連桿機構

連桿機構

連桿機構(Linkage Mechanism)又稱低副機構,是機械的組成部分中的一類,指由若干相對運動的構件用低副聯接組成的機構。平面連桿機構中最基本也是套用最廣泛的一種型式,由四個構件組成的平面四桿機構。由於機構中的多數構件呈桿狀,所以常稱桿狀構件為桿。低副是面接觸,耐磨損;加上轉動副和移動副的接觸表面是圓柱面和平面,製造簡便,易於獲得較高的製造精度。連桿機構廣泛套用於各種機械和儀表中。

基本信息

概念定義

連桿機構連桿機構
低副是面接觸,耐磨損;加上轉動副和移動副的接觸表面是圓柱面和平面,製造簡便,易於獲得較高的製造精度。因此,平面連桿機構在各種機械和儀器中獲得廣泛套用。

連桿機構的缺點是:低副中存在間隙,數目較多的低副會引起運動累積誤差;而且它的設計比較複雜,不易精確地實現複雜地運動規律。

最簡單的平面連桿機構是由四個構件組成的,稱為平面四桿機構。它的套用非常廣泛,而且是組成多桿機構的基礎。

由若干個剛性構件通過低副(轉動副、移動副))聯接,且各構件上各點的運動平面均相互平行的機構,又稱平面低副機構。低副具有壓強小、磨損輕、易於加工和幾何形狀能保證本身封閉等優點,故平面連桿機構廣泛用於各種機械和儀器中。與高副機構相比,它難以準確實現預期運動,設計計算複雜。

平面連桿機構中最常用的是四桿機構,它的構件數目最少,且能轉換運動。多於四桿的平面連桿機構稱多桿機構,它能實現一些複雜的運動,但桿多且穩定性差。

主要特徵

連桿機構連桿機構

連桿機構構件運動形式多樣,如可實現轉動、擺動、移動和平面或空間複雜運動,從而可用於實現已知運動規律和已知軌跡。

此外,低副面接觸的結構使連桿機構具有以下一些優點:運動副單位面積所受壓力較小,且面接觸便於潤滑,故磨損減小;製造方便,易獲得較高的精度;兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維繫的,它不象凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。因此,平面連桿機構廣泛套用於各種機械、儀表和機電產品中。

平面連桿機構的缺點是:一般情況下,只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡,且設計較為複雜;當給定的運動要求較多或較複雜時,需要的構件數和運動副數往往較多,這樣就使機構結構複雜,工作效率降低,不僅發生自鎖的可能性增加,而且機構運動規律對製造、安裝誤差的敏感性增加;機構中作複雜運動和作往復運動的構件所產生的慣性力難以平衡,在高速時將引起較大的振動和動載荷,故連桿機構常用於速度較低的場合。

組成類型

平面連桿機構圖平面連桿機構圖

根據構件之間的相對運動為平面運動或空間運動,連桿機構可分為平面連桿機構和空間連桿機構。根據機構中構件數目的多少分為四桿機構、五桿機構、六桿機構等,一般將五桿及五桿以上的連桿機構稱為多桿機構。當連桿機構的自由度為1時,稱為單自由度連桿機構;當自由度大於1時,稱為多自由度連桿機構。

根據形成連桿機構的運動鏈是開鏈還是閉鏈,亦可將相應的連桿機構分為開鏈連桿機構(機械手通常是運動副為轉動副或移動副的空間開鏈連桿機構)和閉鏈連桿機構。

單閉環的平面連桿機構的構件數至少為4,因而最簡單的平面閉鏈連桿機構是四桿機構,其他多桿閉鏈機構無非是在其基礎上擴充桿組而成;單閉環的空間連桿機構的構件數至少為3,因而可由三個構件組成空間三桿機構。

理論套用

曲柄存在條件參考圖曲柄存在條件參考圖

動力機的驅動軸一般整周轉動,因此機構中被驅動的主動件應是繞機架作整周轉動的曲柄在形成鉸鏈四桿機構的運動鏈中,a、b、c、d既代表各桿長度又是各桿的符號。當滿足最短桿和最長桿之和小於或等於其他兩桿長度之和時,若將最短桿或其鄰桿固定其一,則另一桿即為曲柄。

急回係數:

在曲柄等速運動、從動件變速運動的連桿機構中,要求從動件能快速返回,以提高效率。即

k稱為急回係數。

壓力角:

如圖2a中的曲柄搖桿機構,若不計運動副的摩擦力和構件的慣性力,則曲柄a通過連桿b作用於搖桿c上的力P,與其作用點B的速度vB之間的夾角α稱為搖桿的壓力角,壓力角越大,P在vB方向的有效分力就越小,傳動也越困難,壓力角的餘角γ稱為傳動角。在機構設計時應限制其最大壓力角或最小傳動角

死點:

在曲柄搖桿機構中,若以搖桿為主動件,則當曲柄和連桿處於一直線位置時,連桿傳給曲柄的力不能產生使曲柄迴轉的力矩,以致機構不能起動,這個位置稱為死點。機構在起動時應避開死點位置,而在運動過程中則常利用慣性來過渡死點。

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