卸料裝置曲柄搖桿機構設計計算

A. 機械原理中的連桿機構分析！！！

第二章 平面連桿機構
案例導入：通過雷達天線、汽車雨刮器、攪拌機等實際應用的機構分析引入四桿機構的概念，介紹四桿機構的組成、基本形式和工作特性。
第一節 鉸鏈四桿機構
一、鉸鏈四桿機構的組成和基本形式
1.鉸鏈四桿機構的組成
如圖1-14所示，鉸鏈四桿機構是由轉動副將各構件的頭尾聯接起的封閉四桿系統，並使其中一個構件固定而組成。被固定件4稱為機架，與機架直接鉸接的兩個構件1和3稱為連架桿，不直接與機架鉸接的構件2稱為連桿。連架桿如果能作整圈運動就稱為曲柄，否則就稱為搖桿。
2.鉸鏈四桿機構的類型
鉸鏈四桿機構根據其兩個連架桿的運動形式的不同，可以分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構三種基本形式。
(1)曲柄搖桿機構。在鉸鏈四桿機構中，如果有一個連架桿做循環的整周運動而另一連架桿作搖動，則該機構稱為曲柄搖桿機構。如圖2-1所示曲柄搖桿機構，是雷達天線調整機構的原理圖，機構由構件AB、BC、固連有天線的CD及機架DA組成，構件AB可作整圈的轉動，成曲柄；天線3作為機構的另一連架桿可作一定范圍的擺動，成搖桿；隨著曲柄的緩緩轉動，天線仰角得到改變。如圖2-2所示汽車刮雨器，隨著電動機帶著曲柄AB轉動，刮雨膠與搖桿CD一起擺動，完成刮雨功能。如圖2-3所示攪拌器，隨電動機帶曲柄AB轉動，攪拌爪與連桿一起作往復的擺動，爪端點E作軌跡為橢圓的運動，實現攪拌功能。
(2)雙曲柄機構。在鉸鏈四桿機構中，兩個連架桿均能做整周的運動，則該機構稱為雙曲柄機構。如圖2-4所示慣性篩的工作機構原理，是雙曲柄機構的應用實例。由於從動曲柄3與主動曲柄1的長度不同，故當主動曲柄1勻速回轉一周時，從動曲柄3作變速回轉一周，機構利用這一特點使篩子6作加速往復運動，提高了工作性能。當兩曲柄的長度相等且平行布置時，成了平行雙曲柄機構，如圖2-5a）所示為正平行雙曲柄機構，其特點是兩曲柄轉向相同和轉速相等及連桿作平動，因而應用廣泛。火車驅動輪聯動機構利用了同向等速的特點；路燈檢修車的載人升斗利用了平動的特點，如圖2-6a、b)所示。如圖2-5b)為逆平行雙曲柄機構，具有兩曲柄反向不等速的特點，車門的啟閉機構利用了兩曲柄反向轉動的特點，如圖2-6c)所示。
(3)雙搖桿機構。兩根連架桿均只能在不足一周的范圍內運動的鉸鏈四桿機構稱為雙搖桿機構。如圖2-7所示為港口用起重機吊臂結構原理。其中，ABCD構成雙搖桿機構，AD為機架，在主動搖桿AB的驅動下，隨著機構的運動連桿BC的外伸端點M獲得近似直線的水平運動，使吊重Q能作水平移動而大大節省了移動吊重所需要的功率。圖2-8所示為電風扇搖頭機構原理，電動機外殼作為其中的一根搖桿AB，蝸輪作為連桿BC，構成雙搖桿機構ABCD。蝸桿隨扇葉同軸轉動，帶動BC作為主動件繞C點擺動，使搖桿AB帶電動機及扇葉一起擺動，實現一台電動機同時驅動扇葉和搖頭機構。圖2-9所示的汽車偏轉車輪轉向機構採用了等腰梯形雙搖桿機構。該機構的兩根搖桿AB、CD是等長的，適當選擇兩搖桿的長度，可以使汽車在轉彎時兩轉向輪軸線近似相交於其它兩輪軸線延長線某點P，汽車整車繞瞬時中心P點轉動，獲得各輪子相對於地面作近似的純滾動，以減少轉彎時輪胎的磨損。
二、鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件
1.鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件
鉸鏈四桿機構的三種基本類型的區別在於機構中是否存在曲柄，存在幾個曲柄。機構中是否存在曲柄與各構件相對尺寸的大小以及哪個構件作機架有關。可以證明，鉸鏈四桿機構中存在曲柄的條件為：
條件一：最短桿與最長桿長度之和不大於其餘兩桿長度之和。
條件二：連架桿或機架中最少有一根是最短桿。
2.鉸鏈四桿機構基本類型的判別准則
(1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機構；
(2)滿足條件一而且以最短桿作機架的是雙曲柄機構；
(3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機構;
(4)不滿足條件一是雙搖桿機構。
【實訓例2-1】 鉸鏈四桿機構ABCD如圖2-10所示。請根據基本類型判別准則，說明機構分別以AB、BC、CD、AD各桿為機架時屬於何種機構。
解：經測量得各桿長度標於圖2-10，分析題目給出鉸鏈四桿機構知，最短桿為AD = 20，最長桿為CD = 55，其餘兩桿AB = 30、BC = 50。
因為 AD＋CD = 20＋55 = 75
AB＋BC = 30＋50 = 80 ＞ Lmin＋Lmax
故滿足曲柄存在的第一個條件。
1)以AB或CD為機架時，即最短桿AD成連架桿，故為曲柄搖桿機構；
2)以BC為機架時，即最短桿成連桿，故機構為雙搖桿機構；
3)以AD為機架時，即以最短桿為機架，機構為雙曲柄機構。
第二節 平面四桿機構的其它形式
一、曲柄滑塊機構
在圖2-11a）所示的鉸鏈四桿機構ABCD中，如果要求C點運動軌跡的曲率半徑較大甚至是C點作直線運動，則搖桿CD的長度就特別長，甚至是無窮大，這顯然給布置和製造帶來困難或不可能。為此，在實際應用中只是根據需要製作一個導路，C點做成一個與連桿鉸接的滑塊並使之沿導路運動即可，不再專門做出CD桿。這種含有移動副的四桿機構稱為滑塊四桿機構，當滑塊運動的軌跡為曲線時稱為曲線滑塊機構，當滑塊運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機構。直線滑塊機構可分為兩種情況：如圖2-11b）所示為偏置曲柄滑塊機構，導路與曲柄轉動中心有一個偏距e；當e = 0即導路通過曲柄轉動中心時，稱為對心曲柄滑塊機構，如圖2-11c）所示。由於對心曲柄滑塊機構結構簡單，受力情況好，故在實際生產中得到廣泛應用。因此，今後如果沒有特別說明，所提的曲柄滑塊機構即意指對心曲柄滑塊機構。
應該指出，滑塊的運動軌跡不僅局限於圓弧和直線，還可以是任意曲線，甚至可以是多種曲線的組合，這就遠遠超出了鉸鏈四桿機構簡單演化的范疇，也使曲柄滑塊機構的應用更加靈活、廣泛。
圖2-12所示為曲柄滑塊機構的應用。圖2-12a）所示為應用於內燃機、空壓機、蒸汽機的活塞－連桿－曲柄機構，其中活塞相當於滑塊。圖2-12b）所示為用於自動送料裝置的曲柄滑塊機構，曲柄每轉一圈活塞送出一個工件。當需要將曲柄做得較短時結構上就難以實現，通常採用圖2-12c)所示的偏心輪機構，其偏心圓盤的偏心距e就是曲柄的長度。這種結構減少了曲柄的驅動力，增大了轉動副的尺寸，提高了曲柄的強度和剛度，廣泛應用於沖壓機床、破碎機等承受較大沖擊載荷的機械中。
二、導桿機構
在對心曲柄滑塊機構中，導路是固定不動的，如果將導路做成導桿4鉸接於A點，使之能夠繞A點轉動，並使AB桿固定，就變成了導桿機構，如圖2-13所示。當AB＜BC時，導桿能夠作整周的回轉，稱旋轉導桿機構，如圖2-13a＝所示。當AB＞BC時導桿4隻能作不足一周的回轉，稱擺動導桿機構，如圖2-13b)所示。
導桿機構具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場合得到應用。如圖2-14a)所示為插床的工作機構，如圖2-14b)所示為牛頭刨床的工作機構。
三、搖塊機構和定塊機構
在對心曲柄滑塊機構中，將與滑塊鉸接的構件固定成機架，使滑塊只能搖擺不能移動，就成為搖塊機構，如圖2-15a)所示。搖塊機構在液壓與氣壓傳動系統中得到廣泛應用，如圖2-15b)所示為搖塊機構在自卸貨車上的應用，以車架為機架AC，液壓缸筒3與車架鉸接於C點成搖塊，主動件活塞及活塞桿2可沿缸筒中心線往復移動成導路，帶動車箱1繞A點擺動實現卸料或復位。將對心曲柄滑塊機構中的滑塊固定為機架，就成了定塊機構，如圖2-16a)所示。圖2-16b)為定塊機構在手動唧筒上的應用，用手上下扳動主動件1，使作為導路的活塞及活塞桿4沿唧筒中心線往復移動，實現唧水或唧油。表2-1給出了鉸鏈四桿機構及其演化的主要型式對比。
第三節 平面四桿機構的工作特性
一、運動特性
在圖2-17所示的曲柄搖桿機構中，設曲柄AB為主動件。曲柄在旋轉過程中每周有兩次與連桿重疊，如圖2-17中的B1AC1和AB2C2兩位置。這時的搖桿位置C1D和C2D稱為極限位置，簡稱極位。C1D與C2D的夾角 稱為最大擺角。曲柄處於兩極位AB1和AB2的夾角銳角θ稱為極位夾角。設曲柄以等角速度ω1順時針轉動，從AB1轉到AB2和從AB2到AB1所經過的角度為（π＋θ）和（π－θ），所需的時間為t1和t2 ，相應的搖桿上C點經過的路線為C1C2弧和C2C1弧，C點的線速度為v1和v2 ，顯然有t1＞t2 ，v1＜v2 。這種返回速度大於推進速度的現象稱為急回特性，通常用v1與v2的比值K來描述急回特性，K稱為行程速比系數，即
K= (2-1)
或有 (2-2)
可見，θ越大K值就越大，急回特性就越明顯。在機械設計時可根據需要先設定K值，然後算出θ值，再由此計算得各構件的長度尺寸。
急回特性在實際應用中廣泛用於單向工作的場合，使空回程所花的非生產時間縮短以提高生產率。例如牛頭刨床滑枕的運動。
二、傳力特性
1.壓力角和傳動角
在工程應用中連桿機構除了要滿足運動要求外，還應具有良好的傳力性能，以減小結構尺寸和提高機械效率。下面在不計重力、慣性力和摩擦作用的前提下，分析曲柄搖桿機構的傳力特性。如圖2-18所示，主動曲柄的動力通過連桿作用於搖桿上的C點，驅動力F必然沿BC方向，將F分解為切線方向和徑向方向兩個分力Ft和Fr ，切向分力Ft與C點的運動方向vc同向。由圖知
Ft = F 或 Ft = F
Fr = F 或 Fr = F
α角是Ft與F的夾角，稱為機構的壓力角，即驅動力F與C點的運動方向的夾角。α隨機構的不同位置有不同的值。它表明了在驅動力F不變時，推動搖桿擺動的有效分力Ft的變化規律，α越小Ft就越大。
壓力角α的餘角γ是連桿與搖桿所夾銳角，稱為傳動角。由於γ更便於觀察，所以通常用來檢驗機構的傳力性能。傳動角γ隨機構的不斷運動而相應變化，為保證機構有較好的傳力性能，應控制機構的最小傳動角γmin。一般可取γmin≥40°，重載高速場合取γmin≥50°。曲柄搖桿機構的最小傳動角出現在曲柄與機架共線的兩個位置之一，如圖2-18所示的B1點或B2點位置。
偏置曲柄滑塊機構，以曲柄為主動件，滑塊為工作件，傳動角γ為連桿與導路垂線所夾銳角，如圖2-19所示。最小傳動角γmin出現在曲柄垂直於導路時的位置，並且位於與偏距方向相反一側。對於對心曲柄滑塊機構，即偏距e = 0 的情況，顯然其最小傳動角γmin出現在曲柄垂直於導路時的位置。
對以曲柄為主動件的擺動導桿機構，因為滑塊對導桿的作用力始終垂直於導桿，其傳動角γ恆為90°，即γ = γmin = γmax =90°,表明導桿機構具有最好的傳力性能。
2.止點
從Ft = F cosα知，當壓力角α = 90°時，對從動件的作用力或力矩為零，此時連桿不能驅動從動件工作。機構處在這種位置稱為止點，又稱死點。如圖2-20a)所示的曲柄搖桿機構，當從動曲柄AB與連桿BC共線時，出現壓力角α = 90°，傳動角γ = 0。如圖2-20b)所示的曲柄滑塊機構，如果以滑塊作主動，則當從動曲柄AB與連桿BC共線時，外力F無法推動從動曲柄轉動。機構處於止點位置，一方面驅動力作用降為零，從動件要依靠慣性越過止點；另一方面是方向不定，可能因偶然外力的影響造成反轉。
四桿機構是否存在止點，取決於從動件是否與連桿共線。例如上述圖2-20a)所示的曲柄搖桿機構，如果改搖桿主動為曲柄主動，則搖桿為從動件，因連桿BC與搖桿CD不存在共線的位置，故不存在止點。又例如前述圖2-20b)所示的曲柄滑塊機構，如果改曲柄為主動，就不存在止點。
止點的存在對機構運動是不利的，應盡量避免出現止點。當無法避免出現止點時，一般可以採用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助通過止點。例如內燃機曲軸上的飛輪。也可以採用機構錯位排列的方法，靠兩組機構止點位置差的作用通過各自的止點。
在實際工程應用中，有許多場合是利用止點位置來實現一定工作要求的。如圖2-21a）所示為一種快速夾具，要求夾緊工件後夾緊反力不能自動松開夾具，所以將夾頭構件1看成主動件，當連桿2和從動件3共線時，機構處於止點，夾緊反力N對搖桿3的作用力矩為零。這樣，無論N有多大，也無法推動搖桿3而松開夾具。當我們用手搬動連桿2的延長部分時，因主動件的轉換破壞了止點位置而輕易地松開工件。如圖2-21b)所示為飛機起落架處於放下機輪的位置，地面反力作用於機輪上使AB件為主動件，從動件CD與連桿BC成一直線，機構處於止點，只要用很小的鎖緊力作用於CD桿即可有效地保持著支撐狀態。當飛機升空離地要收起機輪時，只要用較小力量推動CD，因主動件改為CD破壞了止點位置而輕易地收起機輪。此外，還有汽車發動機蓋、折疊椅等。
第四節 平面四桿機構運動設計簡介
四桿機構的設計方法有圖解法、試驗法、解析法三種。本節僅介紹圖解法。
一、按給定的連桿長度和位置設計平面四桿機構
1.按連桿的預定位置設計四桿機構
【例2-2】 已知連桿BC的長度和依次占據的三個位置B1C1、B2C2、B3C3 ，如圖2-22所示。求確定滿足上述條件的鉸鏈四桿機構的其它各桿件的長度和位置。
解：顯然B點的運動軌跡是由B1、B2、B3三點所確定的圓弧，C點的運動軌跡是由C1、C2、C3三點所確定的圓弧，分別找出這兩段圓弧的圓心A和D，也就完成了本四桿機構的設計。因為此時機架AD已定，連架桿CD和AB也已定。具體作法如下：
(1)確定比例尺，畫出給定連桿的三個位置。實際機構往往要通過縮小或放大比例後才便於作圖設計，應根據實際情況選擇適當的比例尺 ，見式（1-1）。
(2)連結B1B2、B2B3 ，分別作直線段B1B2和B2B3的垂直平分線b12和b23（圖中細實線），此兩垂直平分線的交點A即為所求B1、B2、B3三點所確定圓弧的圓心。
(3)連結C1C2、C2C3，分別作直線段C1C2和C2C3的垂直平分線c12、c23（圖中細實線）交於點D，即為所求C1、C2、C3三點所確定圓弧的圓心。
(4)以A點和D點作為連架鉸鏈中心，分別連結AB3、B3C3、C3D（圖中粗實線）即得所求四桿機構。從圖中量得各桿的長度再乘以比例尺，就得到實際結構長度尺寸。
在實際工程中，有時只對連桿的兩個極限位置提出要求。這樣一來，要設計滿足條件的四桿機構就會有很多種結果，這時應該根據實際情況提出附加條件。
【實訓例2-3】 如圖2-23所示的加熱爐門啟閉機構，圖中Ⅰ為爐門關閉位置，使用要求在完全開啟後門背朝上水平放置並略低於爐口下沿，見圖中Ⅱ位置。
解：把爐門當作連桿BC，已知的兩個位置B1C1和B2C2 ，B和C已成為兩個鉸點，分別作直線段B1B2、C1C2的平分線得b12和c12 ，另外兩鉸點A和D就在這兩根平分線上。為確定A、D的位置，根據實際安裝需要，希望A、D兩鉸鏈均安裝在爐的正壁面上即圖中yy位置，yy直線分別與b12、c12相交點A和D即為所求。
二、按給定的行程速比系數設計四桿機構
設計具有急回特性的四桿機構，一般是根據運動要求選定行程速比系數，然後根據機構極位的幾何特點，結合其他輔助條件進行設計。
【實訓例2-4】 已知行程速比系數K，搖桿長度lCD，最大擺角 ，請用圖解法設計此曲柄搖桿機構。
解：設計過程如圖2-24所示，具體步驟：
(1)由速比系數K計算極位角θ。由式（2-2）知

(2)選擇合適的比例尺，作圖求搖桿的極限位置。取搖桿長度lCD除以比例尺 得圖中搖桿長CD，以CD為半徑、任定點D為圓心、任定點C1為起點做弧C，使弧C所對應的圓心角等於或大於最大擺角 ，連接D點和C1點的線段C1D為搖桿的一個極限位置，過D點作與C1D夾角等於最大擺角 的射線交圓弧於C2點得搖桿的另一個極限位置C2D。
(3)求曲柄鉸鏈中心。過C1點在D點同側作C1C2的垂線H，過C2點作與D點同側與直線段C1C2夾角為（900－θ）的直線J交直線H於點P，連接C2P，在直線段C2P上截取C2P/2得點O，以O點為圓點、OP為半徑，畫圓K ，在C1C2弧段以外在K上任取一點A為鉸鏈中心。
(4)求曲柄和連桿的鉸鏈中心。連接A、C2點得直線段AC2為曲柄與連桿長度之和，以A點為圓心、AC1為半徑作弧交AC2於點E，可以證明曲柄長度AB = C2E/2，於是以A點為圓心、C2E/2為半徑畫弧交AC2於點B2為曲柄與連桿的鉸接中心。
(5)計算各桿的實際長度。分別量取圖中AB2、AD、B2C2的長度，計算得：
曲柄長 lAB = AB2，連桿長 lBC = B2C2 ，機架長 lAD = AD。
習題二
2-1 鉸鏈四桿機構按運動形式可分為哪三種類型？各有什麼特點？試舉出它們的應用實例。
2-2 鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件是什麼？
2-3 機構的急回特性有何作用？判斷四桿機構有無急回特性的根據是什麼？
2-4 題圖所示的鉸鏈四桿機構中，各構件的長度已知，問分別以a、b、c、d為機架時，各得什麼類型的機構？
2-5 標注出各機構在題圖所示位置的壓力角和傳動角。
實訓二 設計平面四桿機構
1.實訓目的
掌握平面四桿機構的圖解設計方法，初步了解和掌握計算機輔助設計在平面四桿機構設計中的應用。
2.實訓內容和要求
（1）設計一鉸鏈四桿機構，已知搖桿長LC D = 0.12m , 擺角 ＝45°，機架長LAD = 0.10m，行程速比系數K=1.4，試用圖解法求曲柄和連桿的長度。
（2）使用圖解法設計一擺動導桿機構。已知行程速比系數K=1.5，機架長LAD=0.18m。
可自選一題目，採用計算機輔助設計（用AutoCAD圖解設計）。
3.實訓過程。參考實訓例2-4。
4. 採用AutoCAD圖解設計的實訓步驟
按照自選好的題目初步構思、擬定作圖步驟，然後上機操作：①進入AutoCAD工作界面；②按作圖步驟作圖；③利用查詢功能測出設計結果；④保存設計結果。

B. 什麼是機械的K值

在連桿機構的急回特性中，用到此概念。K為從動件行程速度變化系數=從動件快行程平均速度/從動件慢行程平均速度=(180+a)/(180-a)，其中a為極為夾角。

C. 常見機構設計及應用圖例的目錄

第1章機構設計基礎
1.1機構要素
1.1.1構件
1.1.2運動副
1.2機構圖示方法
1.2.1機構運動簡圖
1.2.2機構裝配圖
1.2.3機構構造圖
1.2.4機構軸測構造示意圖
1.2.5機構軸測簡圖
1.3機構自由度計算
1.3.1機構的自由度
1.3.2機構具有確定運動的條件
1.3.3常見機構自由度計算實例
1.3.4計算平面機構自由度時應注意的問題
1.4機構的分類
1.4.1執行動作和執行機構
1.4.2執行構件的基本運動和機構的基本功能
1.4.3按功能對機構分類
第2章平面連桿機構應用實例
2.1曲柄搖桿機構
2.1.1運動分析
2.1.2雷達天線仰俯角調整機構圖例與說明
2.1.3攪拌機機構圖例與說明
2.1.4縫紉機踏板機構圖例與說明
2.1.5顎式破碎機機構圖例與說明
2.1.6夾緊機構圖例與說明
2.1.7汽車前窗刮雨器機構圖例與說明
2.1.8攝影機抓片機構圖例與說明
2.1.9鋼材步進輸送機的驅動機構圖例與說明
2.1.10紋版沖孔機的沖孔機構圖例與說明
2.2雙曲柄機構
2.2.1運動分析
2.2.2慣性篩機構圖例與說明
2.2.3機車車輪聯動機構圖例與說明
2.2.4攝影平台升降機構圖例與說明
2.2.5旋轉式水泵機構圖例與說明
2.2.6公共汽車車門啟閉機構圖例與說明
2.2.7挖土機鏟斗機構圖例與說明
2.2.8沖床雙曲柄機構圖例與說明
2.3雙搖桿機構
2.3.1運動分析
2.3.2起重機機構圖例與說明
2.3.3汽車前輪換向機構圖例與說明
2.3.4飛機起落架機構圖例與說明
2.3.5擺動式供料器機構圖例與說明
2.3.6造型機翻轉機構圖例與說明
2.3.7閘門啟閉機構圖例與說明
2.3.8可逆坐席機構圖例與說明
2.4曲柄滑塊機構
2.4.1運動分析
2.4.2沖床機構圖例與說明
2.4.3壓力機工作機構圖例與說明
2.4.4搓絲機對心滑塊機構圖例與說明
2.4.5送料機偏置曲柄滑塊機構圖例與說明
2.4.6注射模對心曲柄滑塊機構圖例與說明
2.4.7蜂窩煤機偏置曲柄滑塊機構圖例與說明
2.4.8雙滑塊機構圖例與說明
2.5導桿機構
2.5.1運動分析
2.5.2牛頭刨床圖例與說明
2.5.3旋轉油泵圖例與說明
2.6搖塊機構和定塊機構
2.6.1運動分析
2.6.2擺缸式油泵圖例與說明
2.6.3抽水唧筒圖例與說明
2.6.4自動翻卸料裝置圖例與說明
2.7多桿機構
2.7.1六桿推料機構圖例與說明
2.7.2六桿增程式抽油機機構圖例與說明
2.7.3小型刨床機構圖例與說明
2.7.4假肢膝關節圖例與說明
2.7.5裝載機圖例與說明
2.7.6縫紉機擺梭機構圖例與說明
2.7.7插齒機機構圖例與說明
2.7.8插床插削機構圖例與說明
2.7.9擺式飛剪機機構圖例與說明
2.7.10電動玩具馬主體機構圖例與說明
第3章凸輪機構應用實例
第4章齒輪機構應用實例
第5章輪系應用實例
第6章間歇運動機構應用實例
第7章螺旋機構應用實例
第8章撓性傳動機構應用實例
第9章組合機構應用實例
第10章特殊機構應用實例
第11章創新機構應用實例
參考文獻