浅析铰链四杆机构的演化

王芸

摘要:基于教学的实践,本文针对大学生学习《机械设计基础》课程之铰链四杆机构的演化时存在的一些模糊概念,以及理解较为困难的演化方法等此类问题,实事求是的对演化过程进行了详实的分析,总结出一些有效的学习方法和分析此类问题的技巧,从而提高该课程的教学质量和学生的学习效率。

关键词:机构曲柄摇杆演化运动特性

中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(c)-0122-02

在各种机床和实际生产中广泛应用着各种四杆机构,这些机构虽然具有不同的外形和构造,但都具有相同的运动特性,只要运动特性不变,机构中构件的形状可以有好多种,而这些机构都可以看作是从铰链四杆机构演化而来的,下面通过分类介绍平面四杆机构的演化方法与过程。

简单而言,铰链四杆机构的演化过程可以全部总结为下列两种。

1 改变构件的形状和尺寸,同时扩大转动副,使转动副变成移动副

1.1 曲柄摇杆机构演化曲柄滑块机构

如图1a)所示曲柄摇杆机构中,假定杆1为曲柄,杆3为摇杆,根据演化方法把杆3作成滑块(结构变化),D点的转动副扩大,杆4与机架相连,可转化成环形槽,如图1b)所示,演化之后3构件仍然以D为圆心做圆周摆动,2、3构件的相对运动未发生变化,3、4构件间的运动副类型也未发生变化,即机构的运动特性不变。由于秆3在环形槽的一部分中运动,因此,可将环形槽的多余部分出去,如图1c)所示。如果再将槽的半径增加到无穷大,转动副D的中心移到无穷远处,则环形槽变成了直槽,此时转动副变成了移动副,如图1d)所示,机构演化成偏置曲柄滑块机构,e为偏置距,当e=0,称为对心曲柄滑块机构。

1.2 曲柄滑块机构演化偏心轮机构

如图2所示曲柄滑块机构,假定杆1长度为L1,当曲柄较短时,如图2a)所示,往往由于工艺,结构强度等方面的要求,将转动副B的曲柄销半径逐渐扩大,如图2b)所示,直到超过曲柄长度L1,如图2c)所示,使曲柄成为绕A点转动的偏心轮(运动副尺寸变化),由于偏心轮的几何中心B与其回转中心A的偏心距e等于曲柄长度L1,所以该机构各构件间的相对运动与曲柄滑块机构没有差别运动特性未发生变化。这种机构工程上用的较多,主要是因为此机构减少了曲柄的驱动力,增加了转动副的尺寸,提高了曲柄的强度和刚度,广泛应用于冲压机构,破碎机等承受较大冲击载荷的机械中。

2 改变机架

2.1 曲柄摇杆机构中取不同的构件为机架,可以得到不同的演化类型

如图3a)所示,假定为曲柄摇杆机构,其中1构件为曲柄,3构件为摇杆,曲柄1相邻的转角度α和β可达360°,即满足圆周转动的条件,而摇杆3相邻的转角θ和δ均小于360°,不满足整周转动的条件。

据此,若以杆4或杆2为机架,其相邻转角分别为α和δ、β和θ,此时可得到曲柄摇杆机构(图3a、c);若以杆1为机架,其相邻转角为α和β,故得到双曲柄机构(图3b);若以杆3为机架其相邻转角为δ和θ,此时可得到双摇杆机构(图3d)。

2.2 曲柄滑块机构中取不同的构件为机架,同样得到不同的类型

同理,对于曲柄滑块机构来说,选取不同的机构为机架也可以的到不同形式的机构。如图4a)所示,假定是以构件4为机架的曲柄滑块机构,当以构件1为机架时,可得到导杆机构(图4b),杆4为导杆,当杆2的长度L2＞L1时,构件2和构件4均能作整周转动,称为转动导杆机构,小型刨床是它的应用实例。当杆2的长度L2＜L1时,导杆4只能作来回摆动,称为摆动导杆机构。当以构件2为机架时,可演化成曲柄摇块机构(图4c),插齿机中的驱动机构是它的应用实例。当以构件3为机架时,可演化成移动导杆机构(图4d),这种机构常应用于手摇唧筒中。

以上的演化方法及过程全面有效,如果采取一些针对性的教法,使得整个演化过程变得重点突出且具体,那么教育教学质量的提高就会显著！

参考文献

[1] 张建中.机械设计基础.徐州:中国矿业大学出版社,2006.1.

[2] 杨可桢,程光蕴,李仲生.机械设计基础.北京:高等教育出版社,2006.5.

[3] 刘跃南.机械基础.北京:高等教育出版社,2010.6.