四桿機構的創新設計研究

趙瑞朝

摘 要：連桿機構尤其是平面四桿機構常被應用于各種機械來實現已知軌跡的運動。由于死點位置的運動不確定性，使得一些比較精密的及其在運轉時出現不確定性，因此有必要研究克服死點位置的方法。若想優化四桿機構的運動形式、進行創新設計，需要對其機構以及運動特性進行分析。

關鍵詞：平面四桿機構 死點位置 創新設計研究

一、引言

平面連桿機構由于具有能夠實現運動形式的轉換，實現預定運動規律和曲線軌跡以及形狀簡單，制造方便等顯著的特點，被運用到人們生活中的各種機械中，以實現已知軌跡的運動。它是平面四桿機構的基本形式，其他四桿機構都可以看成是在它的基礎上演化而來的。

二、四桿機構分析

2.1、曲柄搖桿機構

曲柄搖桿機構為四桿機構中的基本機構，可將曲柄搖桿機構分為Ⅰ型曲柄搖桿機構和Ⅱ型曲柄搖桿機構。

（1）Ⅰ型曲柄搖桿機構，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方向與曲柄轉向相同，結構上A、D兩點位于C2C2連線異側，且構件尺寸為。

（2）Ⅱ型曲柄搖桿機構，其機構特征為搖桿的慢行程與曲柄的轉向相反。結構上A、D兩點位于連線同側，且構件尺寸為。二者在結構上的差異也決定了功能的不同。

2.2、曲柄滑塊機構

（1）對心曲柄滑塊機構的分析

曲柄長為r，質量為m1，質心在曲柄中心處，連桿長度為L，質量為m2，質心距離曲柄末端為L1。曲柄與氣缸軸線夾角為φ，連桿與氣缸夾角為θ。設曲柄為勻速轉動。角速度為ω?；瑝K質量為m3，滑塊最遠，距離曲柄中心距離為x1。設滑塊在此處位移為0，向左運動為正，設在某一時刻滑塊位移為x。則滑塊運動位移

x=x1-x2=L+r-（rcosφ+Lcosθ）（1）

（2）偏心曲柄滑塊機構的分析

偏心距為e。

用相同的方法求得滑塊位移

x=+rcosφ （2）

2.3、雙曲柄機構

雙曲柄機構按2個曲柄的長度關系.可分為等長雙曲柄機構和不等長雙曲柄機構。其中等長雙曲柄機構較簡單.在四桿共線時傳動角為0，處于死點位置。不等長雙曲柄機構傳動角變化較多，具有急回特性。

三、死點位置及利用

3.1、位置

（1）曲柄搖桿機構死點位置

若曲柄搖桿機構以搖桿為主動件，而曲柄為從動件，當機構搖桿處于極限位置，連桿與曲柄共線，機構的這兩個位置即為死點位置，死點數2個。若曲柄搖桿機構以曲柄為主動件，而搖桿為從動件，機構一般情況下連桿與搖桿不會出現共線，也就無死點位置即死點數為0。但有一種特別情況，當最短桿與最長桿的長度之和等于另外兩桿長度之和時，以最短桿作連架桿時，機構為曲柄搖桿機構，該機構若以曲柄為主動件，根據最長桿的位置變化機構有1或2個死點位置；若以搖桿為主動件時，此曲柄搖桿機構將有3或4個死點位置。

（2）曲柄滑塊機構死點位置

若曲柄滑塊機構以滑塊為主動件，而曲柄為從動件，當機構滑塊處于兩個極限位置，連桿與曲柄共線，機構的這兩個位置即為死點位置，死點數2個。若曲柄滑塊機構以曲柄為主動件，而滑塊為從動件，機構運動中滑塊受的作用力方向與運動方向不可能垂直，無死點位置即死點數0。

（3）雙曲柄機構死點位置

雙曲柄機構在運動中從動件與連桿一般沒有共線位置故雙曲柄機構死點數為0。但也有一種特別情況例外，平行雙曲柄機構，此機構從動件CD與連桿BC有兩個共線位置即有2個死點。

3.2、克服死點位置的方法

（1）反急回特性方法

在曲柄搖桿機構中，以曲柄為主動件，則不會出現死點位置。同一機構以搖桿為主動件時會出現死點位置。因此可以利用急回特性的特點，在死點位置附近施加不同的速度，使得機構在慣性力的作用下成功越過死點位置。

（2）死點位置轉移法

由于曲柄搖桿機構中，以搖桿為主動件時，死點位置處傳動角為0，壓力角為90°，壓力角和傳動角互為余角，所以只要改變壓力角，也隨之改變了傳動角。只要傳動角不為0，那么死點位置就可以克服?？?/p>

（3）輔助從動曲柄法

在死點位置處，從動曲柄不能繼續轉動，運動不確定，所以可以考慮為曲柄在死點位置處添加一個動力，輔助曲柄越過死點位置。

四、四桿機構的演化

四桿機構主要包括曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構三種基本形式，除此之外在機械裝置中還廣泛采用著其他的四桿機構。各種機構的外形雖然不相同，但運用演化原理對它們的設計和分析卻是相似的。四桿機構的演化原理主要包括以下四種形式：

（1）改變構件的形狀和運動尺寸，將曲柄搖桿機構的連架桿變成滑塊演變為曲柄滑塊機構。

（2）改變運動副的尺寸，將曲柄滑塊機構的曲柄變成偏心輪演化為偏心輪滑塊機構。

（3）選用不同的構件為機架，選用曲柄搖桿機構的曲柄為機架演化為雙曲柄機構。

（4）運動副元素的逆換，將擺動導桿機構的移動副的構件進行逆換演變為曲柄搖塊機構。

五、總結

通過此次閱讀關于四桿機構的研究的文獻，了解到了各種四桿機構的基本形式，以及死點存在的位置及解決的方法，并學習到了如何利用死點位置，應用于實際生活中。同時也知道了各種機構的外形雖然不相同，但運用演化原理對它們的設計和分析卻是相似的。

參考文獻：

[1] 劉學良.四桿機構深度解析[J].煤礦機械，2016，37（4）：84-87.

[2] 閆思江，韓曉玲，孫玉新，孫莉莉.四桿機構的疲勞分析及優化[J].鍛壓設備與制造技術，2015，50（3）：103-105.

[3] 肖萍.一種平面四桿機構的運動學分析[J].價值工程，2016，35（16）：210-212.

[4] 郭平.四桿機構“死點”位置及其應用的再探討[J]鍛壓設備與制造技術，2013，48（5）：33-35.

[5] 王鑫鋁.淺析平面四桿機構死點位置及應用[J].常州工程職業技術學院高職研究，2016，34（2）：72-73.