潘紋

（黃岡職業(yè)技術學院 黃岡 438002）

鉸鏈四桿機構(gòu)的運動特性分析

潘紋

（黃岡職業(yè)技術學院 黃岡 438002）

鉸鏈四桿機構(gòu)不僅本身應用廣泛，而且是平面四桿機構(gòu)、多桿機構(gòu)的基礎，同時為以后如凸輪等機構(gòu)的學習打下必要的基礎。因此，我們要去了解、分析鉸鏈四桿機構(gòu)的運動特性。

鉸鏈四桿機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu) 曲柄搖桿機構(gòu) 雙搖桿機構(gòu)

一、引言

機構(gòu)是由構(gòu)件組成的系統(tǒng)，其功用是傳遞運動和動力。為使機構(gòu)實現(xiàn)傳遞運動的功能，必須正確地分析和確定機構(gòu)中各構(gòu)件之間的相互關系；為使機構(gòu)實現(xiàn)傳遞動力的功能，必須正確分析機構(gòu)中各構(gòu)件的受力情況。平面連桿機構(gòu)是平面機構(gòu)的一種，是由若干個構(gòu)件通過低副連接的機構(gòu)，又稱平面低副機構(gòu)。而在平面連桿機構(gòu)中廣泛應用四桿機構(gòu)。只有在實現(xiàn)某些特殊要求時才用多桿機構(gòu)，例如要求輸出桿有放大作用，或有更好的傳力作用和更佳的傳動角，在固定鉸鏈間有特定的大中心距用二自由度以上的函數(shù)或軌跡綜合機構(gòu)等。

二、鉸鏈四桿機構(gòu)的組成、類型及應用

1、鉸鏈四桿機構(gòu)的組成

在平面四桿機構(gòu)中，若全部運動副都是轉(zhuǎn)動副，則稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖所示的曲柄搖桿機構(gòu)就是其中的一種形式。圖中桿d固定不動，稱為機架，桿b稱為連桿。桿a和桿c分別用轉(zhuǎn)動副與連桿b和機架d相連接，稱為連架桿。連架桿中能作360度轉(zhuǎn)動的桿稱為曲柄，對應的轉(zhuǎn)動副A稱為整轉(zhuǎn)動副，在運動簡圖中用單向圓弧箭頭表示；若僅能在小于360度范圍內(nèi)擺動，則稱為搖桿，對應的轉(zhuǎn)動副D稱為擺動副，在運動簡圖中用雙向圓弧箭頭表示。曲柄以整轉(zhuǎn)副，搖桿以擺動副分別與機架、連桿聯(lián)接。

2、鉸鏈四桿機構(gòu)的類型及應用

按連架桿中是否有曲柄，可將鉸鏈四桿機構(gòu)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。

（1）曲柄搖桿機構(gòu)

一個連架桿為曲柄，另一個連架桿為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。

（2）雙曲柄機構(gòu)

若鉸鏈四桿機構(gòu)兩個連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu)。其運動特點是：當主動曲柄作勻速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄作周期性的變速運動，以滿足機器的要求。

在雙曲柄機構(gòu)中，若兩曲柄長度相等，同時連桿與機架長度也相等，則稱此雙曲柄機構(gòu)為平行雙曲柄機構(gòu)。兩曲柄轉(zhuǎn)向相同時，轉(zhuǎn)速相同，連桿與機架始終保持平行，故又稱平行四邊行機構(gòu)。

平行四邊形機構(gòu)在運動過程中，會出現(xiàn)曲柄與機架共線時四個鉸鏈中心處于同一直線的問題，此位置會產(chǎn)生運動的不確定性。工程上可利用從動件的質(zhì)量或在從動件上加裝飛輪以增大慣性，達到消除運動不確定性的目的。

（3）雙搖桿機構(gòu)

在雙搖桿機構(gòu)中，若兩個搖桿長度相等，則稱為等腰梯形機構(gòu)。

三、鉸鏈四桿機構(gòu)的運動、傳力特性

改平面連桿機構(gòu)不僅要考慮其運動要求，以實現(xiàn)預定的運動規(guī)律或運動軌跡，還必須希望傳力性能良好，以使機構(gòu)運轉(zhuǎn)輕便、高效。

1、壓力角

將驅(qū)動力F分解為兩個相互垂直的分力，即沿點C速度方向Vc的分力Ft和搖桿CD方向的分力Fn，有

顯然，在驅(qū)動力F一定時，壓力角a越小，有效分力Ft就越大，有害分力Fn就越小，對機構(gòu)的傳動越有利，傳動效率越高。壓力角a可用來表示連桿機構(gòu)的傳力性能。

2、傳動角

壓力角a的余角稱為傳動角，用r表示。傳動角r與壓力角a的關系如下：

傳動角r就是連桿和搖桿之間所夾的銳角。傳動角r越大，機構(gòu)的傳力性能就越好。反之，傳動角r越小，機構(gòu)傳力效率低，費力。所以，傳動角r與壓力角a都是反映傳力性能的參數(shù)，但傳動角r測量和觀察更方便。因此，工程中常用傳動角r的大小來衡量機構(gòu)的傳力性能。

在機構(gòu)運動過程中，r也隨機構(gòu)位置變化而變化。為了保證機構(gòu)具有良好的傳力性能而正常工作，必須規(guī)定機構(gòu)的最小傳動角rmin不小于許用傳動角[r]，即

3、機構(gòu)的死點位置

當機構(gòu)的連桿與從動件拉直或重疊共線時，從動件的傳動角γ=0°（壓力角αmax=90°），推動力對從動件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這樣的位置稱為機構(gòu)的死點位置。

由式（2-1）可知，有效驅(qū)動力 Ft=Fsinα =Fcos90°=0；有害分力Fn=Fsinα=Fsin 90°=F，即經(jīng)連桿傳給從動曲柄的力全部通過其兩端鉸鏈。此位置為死點位置，無論連桿BC對對曲柄AB的作用力有多大，都不能使之轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，機構(gòu)處于靜止狀態(tài)。該曲柄搖桿機構(gòu)，若曲柄作主動件，從動搖桿與連桿不可能出現(xiàn)共線，故無死點位置?？梢?，同一個機構(gòu)有無死點位置，與其主動件的選取有關。

判斷四桿機構(gòu)中是否存在死點位置，決定于從動件是否與連桿共線。若從動件是作整周轉(zhuǎn)動的曲軸，則在它的每一個整周轉(zhuǎn)動中將出現(xiàn)兩個死點位置。

對于傳動機構(gòu)，死點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)“頂死”或運動不確定現(xiàn)象，應消除死點位置的影響，設法避免或順利通過死點位置。工程上可采取多組相同機構(gòu)錯位排列的方法，即將各組結(jié)構(gòu)的死點位置錯開。

4、急回特性

圖1所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，當曲柄AB為原動件并作等速回轉(zhuǎn)時，搖桿CD為從動件并作往復變速擺動，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中有兩次與連桿BC共線。這時搖桿CD分別處于左右兩個極限位置C1D、C2D。此兩極限位置時曲柄所在直線之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。

圖1 曲柄搖桿機構(gòu)的極位夾角

四、結(jié)語

四桿機構(gòu)的急回特性可以節(jié)省空回時間，提高生產(chǎn)率。讓更多的人去了解鉸鏈四桿機構(gòu)的類型與特性，及鉸鏈四桿機構(gòu)在生活、工業(yè)中的廣泛應用。

[1]倪森壽主編.機械基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.9.

[2]黃澤森等編.機械設計基礎[M].北京：北京大學出版社，2008.7.

[3]劉孝民主編.機械設計基礎[M].廣州：華南理工出版社，2006.3.

Analyzing The Characteristic Movementof Four BarMechanism

PanW en
（Huanggang Polytechnic College Huangang 438002）

Since Hinge four organization notonly one'sown application extensive，butalso level fourorganization，many pole foundation oforganization，lay an essential foundation for the study of the organization such as cam at the same time.So，wewillunderstand，analyze fourmovementcharacteristics in organization ofhinge.

Hinge fourorganization、pairsofcrank organization、crank rockerorganization、pairsof rockerorganization

TH112

B

101011-5560

潘 紋 （1973～），女，湖北黃岡人，副教授，碩士研究生。研究方向：機電一體化、制造業(yè)信息化。