4.2 连杆结构设计技巧与禁忌
4.2.1 连杆结构应符合力学要求
(1)提高铰链接触处厚度以提高强度
一般在杆长尺寸R较大时采用图4⁃48所示的结构。图4⁃48(a)所示结构强度不如图4⁃48(b)所示结构强度好。因为传动时铰链接触处受力较大,所以提高铰链接触处的厚度对提高连杆强度是有利的。
图4⁃48 提高铰链接触处厚度以提高强度
(2)避免弯杆结构以提高强度
当三个转动副同在一个杆件上且构成钝角三角形时,应尽量避免做成弯杆结构。图4⁃49(a)、(b)所示结构强度较差,图4⁃49(c)所示结构强度一般,图4⁃49(d)、(e)所示结构强度较好。
图4⁃49 避免弯杆结构以提高强度
(3)杆件截面形状应利于提高抗弯刚度
杆件可采用圆形、矩形等截面形状,如图4⁃50(a)和图4⁃48所示,结构较简单。若需要提高构件的抗弯刚度,可将截面设计成工字形[图4⁃50(b)]、T形[图4⁃50(c)]或L形[图4⁃50(d)]。
图4⁃50 杆件截面形状应利于提高刚度
(4)对称杆形提高强度和刚度
图4⁃51(a)所示的杆件结构简单,但强度和刚度较差,容易出现偏载。当工作载荷较大时,可采用图4⁃51(b)所示的结构,利用对称杆形提高强度和刚度。
图4⁃51 对称杆形提高强度和刚度
(5)偏心轮(轴)结构提高强度和刚度
将偏心轮[图4⁃52(a)]与轴做在一起称为偏心轴[图4⁃52(b)]。由于偏心轮(轴)机构中偏心距即为杆的长度,其强度和刚度比单独做出的细而短的杆高很多,因此这种结构在模锻压力机、冲床、剪床、破碎机等方面有着广泛的应用。
图4⁃52 偏心轮(轴)结构提高强度和刚度
(6)提高剖分式连杆盖的刚度
如图4⁃53(a)所示,垂直于剖分方向承受推拉载荷的连杆盖,易产生挠曲,这样的挠曲反复进行就会使紧固螺栓反复弯曲,引起紧固松弛,螺栓损坏。图4⁃53(b)中加厚了连杆盖,使其具有不致产生挠曲的刚性,可使连杆正常工作。
图4⁃53 提高剖分式连杆盖的刚度
(7)提高抗振性的连杆结构
有些工作情况有频繁的冲击和振动,对杆件的损害较大,这种情况下图4⁃50所示的连杆结构抗振性不好。在满足强度要求的前提下,采用图4⁃54所示结构,杆细些且有一定弹性,能起到缓冲吸振的作用,可提高连杆的抗振性。
(8)采用相同结构对称布置提高强度和抗振性
图4⁃55(a)所示在曲柄上加配重只能使力部分平衡。采用相同结构对称布置的方法,如图4⁃55(b)所示,可使机构总惯性力和惯性力矩达到完全平衡,从而提高连杆的强度和抗振性。
图4⁃54 提高抗振性的连杆结构
图4⁃55 采用相同结构对称布置提高强度和抗振性
图4⁃56 具有转动副和移动副的连杆结构
(9)具有转动副和移动副连杆结构偏心距的选择
图4⁃56所示为具有转动副和移动副的连杆结构。图4⁃56(a)所示的移动导路中心线通过转动副中心,一般对运动副的磨损与传动阻力影响很小,通常应优先选用;而图4⁃56(b)所示导路中心线与转动副中心存在偏距es,对机构传力产生有害影响,引起构件倾斜,从而加剧运动副的磨损和传动阻力。如图4⁃56(c)所示,采用两导路对称结构,可改善受力,但结构尺寸增大,且这种超静定结构提高了对构件制造和装配精度的要求。
4.2.2 提高连杆的结构工艺性
(1)采用剖分式连杆便于装配
与曲轴中间轴颈连接的连杆必须采用剖分式结构,因为如果采用整体式连杆将无法装配。这种结构形式在内燃机、压缩机中经常采用。剖分式连杆的结构如图4⁃57所示,连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等几个零件共同组成一个连杆。
(2)桁架式结构提高经济性和制造性
当构件较长或受力较大,采用整体式杆件不经济或制造困难时,可采用桁架式结构,如图4⁃58所示。不但提高了经济性和制造性,还节省了材料、减轻了重量。
图4⁃57 剖分式连杆结构
图4⁃58 杆件的桁架式结构
(3)应用型材使加工简便
杆件用型材冲压而成,既省料又省工。图4⁃59(a)为直接用板材制成的连杆,带有两个转动副。图4⁃59(b)所示的折边结构为板材冲压而成,来提高构件的抗弯刚度。
(4)长杆淬火表面处理要竖直
如图4⁃60(a)所示,长杆进行淬火表面处理时,如果在横置的状态下进行高温处理,则长杆将会由于自重而下垂,从而产生弯曲。在磨削完了以后,由于表面层厚度不均匀,还将再次发生弯曲。所以,对于长杆淬火表面处理时,要在竖直状态下进行,如图4⁃60(b)所示。
(5)铸造连杆应考虑分型面合理
当连杆为铸造方法制成,设计时应考虑分型面合理。图4⁃61(a)所示要采用弯折的分型面,难于保证尺寸准确。如改成图4⁃61(b)所示结构,分型面简单、合理,只用一个平面。
图4⁃59 应用型材使加工简便
图4⁃60 长杆淬火表面处理要竖直
图4⁃61 铸造连杆应考虑分型面合理
4.2.3 连杆长度调节结构
调节连杆的长度,可以改变从动件的行程、摆角等运动参数,所以一些机构中要求连杆的长度是可以调节的。
(1)利用螺钉调节连杆长度
图4⁃62为利用螺钉调节连杆长度。图4⁃62(a)为利用固定螺钉来调节连杆的长度,调整好连杆长度后拧紧螺钉进行固定。图4⁃62(b)调节杆长R时,松开螺母,在杆的长槽内移动销钉,得到适当长度后拧紧螺钉进行固定。
图4⁃62 利用螺钉调节连杆长度
(2)利用螺旋传动调节连杆长度
图4⁃23为利用螺旋传动调节连杆长度。图4⁃63(a)中的连杆做成左右两半节,每节的一端带有螺纹,但旋向相反,并与连接套构成螺旋副,转动连接套即可调节连杆的长度。图4⁃63(b)调节连杆长度时,转动螺杆,滑块连同与它相固接的连杆销在杆的滑槽内上下移动,从而改变连杆长度R。
图4⁃63 利用螺旋传动调节连杆长度