曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

馬小軍， 王繼忠， 劉丹丹

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng)471039）

0 引言

在軸承擺動(dòng)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要求能使內(nèi)徑為20～50 mm的向心球軸承在受純徑向載荷的條件下作擺動(dòng)試驗(yàn)，擺動(dòng)頻率為0～200 min-1（可調(diào)節(jié)），擺角為0°～90°（可調(diào)節(jié)）。本文采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)此擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最為常見(jiàn)的形式之一，而其中的對(duì)心型機(jī)構(gòu)又因具有行程速比系數(shù)K=1的特征有特殊的應(yīng)用意義。對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有更多的限制，在傳力性能方面也有自己的特點(diǎn)。

1 擺角90°時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)要求的最大擺角為90°，而擺角太大，相應(yīng)最小傳動(dòng)角會(huì)很小。搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角愈大對(duì)機(jī)構(gòu)工作愈有利，通常使傳動(dòng)角γ≥40°。為了使傳動(dòng)角達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在搖桿擺角為90°時(shí)，采用對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

1.1 各桿長(zhǎng)的確定

圖1所示為對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄AB為原動(dòng)件，搖桿擺角ψ=90°。該機(jī)構(gòu)的幾何特征是，當(dāng)搖桿處于DC1、DC2兩個(gè)極限位置時(shí)，鉸鏈點(diǎn)C1、C2的連線通過(guò)回轉(zhuǎn)中心A，故行程速比系數(shù)K=1。

取曲柄長(zhǎng)度為a，其余各桿長(zhǎng)度分別為b、c、d，如圖1所示。按曲柄存在和對(duì)心型條件，各桿長(zhǎng)應(yīng)滿足下列公式：

由圖1可導(dǎo)出對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿擺角ψ僅與曲柄長(zhǎng)度a和搖桿長(zhǎng)度c的比值有關(guān)，即

綜上所述，各桿長(zhǎng)可按下面步驟確定：1）選取曲柄長(zhǎng)度 a=60 mm；2）選取機(jī)架長(zhǎng)度 d=200 mm（d＞a）；3）取搖桿擺角 ψ=90°，按 ψ=2arcsin（a/c）求得 c=84.853 mm；4）根據(jù)c值，由式（3）知計(jì)算出 b＝190.788 mm。

圖1 對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)幾何特征

1.2 最小傳動(dòng)角分析

當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的最小傳動(dòng)角記作γmin，為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，通常使γmin≥40°。γmin必發(fā)生在曲柄與機(jī)架共線位置，如圖2所示。由圖2中的△B1C1D、△B2C2D幾何關(guān)系和機(jī)構(gòu)的對(duì)心型條件（3）可導(dǎo)出共線位置傳動(dòng)角γ1、γ2的計(jì)算式。推導(dǎo)的結(jié)果表明，γ1、γ2的計(jì)算式具有相同的形式：

由式（5）計(jì)算出 γ1=γ2=γmin=42.162°＞40°。

圖2 對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角分析

2 用圖解法實(shí)現(xiàn)搖桿擺角的調(diào)整

在工程實(shí)踐中，采用圖解法是一種常用的設(shè)計(jì)方法。與解析法相比，圖解法直觀、速度快，但精度低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)繪圖的普及及應(yīng)用，使得高精度快速的圖解法設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。

如前所述，當(dāng)搖桿擺角為90°時(shí)的對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿擺角ψ僅與曲柄長(zhǎng)度a和搖桿長(zhǎng)度c的比值有關(guān)，有 ψ=2arcsin（a/c）。

現(xiàn)根據(jù)需要，搖桿擺角要從0°～90°可調(diào)節(jié)，在此采用了調(diào)節(jié)曲柄長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到調(diào)解搖桿擺角的目的。

現(xiàn)在電子圖版下用圖解法求搖桿擺角與曲柄長(zhǎng)度關(guān)系。任取曲柄長(zhǎng)度a′（a′＜a）,其余各桿的長(zhǎng)度仍為b，c，d。如圖3所示。作圖如下：

1）以A點(diǎn)為圓心，以a′為半徑作圓。

4）連接 DC1′、DC2′，則∠C1′DC2′即為曲柄長(zhǎng)度為 a′時(shí)的搖桿擺角。

圖3 搖桿擺角和曲柄半徑關(guān)系

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，此時(shí)的機(jī)構(gòu)不是對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，僅是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)論

采用對(duì)心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)擺角，并可通過(guò)調(diào)整曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擺角大小的控制。

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