3.2.3 平面四杆机构的传力特性
在生产实际中,不仅要求连杆机构能满足机器的运动要求,而且希望运转轻便,效率较高,即具有良好的传力性能。
1)压力角和传动角
衡量机构传力性能的特性参数是压力角。 在不计摩擦力、惯性力和重力时,从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角,称为机构的压力角,用α 表示。
如图3.16 所示为以曲柄AB 为原动件的曲柄摇杆机构,摇杆CD 为从动件。 由于不计摩擦,连杆BC 为二力杆。 任一瞬时曲柄通过连杆作用于从动件上的驱动力F 均沿BC 方向。 受力点C 点的速度vC 的方向垂直于CD 杆,力F 与速度vC 之间所夹的锐角α 即该位置的压力角。 力F 可分解为沿vC 方向的有效分力Ft = F cos α 和沿vC 垂直方向的无效分力Fn =F sin α。显然,压力角α 越小,有效分力Ft越大,对机构传动越有利。 因此,压力角α 是衡量机构传力性能的重要指标。
图3.16 曲柄摇杆机构的压力角与传动角
1,3—摇杆;2—连杆;4—机架
在具体应用中,为度量方便和更为直观,通常以连杆和从动件所夹的锐角γ 来判断机构的传力性能,γ 称为传动角。 它是压力角α 的余角。 显然,传动角γ 越大,机构的传力性能越好。
在机构运动过程中,压力角和传动角的大小是随机构位置变化而变化的。 为保证机构传力良好,设计时须限定最小传动角γmin。 通常取γmin≥40° ～50°。
可以证明,如图3.16 所示曲柄摇杆机构的γmin必出现在曲柄AB 与机架AD 两次共线位置之一。
如图3.17 所示为以曲柄为原动件的曲柄滑块机构。 其传动角γ 为连杆与导路垂线的夹角,最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导路时的位置。 对偏置曲柄滑块机构(见图3.17),γmin出现在曲柄位于与偏距方向相反一侧的位置。
图3.17 曲柄摇杆机构的传动角
如图3.18 所示为以曲柄为原动件的摆动导杆机构。 因滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆,故其传动角恒等于90°,说明摆动导杆机构具有最好的传力性能。
应当注意,如图3.19 所示,当曲柄摇杆机构中以摇杆为原动件、曲柄为从动件时,从动件上的受力点为B 点,压力角α 的位置应表示在B 点。(https://www.daowen.com)
2)止点位置
在如图3.19 所示的曲柄摇杆机构中,摇杆CD 为原动件,曲柄AB 为从动件。 当摇杆摆到极限位置C1D 和C2D 时,连杆与从动曲柄共线,机构两位置的压力角α1 =α2 =90°。 此时,有效驱动力矩为零,不能使从动曲柄转动,机构处于停顿状态。
图3.18 摆动导杆机构的传动角
图3.19 曲柄摇杆机构的止点位置
平面连杆机构压力角α =90°、传动角γ =0°的位置,称为止点位置。 当机构处于止点位置时,会出现“卡死”或运动不确定(即工作件在该位置可能向反方向转动)的情况。 具有极位的四杆机构,当以往复运动构件为主动件时,机构均有两个止点位置。
对于传动而言,止点的存在是不利的,它使机构处于停顿或运动不确定状态。 例如,脚踏式缝纫机,有时出现踩不动或倒转现象,就是踏板机构处于止点位置的缘故。 为了克服这种现象,使机构正常运转,一般可在从动件上安装飞轮,利用其惯性顺利通过止点位置,如缝纫机上的大带轮即起了飞轮的作用。
在工程实践中,通常利用机构的止点来实现一些特定的工作要求。 如图3.20(a)所示的钻床夹具就是利用止点位置夹紧工件,并保证在钻削加工时工件不会松脱;如图3.20(b)所示的折叠式靠椅,靠背AD 可视为机架,靠背脚AB 可视为主动件,使用时机构处于图示止点位置,因而人坐靠在椅上,椅子不会自动松开或合拢;如图3.6(a)所示的飞机起落架机构也是利用止点位置来使飞机承受降落时地面对它的冲击力的。
图3.20 机构止点位置的应用
1,2,3—连杆;4—机架;5—工件
3)自锁现象
如果考虑运动副中的摩擦,则不仅处于止点位置时机构无法运动,而且处于止点位置附近的一定区域内,机构同样会发生“卡死”现象,即自锁。 在摩擦的作用下,无论驱动力(或驱动力矩)多大,都不能使原来不动的机构产生运动的现象,称为自锁。
四杆机构止点位置附近区域一定是自锁位置,该区域的大小取决于摩擦的性质及摩擦因数的大小。