無急回運(yùn)動特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

齊曉霞

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 莆田 351254）

0 引言

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型之一，在工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。急回特性是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的一個重要特性，可以縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。但是隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多在去程和回程都是工作行程的設(shè)備，如空調(diào)的擺風(fēng)機(jī)構(gòu)、電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)、有株距要求的播種機(jī)機(jī)構(gòu)等。因此，對無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的研究也變得非常有意義和有價值。

1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無急回運(yùn)動特性的條件

連桿機(jī)構(gòu)有無急回運(yùn)動特性，完全取決于極位夾角θ。當(dāng)極位夾角θ＝0°時，行程速度變化系數(shù)K＝1，機(jī)構(gòu)沒有急回運(yùn)動特性。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD中，設(shè)曲柄AB為主動件，BC為連架桿，搖桿CD為從動件，AD為機(jī)架；各桿件的長度分別為AB＝a、BC＝b、CD＝c、AD＝d，搖桿CD的擺角為φ。機(jī)構(gòu)無急回特性時，極位夾角θ＝0°，即CD處于兩極限位置時，AB1C1和AB2C2共線，如圖1所示。

圖1 θ＝0°時的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極限位置

由圖1中的幾何關(guān)系可知：

作DE⊥C1C2，則有：

由式（1）、式（2）可知，無急回運(yùn)動特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在的條件是：①連桿和搖桿的平方和等于曲柄和機(jī)架的平方和；②曲柄的長度a等于搖桿長度c和1/2擺角即φ/2的乘積；③最短桿與最長桿的長度和小于等于其余兩桿的長度和。

2 無急回運(yùn)動特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

無急回運(yùn)動特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如下：（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在某一瞬間會出現(xiàn)鉸鏈中心A、B、C、D位于同一個圓上的情況，如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)四桿長度間的關(guān)系

（2）當(dāng)搖桿處于兩個極限位置時，A、B1、B2、C1、C2共線。

3 用圖解法設(shè)計(jì)無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

在給定行程速比系數(shù)K＝1，擺角φ和任意兩桿長度時，設(shè)計(jì)平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是確定鉸鏈中心A的位置。

3.1 已知擺角φ、曲柄長度a和搖桿長度c的設(shè)計(jì)

首先根據(jù)給定尺寸大小確定作圖比例μ1。如圖3所示，任選固定鉸鏈中心D的位置，由搖桿長度c和擺角φ作出搖桿的兩個極限位置C1D和C2D。延長連線C2C1并在其上任選一點(diǎn)A作為鉸鏈中心，以A為圓心，a為半徑畫圓，與C2C1的交點(diǎn)即為鉸鏈中心B的兩個極限位置B1、B2。連接AD兩點(diǎn)即得機(jī)構(gòu)桿長為：b＝μ1×AB1，d＝μ1×AD。

由于鉸鏈中心A是任意選的，只要在C1C2連線上即可，故有無窮多解，必須給出輔助條件，才能得出確定的解。

3.2 已知擺角φ、連桿長度b和搖桿長度c的設(shè)計(jì)

如圖4所示，連接C2C1并作其垂直平分線得交點(diǎn)E，由式（1）可知曲柄長度a＝C1E，μ1＝C2E，μ1。以C1為圓心，（b－a）/μ1為半徑畫弧，與C2C1的交點(diǎn)即為鉸鏈中心A的位置。連接AD即得機(jī)架長度d。

3.3 已知擺角φ、曲柄長度a和連桿長度b的設(shè)計(jì)

如圖 5 所 示，作C1C2＝2a/μ1，過C1C2作∠C1C2D＝∠C2C1D＝90°－φ/2，交點(diǎn)即為鉸鏈中心D的位置。以C1為圓心，（b－a）/μ1為半徑畫弧，與C2C1的交點(diǎn)即為鉸鏈中心A的位置。連接AD即得機(jī)構(gòu)各構(gòu)件長度。

圖3 已知擺角φ、曲柄長度a和搖桿長度c的設(shè)計(jì)簡圖

圖4 已知擺角φ、連桿長度b和搖桿長度c的設(shè)計(jì)簡圖

圖5 已知擺角φ、曲柄長度a和連桿長度b的設(shè)計(jì)簡圖

4 結(jié)論

按照給定擺角φ和任意兩桿長度，依據(jù)無急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性就可以確定其余各桿的長度，這種方法使得設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有合理的結(jié)構(gòu)尺寸，而且使設(shè)計(jì)過程更加簡單、靈活。

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