具有急回特性的平面四桿機(jī)構(gòu)的比較與應(yīng)用研究

王美蓉

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,陜西西安710014)

0 引言

急回特性是具有曲柄的平面四桿機(jī)構(gòu)的重要特性,急回特性能提高機(jī)構(gòu)在非工作行程中的速度,縮短非工作時(shí)間,提高工作效率,因此其在工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前對(duì)于各種典型的平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性研究的比較多,但通過對(duì)具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較,從而根據(jù)機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn),選用合適的機(jī)構(gòu)用于工程實(shí)踐的研究還不多。本文在對(duì)具有急回特性的典型四桿機(jī)構(gòu)特性進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上,總結(jié)出不同類型急回四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),可供工程機(jī)械上的選用提供理論依據(jù)。

1 幾種典型四桿機(jī)構(gòu)的急回特性分析

急回特性是指當(dāng)主動(dòng)件曲柄做等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從動(dòng)件在兩極限位置間運(yùn)動(dòng)的平均速度不同,出現(xiàn)了速度差[2]。從定義可以看出具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)一定具有曲柄,所以下面對(duì)幾種具有曲柄的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)分為Ⅰ型、Ⅱ型兩種[3],如圖1所示。當(dāng)曲柄AB為主動(dòng)件時(shí),在曲柄AB和搖桿CD共線的兩個(gè)位置,搖桿處于兩極限位置C1D和C2D,曲柄和搖桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。從表1中可知,在工作行程和空回行程中從動(dòng)件搖桿擺動(dòng)的角度均為ψ,弧長(zhǎng)為C1C2,因此,空回行程C點(diǎn)的平均速度大于工作行程C點(diǎn)的平均速度,機(jī)構(gòu)具有急回特性。

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

表1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

1.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)兩種[4],如圖2所示。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性分析與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相同,在圖2(a)所示的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,當(dāng)搖桿BC處于兩極限位置時(shí),曲柄AB轉(zhuǎn)過的角度相同,所用時(shí)間相同,滑塊在工作行程和空回行程的速度相同,因此無急回特性;而在圖2(b)所示的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,當(dāng)搖桿BC處于兩極限位置時(shí),曲柄AB轉(zhuǎn)過的角度不同,所用時(shí)間不同,滑塊在工作行程和空回行程的速度不同,因此有急回特性。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1.3 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性

擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中當(dāng)曲柄AC做整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿BC僅能在一定的角度(ψ)范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng),則該機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)[5],如圖3所示。在此機(jī)構(gòu)中當(dāng)曲柄AC做一整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿BC有兩個(gè)極限位置BC1、BC2,在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中,運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2所示,由于V2大于V1,即搖桿BC在擺回的過程中速度較快,因此,擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。

表2 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖3 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

1.4 雙曲柄機(jī)構(gòu)的急回特性

圖4(a)所示為一雙曲柄機(jī)構(gòu),AB以ω沿逆時(shí)針方向做整周等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),DC做變速整周轉(zhuǎn)動(dòng),為了分析機(jī)構(gòu)的急回特性首先要找到從動(dòng)件曲柄DC的兩個(gè)極限位置[6]。設(shè)主動(dòng)曲柄AB從初始位置AB0轉(zhuǎn)過φ1＝180＋θ到AB1位置,從動(dòng)件曲柄DC從DC0轉(zhuǎn)過180°到DC1位置,這一過程中所用時(shí)間AB繼續(xù)從 AB轉(zhuǎn)過 φ12＝180－θ回到 AB0,此時(shí) DC 從 DC1轉(zhuǎn)過 180°回到 DC0,這一過程中所用時(shí)間,因?yàn)?φ>φ,t>121t2,所以V1

2 幾種平面四桿機(jī)構(gòu)的比較及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

圖4 雙曲柄機(jī)構(gòu)及其極限位置

2.1 幾種平面四桿機(jī)構(gòu)的比較

1)急回特性的比較

從以上分析可以看出,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄機(jī)構(gòu)都具有急回特性,能滿足工程上某些機(jī)械對(duì)急回的要求,同時(shí)這四種機(jī)構(gòu)也存在差異,其中前三種機(jī)構(gòu)一旦組成機(jī)構(gòu)的各桿件尺寸確定了,則衡量機(jī)構(gòu)急回特性的參數(shù)極位夾角θ和行程速比系數(shù)K是固定的,因此機(jī)構(gòu)的急回特性不變。雙曲柄機(jī)構(gòu)中衡量急回特性的參數(shù)極位夾角θ和行程速比系數(shù)K還與機(jī)構(gòu)主動(dòng)件起始位置有關(guān),主動(dòng)曲柄起始位置不同則兩參數(shù)不同,機(jī)構(gòu)的急回程度也不同,也就是說雙曲柄機(jī)構(gòu)的急回是可變的。

2)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的比較

具有急回特性的平面四桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)件都是曲柄,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)主動(dòng)件繞機(jī)架做轉(zhuǎn)動(dòng),連桿一般做平面運(yùn)動(dòng),從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式根據(jù)機(jī)構(gòu)類型不同有多種形式。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件繞機(jī)架做來回?cái)[動(dòng),即將主動(dòng)件曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的擺動(dòng);偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件相對(duì)于機(jī)架做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),即將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的移動(dòng);雙曲柄機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件仍然繞機(jī)架做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但將主動(dòng)曲柄的等速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)曲柄的變速轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)傳動(dòng)角的比較

機(jī)構(gòu)在工作時(shí)不僅要傳遞一定的運(yùn)動(dòng),還要傳遞一定的動(dòng)力,因此在了解這四種機(jī)構(gòu)急回特性的基礎(chǔ)上,還需要進(jìn)一步分析機(jī)構(gòu)的傳力性能,機(jī)構(gòu)的傳力性能取決于傳動(dòng)角,傳動(dòng)角指的是作用在從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力F與該力作用點(diǎn)絕對(duì)速度的垂線之間所夾的銳角γ[7]。圖5(a)同時(shí)表示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角分別見圖5(b)(c)。從圖中不難看出在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中只有擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角可以保持不變,且為90°,機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)平穩(wěn),傳動(dòng)效率高。其他三種機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角均做變化,設(shè)計(jì)選用時(shí)要控制最小傳動(dòng)角,以保證傳動(dòng)效率。

圖5 四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角

4)幾種平面四桿機(jī)構(gòu)特性綜合

綜上所述四種具有急回特性的平面四桿機(jī)構(gòu)在急回程度的可變性、運(yùn)動(dòng)變化及動(dòng)力傳遞等方面均有所不同,見表3,在工程上使用時(shí)應(yīng)充分考慮其不同。

表3 平面四桿機(jī)構(gòu)的比較

2.2 幾種平面四桿機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

在工程實(shí)踐中選用機(jī)構(gòu)時(shí)不僅要考慮機(jī)構(gòu)的急回特性還要綜合考慮其他特性才能做出適當(dāng)?shù)倪x擇,比如牛頭刨床上為了實(shí)現(xiàn)刨削運(yùn)動(dòng)特性,同時(shí)縮短空回行程時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,使用了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu),既滿足了工作中對(duì)急回的要求,并且傳力性能好、機(jī)構(gòu)所占空間小。在牛頭刨床上沒有使用偏置滑塊機(jī)構(gòu),主要是因?yàn)殡m然該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,但由于刨刀行程較大,需要有較長(zhǎng)的曲柄,這會(huì)使得機(jī)構(gòu)所占空間增大,并且隨著急回程度的增加,傳動(dòng)角將會(huì)減小,使機(jī)構(gòu)的傳力性能變差,而沒有使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)原因也在于此。

3 結(jié)語

具有急回特性的平面四桿機(jī)構(gòu)有很多,它們?cè)诩被靥攸c(diǎn)、傳力性能及運(yùn)動(dòng)變化上有明顯的區(qū)別,在工程上選用這些機(jī)構(gòu)時(shí)要充分綜合考慮其特點(diǎn),選擇最佳機(jī)構(gòu)滿足機(jī)械設(shè)備的性能要求、提高機(jī)械效益。

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