判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法

陳維范

判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法

陳維范

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110161）

鉸鏈四桿機構(gòu)是工程中應(yīng)用最廣泛的一種機構(gòu)，按照運動形式的不同，可以分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)。鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的判定是高職機械相關(guān)專業(yè)教學中的重點和難點，也是工程技術(shù)人員在設(shè)計時經(jīng)常遇到的問題。結(jié)合多年教學實踐總結(jié)出了判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法，利用此方法可以大大提高教學效果。

鉸鏈四桿機構(gòu)；曲柄；連桿機構(gòu)；機械設(shè)計

連桿機構(gòu)是工程中應(yīng)用最廣泛的一種機構(gòu)，特別是平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用尤為廣泛，而在平面連桿機構(gòu)中又以四個構(gòu)件組成的平面四桿機構(gòu)最為常用[1-2]。構(gòu)件間的運動副均為轉(zhuǎn)動副連接的四桿機構(gòu)，是四桿機構(gòu)的基本形式，稱為鉸鏈四桿機構(gòu)[3]。鉸鏈四桿機構(gòu)是高職機械類相關(guān)專業(yè)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程中較為重要的學習內(nèi)容。判斷出鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式是高職教學是一個重點和難點，也是工程技術(shù)人員在機械設(shè)計時經(jīng)常遇到的問題。根據(jù)多年的教學經(jīng)驗總結(jié)出判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法，利用此方法可以大大提高教學效果。

1 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式和曲柄存在的條件

鉸鏈四桿機構(gòu)如圖1所示，固定不動桿件AD稱為機架，與機架相連的桿件AB和桿件CD稱為連架桿，與機架相對的桿件BC稱為連桿。四桿機構(gòu)中能作整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，比如桿件AB；只能在小于360°的某一角度內(nèi)往復擺動的連架桿稱為搖桿，比如桿件CD。

圖1 鉸鏈四桿機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)中，根據(jù)兩連架桿的運動形式不同，可分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種基本形式。

一些教材和文獻中給出鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄存在的條件為：①最長桿與最短桿長度之和小于或等于其他兩桿長度之和（即桿長之和條件）；②最短桿或其相鄰桿為機架。

根據(jù)有曲柄的條件可知：①當不滿足桿長之和條件時，即為雙搖桿機構(gòu)。②當滿足桿長之和條件，同時滿足三個條件之一，即最短桿為機架時，得到雙曲柄機構(gòu)；最短桿的相鄰桿為機架時，得到曲柄搖桿機構(gòu)；最短桿的相對桿為機架時，得到雙搖桿機構(gòu)。

這需要學生對一個鉸鏈四桿機構(gòu)經(jīng)過計算和討論來判定是否有曲柄存在。在教學中需要花費較長的時間，部分學生在實際判定時經(jīng)常出現(xiàn)錯誤。

2 判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法

根據(jù)一些教材和文獻中給出鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的條件判定方法，經(jīng)過多年的教學實踐，總結(jié)出判定鉸鏈四桿機構(gòu)中有曲柄存在的簡捷方法：①當機構(gòu)滿足桿長之和條件時，即max+min≤+，則有曲柄存在的可能性，否則為雙搖桿機構(gòu)；②只有最短桿兩個端點存在曲柄的可能性；③曲柄一定是連架桿。

下面以實例說明上述判定方法。

例題：兩個鉸鏈四桿機構(gòu)的各桿件長度如圖2所示，試判定兩個機構(gòu)分別以桿件AB、BC、CD和AD為機架時，屬于何種機構(gòu)？

圖2 各桿件長度（單位：mm）

第一步：當機構(gòu)滿足桿長和條件時，即max+min≤+，有曲柄存在的可能性。

在圖2（a）中，max=CD=100 mm，min=BC=50 mm，=AB=70 mm，=AD=60 mm。

max+min≤+不滿足桿長之和條件，為雙搖桿機構(gòu)。

在圖2（b）中，max=CD=100 mm，min=BC=50 mm，=AB=90 mm，=AD=70 mm。

max+min≤+滿足桿長之和條件，有曲柄存在的可能性，因此進行第二步判定。

第二步：只有最短桿兩個端點有曲柄存在的條件。

此時在最短桿BC兩個端點B和C處畫整圓圈，在其他兩個端點A和C處畫半圓圈，如圖3所示。

第三步：曲柄一定是連架桿。按照定義曲柄是能作整周旋轉(zhuǎn)的連架桿。

查看落在機架上有幾個整圓圈，如果落到機架上一個整圓圈，為曲柄搖桿機構(gòu)；如果落到機架上兩個整圓圈，為雙曲柄機構(gòu)；如果沒有落到機架上整圓圈，為雙搖桿機構(gòu)，如圖4所示。

以AB為機架時，如圖4（a）所示，只有B點整圓圈落到機架AB上，為曲柄搖桿機構(gòu)。以BC為機架時，如圖4（b）所示，有B、C兩點整圓圈落到機架BC上，為雙曲柄機構(gòu)。

以CD為機架時，如圖4（c）所示，只有C點整圓圈落到機架CD上，為曲柄搖桿機構(gòu)。以AD為機架時，如圖4（d）所示，沒有整圓圈落到機架AD上，為雙搖桿機構(gòu)。

圖3 示意圖（單位：mm）

3 結(jié)語

用此方法判定鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄是否有簡單、快捷、準確的特點。實踐證明，采用該方法教學效率大大提高。此方法也適用于工程技術(shù)人員在設(shè)計四桿結(jié)構(gòu)時對平面鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄存在的判定。

圖4 示意圖（單位：mm）

［1］孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版 社，2004.

［3］李海萍.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版 社，2011.

TH112.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.004

2095－6835（2019）17－0010－02

陳維范（1967—），男，碩士，高級工程師，研究方向為數(shù)控機床、機械設(shè)計、機械質(zhì)量檢測、液壓與氣動技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕