工作时间角,设备改变量小,成本最低。将机构布置左右位置交换一下,如图4⁃28(b)所示,可以使减速段时间角大于增速段,减小惯性力影响。

(3)工作侧推力的平衡

如图4⁃29(a)所示连杆机构可以用较小的推力F1产生较大的推力F2,但机构中导轨G1和G2受到很大的侧推力。改用如图4⁃29(b)所示两套对称的机构互相连在一起,则产生的侧推力互相平衡,导轨免受侧推力,机械效率较高,运动灵活,F1为驱动力,F2为工作阻力。注意改进的机构中有虚约束,对机构的精度(如导轨G2的平行度、对称杆长度等)要求较高。

4.1.5　避免连杆机构运动发生干涉

(1)避免铰链四杆机构各构件运动发生干涉

平面连杆机构各构件的运动并不在同一平面内,如果构件安装位置不当,则有可能使杆件运动发生干涉。图4⁃30(a)所示铰链四杆机构,如果按图4⁃30(b)所示安装布置,杆件AB与CD共面,当CD≥AD时,杆CD碰到A轴,运动发生干涉。改为图4⁃30(c)所示安装布置,各构件不共面,一般不会发生运动干涉。对于多杆机构的设计与安装,尤其要注意杆件的干涉问题。

(2)曲柄运动不得与机架干涉

启闭公交汽车门的曲柄滑块机构,为避免曲柄与启闭机构箱体发生碰撞,如图4⁃31(a)所示,需要把曲柄做成如图4⁃31(b)所示的弯臂状。

4.1.6　改善连杆机构运动性能设计技巧与禁忌

(1)连杆机构的增力

① 杠杆增力　利用杠杆获得增力是最常见的办法。如图4⁃32(a)、(b)所示,当l1<l2时,用较小的P可得到较大的力F,增力关系式为:F=(l2/l1)P。l2/l1值越大,则增力效果越显著;反之,l2/l1值越小,则增力效果越差;若l2≈l1,如图4⁃32(c)所示,则不可取,此时F≈P,无增力效果。

为使增力效果更显著,可通过杠杆组合得到二次增力机构,如图4⁃32(d)所示。四杆机构在图示位置时,若A点加力P,则力传到A'时,可产生较大的力F,即

F=P=nP

由于a1>b1,a2>b2,所以n>1,n即增力的倍数。

② 曲柄滑块机构的增力　如图4⁃33(a)所示的曲柄滑块机构中,连杆CE上受到力P作用,从而使滑块E产生向下的冲压力Q,则Q=Pcosα。随着滑块E的下移,α减小,力Q将增大。

若串联一个铰链四杆机构,ABCD作为前置机构,如图4⁃33(b)所示,设连杆受力为F,则后置机构的执行构建滑块E所受的冲压力为Q=Pcosα=(FL/S)cosα,此时随着滑块E的下移,在α减小的同时,L增大,S减小,在F不增大的条件下,冲压力Q增大了L/S倍。设计时可根据要求确定α、L和S。

③ 气动肌腱铰链连杆机构的增力　气动肌腱是一种能够提供双向拉力的新型气动柔性执行元件,充气后其两端产生向中间收缩的拉力,它比汽缸结构简单,摩擦小,拉力大,无污染。图4⁃34所示为以气动肌腱提供动力且以铰链连杆作为增力机构的三种组合机构系统。考虑摩擦力的影响,输出力F2与输入力F1之比i称为机构的实际增力系数。算例取角度α=β=6°,杆长l=120mm,铰链轴半径r=5mm,铰链副摩擦因数f=0.1,输出件与导轨间摩擦因数f1=0.176。

图4⁃34(a)所示是双边单作用的系统,这一方案结构简单,但是输出件与导轨间压力大,产生很大的摩擦力,实际增力系数小,i1=4.32。

图4⁃34(b)所示是对称双边单作用的系统,这一方案输出件与导轨间理论上没有压力,横向力互相平衡,具有较大的实际增力系数,i2=8.81。

图4⁃34(c)所示是二次增力的系统,这一方案输出件与导轨间理论上也没有压力,具有最大的实际增力系数,i3=38.29。

三种方案的实际增力系数之比i1∶i2∶i3=4.32∶8.81∶38.29=1∶2.04∶8.86。第三种方案增力最大。

(2)连杆机构的增程

① 自动针织横机上导线用连杆机构的增程　自动针织横机上导线用连杆机构的增程一般采用单一的曲柄滑块机构[图4⁃35(a)],或曲柄摇杆机构[图4⁃35(b)],在要求实现较大行程时,常因受曲柄长度的限制而行程不宜太大。

为增大行程,可采用串联组合的六杆机构,图4⁃35(c)所示为自动针织横机上导线用的连杆机构,因工艺要求实现大行程的往复移动,所以将曲柄摇杆机构ABCD和摇杆滑块机构DEG串联组合,E点行程比C点行程有所增大,则滑块可实现大行程往复移动的工作要求。调整摇杆DE的长度,可相应调整滑块的行程,因此,可根据工作行程的大小来确定DE的杆长。

② 双滑块行程增大机构　如图4⁃36(a)所示为对称双滑块压缩机机构。曲柄1转动时,通过对称铰链A、B及连杆AD、BC分别驱动活塞3及汽缸体2做相反方向移动,相对最大行程为H=4R,R为曲柄1半径。相同条件下,若采用单一的曲柄滑块机构,如图4⁃36(b)所示,则其最大行程H'=2R,显然图4⁃36(a)所示的最大行程是图4⁃36(b)所示最大行程的2倍,增程效果显著。

③ 六杆机构摆角放大机构　如图4⁃37(a)所示为缝纫机摆梭机构,它是由曲柄摇杆机构1⁃2⁃3⁃6与摆动导杆机构3⁃4⁃5⁃6组成。曲柄1为主动件,摆杆5为从动件,当曲柄1连续转动时,通过连杆2使摆杆3做一定角速度的摆动,一般曲柄摇杆(摆杆)摆角较小[图4⁃37(b)],但通过与摆动导杆机构的组合将会使从动摆杆5的摆角增大,该机构摆杆5的摆角可增大到200°左右。

④ 高度表的摆角放大机构　图4⁃38(a)所示为飞机上使用的膜盒式高度表结构简图,飞机飞行高度H不同时,大气压P将会发生变化,使真空膜盒(灵敏元件)产生位移,通过曲柄滑块机构将位移转换为曲柄3的转角α(α一般很小),再经过齿轮机构放大转换为指针的转角φ,从而在度盘上指出相应的高度,其机构运动简图如图4⁃38(b)所示。

⑤ 双杠杆摆角增大机构　如图4⁃39(a)所示正弦机构,摆角α一般都很小,在一些含有正弦机构的测微仪器中,往往采用双杠杆机构进行摆角放大。如图4⁃39(b)所示的双正弦⁃齿轮传动测微仪,即为典型的一例,图中正弦机构的微小位移S通过两级杠杆与齿轮传动,可使度盘上的指针获得很大的转角。

(3)实现匀速运动的连杆机构

① 实现匀速摆动的六杆机构　众所周知,在曲柄摇杆机构中,即使曲柄匀速转动,摇杆摆动的角速度并不均匀。实际工作中,又常希望摇杆能获得近似均匀的角速度。曲柄摇杆机构是将主动件曲柄的匀速转动变成从动件的变速运动,那么反过来,让变速运动的摆杆作主动件,就可使曲柄做匀速运动,若不做整周转动,即可作为匀速摆动。图4⁃40(a)所示为输出件近似匀速摆动的连杆机构。该连杆机构由两个曲柄摇杆机构对称串联而成,前一个机构的曲柄1通过连杆2带动摇杆3,后一个机构由摇杆3通过连杆4带动曲柄5,前一个机构中变速摆动的摇杆3正是后一机构中的主动件,曲柄1与曲柄5等长,曲柄5的固定转动中心比曲柄1的固定转动中心略低。该机构输入构件为匀速转动的曲柄1,输出构件5可获得120°~150°摆角的近似匀速摆动,其角速度曲线如图4⁃40(b)所示。

② 实现匀速移动的导杆机构　如图4⁃41(a)所示,转动导杆机构ABD,曲柄主动,输入匀速转动,连架杆BD为输出构件,输出非匀速转动。图4⁃41(b)所示为一个以图4⁃41(a)为基础可实现等速移动功能的牛头刨床的串联组合机构,前置机构仍为图4⁃41(a)的转动导杆机构ABD,后置机构则为摆动导杆机构BCE,输入构件为BE,输出构件为CF,最后面机构为摇杆滑块机构CFG,输入构件为CF,输出构件为G处的滑块,经过3个基本机构的串联,可使滑块4在所需要的区段内实现匀速移动的功能。

③ 实现匀速转动的导杆机构　如图4⁃42(a)所示为一转动导杆机构,输出构件导杆可以传递非匀速转动,若将导杆的摆动中心C置于曲柄的活动铰链B的轨迹圆上,如图4⁃42(b)所示,则导杆将做等速转动,其角速度为曲柄AB速度的一半。但当这种机构运动到极限位置时会出现运动不确定。为了消除图4⁃42(b)导杆机构的运动不确定性,加入第二个滑块,并将导杆设计成带十字槽的圆盘,如图4⁃42(c)所示,双臂曲柄两端滑块在十字槽中运动。圆盘和转臂绕各自的固定转轴转动。由于此机构是低副机构,故可用来传递较大载荷。串联两种这样的机构,就可以获得1∶4的无声传动。

(4)利用连杆曲线实现单侧近似停歇

图4⁃43(a)所示曲柄摇杆机构输出构件为无停歇摆动,而图4⁃43(b)所示为利用连杆曲线上的点M可实现有近似停歇过程的机构。该机构是由四杆机构ABCD加上杆组MEF(包括滑块4、导杆5)组成的六杆机构。M点为连杆BC上的一点,M点铰接滑块4。M点的轨迹m中的M1M2段为近似直线段。当主动件曲柄1连续转动时,通过连杆BC上的M点带动滑块4和导杆5往复摆动。当导杆5摆动到左极限位置时正好与M点的近似直线轨迹M1M2重合,在M点从M1到M2的运动过程中,从动导杆5做近似停歇。该机构利用连杆曲线的直线段实现了从动件的单侧间歇运动,可用于轻工机械、自动生产线和包装机械中运送工件或满足某种特殊的工艺要求,实现某种加工。

(5)实现急回运动的对心曲柄滑块组合机构

图4⁃44(a)所示的对心曲柄滑块机构,无急回运动,若与曲柄摇杆机构组合,则可形成有急回运动的机构。如图4⁃44(b)所示的钢锭热锯机机构,将曲柄摇杆机构1⁃2⁃3⁃4与曲柄滑块(或摇杆滑块)机构4'⁃5⁃6⁃1的输入件4'固接在一起,从而可使原来没有急回运动特性的滑块有了急回运动。

(6)伸展连杆机构体积的减小

伞是人们日常生活中的必需品,但普通的伞由于体积较大,在旅行和外出时携带很不方便,所以人们希望能将伞折叠起来,平时不用时体积越小越好。图4⁃45所示为两种晴雨伞折叠伸展机构。其中,图4⁃45(a)所示为单独应用曲柄连杆等长的曲柄滑块机构,体积较大;图4⁃45(b)所示为联合应用曲柄连杆等长的曲柄滑块机构和等长边平行四边形机构,折叠后减小了伞的体积,更方便携带。

(7)考虑调节连杆机构运动参数的可能性

因为机构在制造安装中不可避免地产生误差,并且有时在工作中需要调整有关参数(如行程、摆角等),或为了保证满足某些使用要求及安装调试等方便,因而在设计时,对所选的机构应考虑有这种调节的可能性。

① 导槽位置的调节　如图4⁃46(a)所示,导槽1与水平线倾角α不可调,而图4⁃46(b)所示机构中滑块3的导槽1可调,其可绕轴A转动,从而改变导槽与水平线的倾角α,调节好后,将导槽1紧固,这样可改变滑块2的往复运动规律。

② 用螺旋机构调节曲柄长度　如图4⁃47(a)所示连杆机构,曲柄AB长度不可调,而图4⁃47(b)所示连杆机构则可通过螺旋机构调节曲柄的长度。