張 彭，柴文滔，關慷慨，陳 雪，呂 碩

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，機械系統(tǒng)朝著多回路以及帶控制系統(tǒng)的方向發(fā)展，從而使得機構的種類愈加多樣化，例如，機械系統(tǒng)中不同機構之間的配合使得機器正常運轉等現(xiàn)象.因此，機構的整合顯得尤為重要.在機械機構中，桿類機構屬于最基礎的典型機構，而曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構則是由桿機構組合演化而來，為了減輕機構實際工作的負擔，得到精準的數(shù)據(jù)結果，因而在ADAMS中建立參數(shù)化模型并仿真，得到運動模型及輸出曲線結果，輔以數(shù)據(jù)的后處理，這樣做則減少了大量的人工計算時間成本和機構強度的校核，提高了機械結構的設計效率[1].

1 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構的數(shù)學建模

圖1是曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構簡化的機構模型.雖然曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構是由兩種機構組合而成，但是究其根本還是由曲柄搖桿機構提供動力，所以首先對曲柄搖桿機構進行建模分析.取機架4和曲柄1鉸接處A為坐標原點，機架為X軸建立坐標系，在其中任意位置時，組成的封閉四邊形幾何關系為

L1+L2=L3+L4

(1)

分別對各軸投影，即得

L1cosφ1+L2cosφ2=L3cosφ3+L4.L1sinφ1+L2sinφ2=L3sinφ3

(2)

延長DC至E點使得DE=2DC,取適當長度桿4和桿5并使E點為4的中點，完成數(shù)學建模分析過程[2，3].

圖1 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構

2 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構三維設計

曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構是由曲柄搖桿機構和正弦機構結合在一起的組合機構，模型根據(jù)需要的不同可以設置不同的參數(shù)用以適應實際的問題，首先進行機構的參數(shù)化建模，建立(0，-150，0)，(-150，-100，0)，(300，-100，0)，(150，100，0)，(0，250，0)，(0，0，0)，(0，450，0)，(-550，450，0)，(550，450，0)八個Marker點.并按一定的順序連接起來，設定所建立的桿的寬和高分別為4.0 cm，機架AD是ADAMS自動創(chuàng)建在(ground)大地上的零件.在A、B、C、D、E和桿5處添加運動副，并把轉動驅動放置在A處，完成三維模型的建立.

圖2 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構的三維設計

3 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構的運動分析

在完成建模并添加相應的運動副的基礎上，對曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構進行運動仿真并進入到運動仿真后處理界面.首先分析桿1和桿3的情況，由于主動力添加到桿1上，因此桿1在本機構中作勻速圓周運動，角加速度為0，但由于實際情況中會存在相應的阻礙，因此其角加速度會產生一定范圍性的浮動，但最終趨于穩(wěn)定[4,5].

而對于桿3，由于存在急回特性，因此桿2與桿1共線的時候，桿3的角加速度會有一個急速的上升或下降.圖3是桿3的角加速度曲線圖.

圖3 桿3的角加速度

由圖3可以看出，在5.5～7 s時桿3出現(xiàn)了角加速度急速轉變的過程，當機構存在極位夾角θ時，機構便具有急回特性，θ角越大，K值越大，機構的急回特性也越顯著.θ和K的關系如公式(3)(4)所示.

θ=180°(K-1)/(K+1)

(3)

K=(360°-φ1)α1/(360°-α1)φ1

(4)

滑塊4的運動情況依據(jù)桿3而定，由于桿3具有急回特性，因此滑塊4的運動情況也會有一段急速上升和下降的趨勢，但是對于無急回特性的情況則無此特點.圖4是滑塊4的角加速度曲圖.

圖4 滑塊4垂直移動時的加速度

由圖4可以看出，滑塊4的角加速度走向隨桿3角加速度改變而改變.利用曲柄搖桿具有急回特性這一特點配合滑塊使之達到循環(huán)運動的目的[6,7].

由于滑塊4在桿5上相對運動，因此桿5的運動情況則由滑塊4的運動情況保持一致.圖5是桿5水平移動時的加速度曲線圖.

圖5 桿5移動時的加速度

滑塊4與桿5在水平方向固連，因此滑塊4由桿3急回特性所帶動的運動可分解為水平方向的速度與豎直方向的速度，桿4水平方向的速度與桿5相同，此機構將桿1處的旋轉運動轉換成桿5處水平方向上往復運動的輸出.對于平面連桿的急回特性在生活和工程中也有許多實際上的應用，如牛頭刨床為了實現(xiàn)刨削運動特性以及縮短空回行程時間，一般會設計為擺動導桿機構配合搖桿滑塊機構，滿足其對急回特性的需求[8-10].

4 結 論

(1) 曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構由兩種機構搭建而成，同時也保留了各個機構的優(yōu)點，避免了機構形式的單一性，極大程度的擴展機構的運動形式，使機構的功能多樣化.

以ADAMS參數(shù)化建立曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構，可以根據(jù)實際需要更改點集用來改變桿的長短，同時還可以設定桿的質量和材料，根據(jù)不同的需求更改不同的參數(shù)，減少不必要的資源與經濟浪費，提高工作效率.

(2) ADAMS中的曲線輸出可以得到需要的數(shù)據(jù)曲線，不必需要大量的人工計算和實驗設置，同時還可以根據(jù)曲線的輸出來適當?shù)母臋C構的運動情況，減小功能的損耗.同時ADAMS中的后處理輸出曲線可以轉化為數(shù)據(jù)，這樣可以更加直觀的觀察和分析機構的運動情況.

曲柄搖桿與正弦機構串聯(lián)機構由兩種機構搭建而成，同時也保留了各個機構的優(yōu)點，避免了機構形式的單一性，極大程度的擴展機構的運動形式，使機構的功能多樣化.

[1] 宋少云,尹芳.ADAMS在機械設計中的應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2015.

[2] 高光娣.典型機械結構ADAMS仿真應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[3] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].2版，北京:國防工業(yè)出版社,2014.

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[6] 宋繼忠.運用ADAMS實現(xiàn)四桿機構的仿真[J].工業(yè)博覽,2005,3(12):128-130.

[7] 武艷慧.ADAMS在機械原理機構課程教學中的應用[J].內蒙古石油化工,2010,2(15):89-90.

[8] 熊勁松．平面四桿機構急回特性研究[J].自動化應用,2013(7)：12-13.

[9] 吳明遠,楊挺.具有急回特性曲柄搖桿機構的解析綜合[J].拖拉機與農用運輸機,2008，35(4)：68-69.

[10] 邊巍.平面四桿機構急回特性分析[J].機械工程師，2010(9)：52-53