平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的討論及應(yīng)用

程引正

(武威職業(yè)學(xué)院，甘肅武威 733000)

1 引言

急回特性是平面四桿機(jī)構(gòu)基本特性之一，急回運(yùn)動的程度一般用行程速度變化系數(shù)K來比較。筆者主要從平面四桿機(jī)構(gòu)的急回原理、表示方法、判斷條件、以及急回特性在工程機(jī)械上應(yīng)用等方面，結(jié)合具體事例加以初步研究和討論，以便合理地進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計和使用。

2 平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的分析［1］

圖1所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄AB為原動件作等速回轉(zhuǎn)時，搖桿CD為從動件作往復(fù)變速擺動，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中有兩次與連桿BC共線，此時搖桿CD分別處于C1D和C2D兩個極限位置。搖桿CD在兩個極限位置的夾角ψ稱為擺角，曲柄AB與連桿BC兩次共線位置之間所夾銳角θ稱為極位夾角。

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)1.曲柄 2.連桿 3.搖桿 4.機(jī)架

當(dāng)曲柄AB順時針以等角速度ω從AB1轉(zhuǎn)到AB2時，轉(zhuǎn)過角度 φ1=180°+θ，搖桿 CD從左極限位置C1D擺動到右極限位置C2D，即轉(zhuǎn)過擺角ψ，此行程若做功，則稱為工作行程，其所需時間為 t1，即t1=(180°+θ)/ω，即 C 點(diǎn)的平均速度 v1=C1C2/t1;

當(dāng)曲柄AB繼續(xù)順時針從AB2位置轉(zhuǎn)到AB1時，轉(zhuǎn)過角度 φ2=180°-θ，搖桿 CD從 C2D又?jǐn)[回到C1D，此行程若不做功，則稱為空回行程，其所需要時間為t2，即t2=(180°-θ)/ω，C 點(diǎn)的平均速度為 v2，即v2=C1C2/t2。

顯然 φ1＞φ2，于是 t1＞t2，故 v2＞v1，由此可知，當(dāng)曲柄等速回轉(zhuǎn)時，搖桿往返擺動的速度不同，在擺回來時有較大的角速度，表明機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動特性。

3 平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的表示［2］

機(jī)構(gòu)的急回特性可以用行程速度變化系數(shù)K來表達(dá):

由上式可知，行程速度變化系數(shù)K與極位夾角θ的有關(guān)，θ越大，K越大，急回運(yùn)動的性質(zhì)也越顯著，機(jī)構(gòu)的傳動平穩(wěn)性下降。

由式(1)可得極位夾角:

由于0°≤θ≤90°，所以 1≤K≤3，上述公式限制了平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性，其設(shè)計方法僅適用于K≤3的機(jī)構(gòu)。

在設(shè)計具有急回性質(zhì)的平面四桿機(jī)構(gòu)時，通常根據(jù)工作需要選定K值，由式(2)可以計算出極位夾角θ，然后再確定各構(gòu)件的尺寸。

4 平面四杠桿機(jī)構(gòu)急回特性的判斷［3］

(1)判斷機(jī)構(gòu)有無急回特性，關(guān)鍵是機(jī)構(gòu)中哪個構(gòu)件為主動件。從圖1機(jī)構(gòu)位置分析可以看出，對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)而言，當(dāng)曲柄為原動件時，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中有兩次與連桿BC共線，搖桿CD分別處于C1D和C2D兩個極限位置，存在急回特性;當(dāng)以搖桿為主動件時，曲柄與連桿雖然有兩次共線位置，不會出現(xiàn)急回特性，但是，會出現(xiàn)死點(diǎn)位置，應(yīng)設(shè)法消除死點(diǎn)問題。

(2)機(jī)構(gòu)的急回特性與行程速度變化系數(shù)K有關(guān)。由式(1)可知，極位夾角θ越大，行程速度變化系數(shù)K值越大，急回特性愈明顯，生產(chǎn)效率愈高。

(3)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無急回運(yùn)動特性取決于該機(jī)構(gòu)有無極位夾角θ。當(dāng)極位夾角θ=0°時，行程速度變化系數(shù)K=1，說明機(jī)構(gòu)沒有急回特性。

如圖2所示的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，偏心距е=0時，θ=0°，K=1，該機(jī)構(gòu)沒有急回特性。

圖2 對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

綜上所述，對于同一機(jī)構(gòu)，選擇不同連架桿作為原動件，則機(jī)構(gòu)有無急回特性情況就不一樣，關(guān)鍵問題在平面四桿機(jī)構(gòu)中，只有曲柄AB作為原動件時搖桿CD才有急回特性。具有急回特性的機(jī)構(gòu)，除了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)外，還有偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖3所示，е≠0時，θ≠0°，K＞1)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(如圖4 所示)等。

圖3 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖4 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

5 平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的應(yīng)用［4］

圖4所示的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，就是牛頭刨床的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)利用平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性工作的典型事例，將慢行程作為工作行程，快行程作為空回行程，既能保證工件質(zhì)量，又能節(jié)省動力，縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。

運(yùn)動原理:當(dāng)曲柄AB繞A點(diǎn)等角速度ω轉(zhuǎn)動時，擺桿BC以C為基點(diǎn)來回擺動。在曲柄AB轉(zhuǎn)動一整周的過程中，搖桿 BC分別有兩個極限位置B1C、B2C。此時機(jī)構(gòu)的極位夾角等于擺角，即θ=ψ。當(dāng)曲柄AB順時針等角速度ω從AB1轉(zhuǎn)到AB2時，轉(zhuǎn)過角度φ1=180°+θ，搖桿BC從左極限位置B1C擺動到右極限位置B2C，擺過角度為ψ，此行程為工作行程，其所需時間為 t1，即 t1=(180°+θ)/ω，B 點(diǎn)的平均速度v1;當(dāng)曲柄AB繼續(xù)順時針從AB2位置轉(zhuǎn)到AB1時，轉(zhuǎn)過角度 φ2=180°-θ，搖桿 BC從 B2C又?jǐn)[回到B1C，擺過角度仍為ψ，此行程為空回行程，其所需要時間為 t2，即 t2=(180°+θ)/ω B點(diǎn)的平均速度為v2。

顯然 φ1＞φ2，于是 t1＞t2，故 v2＞v1，表明搖桿在擺回過程中速度快，牛頭刨床的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動特性。

6 結(jié)語

通過上述分析，在平面四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有急回特性，而且急回特性的程度是固定不變的，對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)則無急回特性。

只有系統(tǒng)地分析和研究平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性，才能加深對機(jī)構(gòu)基本特性的理解和掌握，提高我們運(yùn)用平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的能力，來縮短機(jī)械運(yùn)行時的空載行程時間，以提高生產(chǎn)率。

［1］ 陳立德.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 羅玉福，王少巖.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2008.

［3］ 黃錫愷.機(jī)械原理［M］.第6版.北京:高等教育出版社，1989.

［4］ 邊 巍.平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性分析［J］.機(jī)械工程師，2010(9):52-53.