靠自身助力實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的四連桿機構(gòu)的設(shè)計

朱家洪，楊加春，祝 鳴，楊 鋮，李廣偉

(1.零八一電子集團 四川紅輪機械有限公司，四川 廣元 628003；2.中國人民解放軍駐廣元地區(qū)軍代室，四川 廣元 628000)

靠自身助力實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的四連桿機構(gòu)的設(shè)計

朱家洪1*，楊加春1，祝 鳴1，楊 鋮1，李廣偉2

(1.零八一電子集團 四川紅輪機械有限公司，四川 廣元 628003；2.中國人民解放軍駐廣元地區(qū)軍代室，四川 廣元 628000)

為簡化傳動機構(gòu)的運動過程，減少機構(gòu)運動時對外力的依賴，介紹一種靠四連桿某一樞軸自身產(chǎn)生的能量助力該機構(gòu)實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的設(shè)計方法。通過在四連桿機構(gòu)的一個樞軸內(nèi)布置彈性扭桿，控制機構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時扭桿的彈性勢能存儲與釋放使之為機構(gòu)的運動趨方向提供運動能，達到省力的目的。經(jīng)過大量實踐證明此技術(shù)可以普及到諸多機構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的場合。

四連桿機構(gòu)；狀態(tài)轉(zhuǎn)換；頂蓋開合機構(gòu)；扭桿

目前，在許多機構(gòu)設(shè)備上均用到狀態(tài)轉(zhuǎn)換機構(gòu)。如公交車雙開門的平行四邊形機構(gòu)、送料機的連桿機構(gòu)、小型汽車的天窗開啟機構(gòu)等。能自動實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機構(gòu)有一個共同點，就是需要提供氣動、液壓、電動等動力源。如果設(shè)計一種在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中自我驅(qū)動的機構(gòu)，將有助于機構(gòu)運動過程的能源節(jié)省，由機構(gòu)自身提供的運動能可減小外力驅(qū)動的配置，大大提高機構(gòu)的可靠性。本文設(shè)計了一種靠機構(gòu)自身助力實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的四連桿機構(gòu)。

1 機構(gòu)運動原理分析

以某裝備的頂蓋開合機構(gòu)(如圖1所示)設(shè)計為例。其原理是在連桿機構(gòu)其中一個鉸接點設(shè)計一個軸向的彈性扭轉(zhuǎn)桿。連桿機構(gòu)恢復運動所需的動能正好來自扭轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動時的彈性勢能[1-2]。頂蓋開合的四連桿機構(gòu)運動學過程分析如圖2所示，其中：①為扭桿處于中性層位置時，四連桿機構(gòu)所處狀態(tài)；②為頂蓋閉合時，四連桿機構(gòu)所處狀態(tài)；③為頂蓋翻轉(zhuǎn)到位時，四連桿機構(gòu)所處狀態(tài)。

圖1 頂蓋開合機構(gòu)示意圖

圖2 四連桿機構(gòu)運動學分析

頂蓋開合機構(gòu)動力學過程分析分別如圖3所示，其中：①為扭桿機構(gòu)處于中性層位置時，四連桿機構(gòu)所處狀態(tài)；②→①→③在四連桿機構(gòu)上施以外力P，此時頂蓋在P及扭桿彈性扭矩M的作用下打開到狀態(tài)③；③→①→②在四連桿機構(gòu)上施以外力(一人站在地面單手作用力)P′，此時，頂蓋在P′及扭桿彈性扭矩M′的作用下關(guān)閉至狀態(tài)②。如果此處不加裝扭桿，翻轉(zhuǎn)頂蓋就需要兩人同時雙手向上推，且需配備操作臺為人員提供安全保障。

圖3 四連桿機構(gòu)動力學分析

2 扭桿設(shè)計

2.1 扭桿的工作狀況

扭桿中性軸線與水平面呈81°夾角，頂蓋關(guān)閉時，扭桿扭轉(zhuǎn)-81°；頂蓋開啟時，扭桿扭轉(zhuǎn)+81°。

2.2 扭桿參數(shù)的選定

根據(jù)機構(gòu)使用條件，選定扭桿參數(shù)如圖4所示。

圖4 扭桿尺寸圖

2.3 扭桿強度計算

為保證頂蓋能正常開閉到位，扭桿需轉(zhuǎn)±81°。此狀態(tài)下扭桿不應(yīng)斷裂，兩端花鍵不應(yīng)破裂。這就要求扭桿有足夠的剛度與強度，按等強度設(shè)計的兩端花鍵，其強度不得低于扭桿部位的強度。

1)扭桿的最大工作扭矩

當扭桿扭轉(zhuǎn)±81°時扭桿的工作扭矩達到最大，即：

(1)

其中：φmax為扭桿最大工作轉(zhuǎn)角；G=78 000 MPa，為扭桿的剪切彈性模量；Ip=π·d4mm4，為扭桿的極慣性矩；L為扭桿的有效工作長度。將扭桿參數(shù)代入得：Tmax≈380 Nm。

2)扭桿的安全使用條件

設(shè)扭桿的允許轉(zhuǎn)角為[φ]，扭桿的允許扭矩為[T]，小端花鍵的允許扭矩[M小]，大端花鍵的允許扭矩[M大]。

則扭桿的安全使用條件為：φmax≤[φ]；Tmax≤[T]；Tmax≤[M小]，Tmax≤[M大][4]。

3)扭桿的允許轉(zhuǎn)角[φ]和允許扭矩[T]

扭桿的[φ]和[T]都隨扭桿熱處理硬度的增大而增大。一般扭桿彈簧熱處理硬度在50 HRC左右?？紤]到扭桿的工作幅度較大，選定扭桿硬度范圍為42～45 HRC。根據(jù)50CrVA鋼回火溫度與機械性能的關(guān)系(如表1所示)查得：當回火溫度為400 ℃時，扭桿的硬度為45 HRC，Ip=930 MPa。由于頂蓋開關(guān)由人工手動操作，扭桿扭轉(zhuǎn)速度慢，無沖擊載荷，故取安全系數(shù)為1.3，則得扭桿的允許剪切力為：[τ]=720 MPa。計算可得：

表1 50CrVA鋼回火溫度與機械性能的關(guān)系

2.4 扭桿兩端花鍵的允許轉(zhuǎn)矩

按GB 3478.1—2008《圓柱直齒漸開線花鍵(米制模數(shù) 齒側(cè)配合)第1部分：總論》[5]確定扭桿兩端花鍵采用直齒漸開線花鍵，相關(guān)參數(shù)為：大端花鍵：Z大=32，m大=1，壓力角45°，精度等級6h，花鍵齒工作長度L1=25 mm；小端花鍵：Z小=36，m小=1，壓力角45°，精度等級6，花鍵齒工作長度L2=22 mm。

1)確定花鍵的允許比壓[P]

花鍵的[P]與花鍵的加工和使用情況有關(guān)。花鍵的表面光潔度和加工尺寸精度都能提高[P]。另外，扭桿在工作過程中花鍵始終處于齒合狀態(tài)，花鍵齒面間無軸向移動，屬于靜連接[6]。按靜連接類的中等加工使用情況，查機械加工手冊，選定花鍵的允許比壓為：[P]=100 MPa。

2)求花鍵的允許轉(zhuǎn)矩[M大]、[M小]

(2)

式中：f=0.8，為載荷不均勻系數(shù)；Z為花鍵齒數(shù)；l為花鍵齒工作長度；Dm=df=m·z，為花鍵的平均直徑等于分度圓直徑；m1為花鍵齒的模數(shù)；h=0.8m1，為花鍵齒工作高度。

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)得：

[M大]=820 Nm；[M小]=680 Nm。

2.5 扭桿設(shè)計小結(jié)

1)扭桿的允許轉(zhuǎn)角大于扭桿的最大工作轉(zhuǎn)角，即[φ]=122.7°>φmax=81°。

2)扭桿的允許轉(zhuǎn)矩大于扭桿的最大工作轉(zhuǎn)矩，即[T]=580 Nm>Tmax=380 Nm。

3)扭桿兩端花鍵的允許轉(zhuǎn)矩大于扭桿的最大工作轉(zhuǎn)矩，即：

[M大]=820 Nm>Tmax=380 Nm；

[M小]=680 Nm>Tmax=380 Nm。

說明扭桿設(shè)計符合頂蓋翻轉(zhuǎn)工況使用要求。

3 結(jié)語

綜上所述，靠自身助力實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的四連桿機構(gòu)設(shè)計時主要是巧妙地運用了扭桿設(shè)計。在機構(gòu)中嵌入扭桿后頂蓋翻轉(zhuǎn)時機構(gòu)的自身的力平衡效能較高，所需外力較小。在實際工作中，已成功運用于多套裝備上。

[1] 徐灝,邱宣懷,蔡春源.機械設(shè)計手冊:第4卷[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2000:32-89.

[2] 徐灝,嚴雋琪,汪愷.機械設(shè)計手冊:第1卷[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2000:3-1000.

[3] 董均果,王景,楊家斌.實用材料手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000:4-120.

[4] 趙明生,單平,朱夢周.機械工程師手冊[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2003:5-317.

[5] 全國機器軸與附件標準化技術(shù)委員會.圓柱直齒漸開線花鍵(米制模數(shù) 齒側(cè)配合)第1部分:總論:GB 3478.1—2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[6] 汪愷.機械工業(yè)基礎(chǔ)標準應(yīng)用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001:3-431.

A State Under Their Own Power to Realize the Transformation of the Design for Four Bar Linkage

ZHUJiahong1*,YANGJiachun1,ZHUMing1,YANGCheng1,LIGuangwei2

(1.The 081 Electronics Group, Sichuan Red Round Machinery Co. LTD, Guangyuan 628003, China;2.The Military Representative Office of People’s Liberation Army in the Guangyuan Area,Guangyuan 628000,China)

Four bar mechanical linkage in engineering practice is widely used as a kind of mechanical principle. In this paper, a design is introduced by which the state transition is achieved using a four connecting rod through a pivot. And its purpose is to simplify the transmission mechanism motion process. At the same time, it reduces the dependence on external force mechanism motion. It arranges elastic torsion bar to control mechanism. When the state transition starts, it releases torsion bar elastic potential energy storage and movement. This energy provides the organization movement towards the direction of movement and the goal of energy saving is achieved.

four bar linkage ；state transition ； lid opening and closing mechanism；torsion bar

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.04.010

2015-06-22

朱家洪(1976— )，男(漢族)，四川西充人，高級工程師，研究方向：特種車輛改裝，機械加工，通信作者郵箱：honglun@vip.163.com。 楊加春(1978— )，男(漢族)，四川榮縣人，工程師，研究方向：特種車輛改裝，機械加工。

TH13

A

2095-5383(2015)04-0031-03