四桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

趙瑞朝

摘 要：連桿機(jī)構(gòu)尤其是平面四桿機(jī)構(gòu)常被應(yīng)用于各種機(jī)械來實(shí)現(xiàn)已知軌跡的運(yùn)動(dòng)。由于死點(diǎn)位置的運(yùn)動(dòng)不確定性，使得一些比較精密的及其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)不確定性，因此有必要研究克服死點(diǎn)位置的方法。若想優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式、進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要對(duì)其機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：平面四桿機(jī)構(gòu) 死點(diǎn)位置 創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

一、引言

平面連桿機(jī)構(gòu)由于具有能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律和曲線軌跡以及形狀簡(jiǎn)單，制造方便等顯著的特點(diǎn)，被運(yùn)用到人們生活中的各種機(jī)械中，以實(shí)現(xiàn)已知軌跡的運(yùn)動(dòng)。它是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式，其他四桿機(jī)構(gòu)都可以看成是在它的基礎(chǔ)上演化而來的。

二、四桿機(jī)構(gòu)分析

2.1、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)中的基本機(jī)構(gòu)，可將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)分為Ⅰ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和Ⅱ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

（1）Ⅰ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，AB=l1，BC=l2，CD=l3，AD=l4。AB1C1D和AB2C2D分別處于兩種位置。其主要特征是搖桿慢行程擺動(dòng)方向與曲柄轉(zhuǎn)向相同，結(jié)構(gòu)上A、D兩點(diǎn)位于C2C2連線異側(cè)，且構(gòu)件尺寸為。

（2）Ⅱ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)特征為搖桿的慢行程與曲柄的轉(zhuǎn)向相反。結(jié)構(gòu)上A、D兩點(diǎn)位于連線同側(cè)，且構(gòu)件尺寸為。二者在結(jié)構(gòu)上的差異也決定了功能的不同。

2.2、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

（1）對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分析

曲柄長(zhǎng)為r，質(zhì)量為m1，質(zhì)心在曲柄中心處，連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，質(zhì)量為m2，質(zhì)心距離曲柄末端為L(zhǎng)1。曲柄與氣缸軸線夾角為φ，連桿與氣缸夾角為θ。設(shè)曲柄為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。角速度為ω?；瑝K質(zhì)量為m3，滑塊最遠(yuǎn)，距離曲柄中心距離為x1。設(shè)滑塊在此處位移為0，向左運(yùn)動(dòng)為正，設(shè)在某一時(shí)刻滑塊位移為x。則滑塊運(yùn)動(dòng)位移

x=x1-x2=L+r-（rcosφ+Lcosθ）（1）

（2）偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分析

偏心距為e。

用相同的方法求得滑塊位移

x=+rcosφ （2）

2.3、雙曲柄機(jī)構(gòu)

雙曲柄機(jī)構(gòu)按2個(gè)曲柄的長(zhǎng)度關(guān)系.可分為等長(zhǎng)雙曲柄機(jī)構(gòu)和不等長(zhǎng)雙曲柄機(jī)構(gòu)。其中等長(zhǎng)雙曲柄機(jī)構(gòu)較簡(jiǎn)單.在四桿共線時(shí)傳動(dòng)角為0，處于死點(diǎn)位置。不等長(zhǎng)雙曲柄機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角變化較多，具有急回特性。

三、死點(diǎn)位置及利用

3.1、位置

（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置

若曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以搖桿為主動(dòng)件，而曲柄為從動(dòng)件，當(dāng)機(jī)構(gòu)搖桿處于極限位置，連桿與曲柄共線，機(jī)構(gòu)的這兩個(gè)位置即為死點(diǎn)位置，死點(diǎn)數(shù)2個(gè)。若曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以曲柄為主動(dòng)件，而搖桿為從動(dòng)件，機(jī)構(gòu)一般情況下連桿與搖桿不會(huì)出現(xiàn)共線，也就無死點(diǎn)位置即死點(diǎn)數(shù)為0。但有一種特別情況，當(dāng)最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和等于另外兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)，以最短桿作連架桿時(shí)，機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)若以曲柄為主動(dòng)件，根據(jù)最長(zhǎng)桿的位置變化機(jī)構(gòu)有1或2個(gè)死點(diǎn)位置；若以搖桿為主動(dòng)件時(shí)，此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將有3或4個(gè)死點(diǎn)位置。

（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置

若曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以滑塊為主動(dòng)件，而曲柄為從動(dòng)件，當(dāng)機(jī)構(gòu)滑塊處于兩個(gè)極限位置，連桿與曲柄共線，機(jī)構(gòu)的這兩個(gè)位置即為死點(diǎn)位置，死點(diǎn)數(shù)2個(gè)。若曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以曲柄為主動(dòng)件，而滑塊為從動(dòng)件，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中滑塊受的作用力方向與運(yùn)動(dòng)方向不可能垂直，無死點(diǎn)位置即死點(diǎn)數(shù)0。

（3）雙曲柄機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置

雙曲柄機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中從動(dòng)件與連桿一般沒有共線位置故雙曲柄機(jī)構(gòu)死點(diǎn)數(shù)為0。但也有一種特別情況例外，平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)從動(dòng)件CD與連桿BC有兩個(gè)共線位置即有2個(gè)死點(diǎn)。

3.2、克服死點(diǎn)位置的方法

（1）反急回特性方法

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，以曲柄為主動(dòng)件，則不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置。同一機(jī)構(gòu)以搖桿為主動(dòng)件時(shí)會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置。因此可以利用急回特性的特點(diǎn)，在死點(diǎn)位置附近施加不同的速度，使得機(jī)構(gòu)在慣性力的作用下成功越過死點(diǎn)位置。

（2）死點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移法

由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，以搖桿為主動(dòng)件時(shí)，死點(diǎn)位置處傳動(dòng)角為0，壓力角為90°，壓力角和傳動(dòng)角互為余角，所以只要改變壓力角，也隨之改變了傳動(dòng)角。只要傳動(dòng)角不為0，那么死點(diǎn)位置就可以克服?？?/p>

（3）輔助從動(dòng)曲柄法

在死點(diǎn)位置處，從動(dòng)曲柄不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不確定，所以可以考慮為曲柄在死點(diǎn)位置處添加一個(gè)動(dòng)力，輔助曲柄越過死點(diǎn)位置。

四、四桿機(jī)構(gòu)的演化

四桿機(jī)構(gòu)主要包括曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)三種基本形式，除此之外在機(jī)械裝置中還廣泛采用著其他的四桿機(jī)構(gòu)。各種機(jī)構(gòu)的外形雖然不相同，但運(yùn)用演化原理對(duì)它們的設(shè)計(jì)和分析卻是相似的。四桿機(jī)構(gòu)的演化原理主要包括以下四種形式：

（1）改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸，將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的連架桿變成滑塊演變?yōu)榍瑝K機(jī)構(gòu)。

（2）改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄變成偏心輪演化為偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)。

（3）選用不同的構(gòu)件為機(jī)架，選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄為機(jī)架演化為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

（4）運(yùn)動(dòng)副元素的逆換，將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)副的構(gòu)件進(jìn)行逆換演變?yōu)榍鷵u塊機(jī)構(gòu)。

五、總結(jié)

通過此次閱讀關(guān)于四桿機(jī)構(gòu)的研究的文獻(xiàn)，了解到了各種四桿機(jī)構(gòu)的基本形式，以及死點(diǎn)存在的位置及解決的方法，并學(xué)習(xí)到了如何利用死點(diǎn)位置，應(yīng)用于實(shí)際生活中。同時(shí)也知道了各種機(jī)構(gòu)的外形雖然不相同，但運(yùn)用演化原理對(duì)它們的設(shè)計(jì)和分析卻是相似的。

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