四杆机构“死点”位置及其应用的再探讨

2013-08-16郭平

锻压装备与制造技术 2013年5期

郭平

（西安铁路职业技术学院机电工程系，陕西西安 710014）

0 引言[1]

“死点”问题是平面四杆机构的基本特性之一，它与构件的运动和受力等情况密切相关。如果机构中出现“死点”位置问题，将出现整个机构“卡死”的现象，而且从动杆件转动方向也不能确定，对传动不利，应该加以排除。本文主要从平面四杆机构“死点”的定义、位置的判断，“死点”位置的排除以及“死点”位置在工程机械上的应用等几个方面，结合实际加以初步研究和讨论。

1 机构“死点”位置分析

1.1 机构“死点”的定义[2]

图1 机构死点

图1所示的曲柄摇杆机构ABCD，如不考虑各构件的重量和摩擦力，则连杆BC为二力杆。当摇杆CD为主动件，在曲柄与连杆共线位置AB1C1D、AB2C2D中，主动件摇杆CD通过连杆BC作用于从动件曲柄AB上的力正好通过转轴中心A，此时源于连杆的驱动力对从动件曲柄AB的转动力矩为零，不论连杆BC对曲柄AB施加多大的作用力，都不能使AB杆转动，整个机构处于静止状态，且转动方向也不能确定。也就是说，曲柄AB在回转一周的过程中，有两次与连杆BC共线，此时传动角r=0，压力角θ=90。摇杆CD分别处在两个极限位置：C1D、C2D，此时位置称为机构的“死点”。

1.2 几种状态下的“死点”位置[3]

设：曲柄 AB=a，连杆 BC=b，摇杆 CD=c，机架AD=d。图2a中，连杆BC为最长杆，则曲柄摇杆机构ABCD存在的条件是：a+b≤c+d，摇杆CD为主动件，则两个“死点”位置为AB1C1D、AB3C3D；图 2b 中，机架AD为最长杆，则曲柄摇杆机构ABCD存在的条件是：a+d≤b+c，摇杆CD为主动件，则两个“死点”位置为AB1C1D、AB3C3D；图2c中，摇杆CD为最长杆，则曲柄摇杆机构ABCD存在的条件是：a+c≤b+d，摇杆CD为主动件，则两个“死点”位置为AB1C1D、AB3C3D；图2d中，摇杆CD为最长杆且摇杆CD和机架AD等长即c=d，则曲柄摇杆机构ABCD存在的条件是：a+c≤b+d，摇杆CD为主动件，则两个“死点”位置为AB1C1D、AB3C3D。

图2 几种状态下的死点位置

1.3 机构“死点”位置的判断

（1）从动件与连杆是否共线（从动件与连杆的位置是否重合）：如图2所示几种状态下的“死点”位置可以看出，对于曲柄摇杆机构而言，若曲柄为主动件时，摇杆CD与连杆BC无共线位置，不会出现死点；当以摇杆为主动件时，曲柄AB与连杆BC有两次共线位置，将会出现“死点”。

（2）用力矩判断：如在曲柄摇杆机构中，当摇杆主动而曲柄处于和连杆成一条直线的两个极限位置时，连杆传给曲柄的力不能产生使曲柄回转的力矩。

综上所述，对于同一机构，选择不同连架杆作为主动件，其机构有无死点位置的情况将会不一样，关键问题是根据从动件是否与连杆共线（或位置重合）来判定。

1.4 机构“死点”与机构“极位”和“自锁”的区别[4]

机构“死点”和机构“极位”实际上是机构的同一位置，不同的是机构的主动件不一样。当从动件与连杆共线时为“死点”，机构在“死点”时，不论驱动力多大，都不能使机构起动。但如因冲击、振动等原因使机构离开“死点”而可继续运动时，从动件的运动方向却是不确定的，既可能正转也可能反转，故机构的“死点”位置也是机构运动的转折点，而当主动件与连杆共线时则为极位，在极位附近，由于从动件的速度接近于零，故可获得很大的增力效果。

所谓机构“自锁”，是指有些机构就其结构情况分析自由度大于零，因此只要加上足够大的驱动力，按理就能够沿着有效驱动力作用的方向运动，而实际上由于摩擦的存在，却会出现无论该驱动力如何增大，即使增大到无穷大，也无法使它运动。这种现象称机构的“自锁”。机构之所以出现“自锁”，是由于机构中存在着摩擦。而机构处于“死点”位置时，即使不存在摩擦，机构也不能运动，这是机构“死点”与机构自锁之间的本质区别。

2 机构“死点”的排除与利用

2.1 机构“死点”位置的排除方法[5]

图3 缝纫机的踏板机构

在工程上，为了使机构能够顺利通过“死点”而正常运转，必须采用适当的措施，如发动机上安装飞轮以加大惯性力，家用缝纫机（图3所示）的踏板机构上采用较大的带轮作为曲柄，利用带轮的惯性使机构渡过死点，或利用机构的组合错开死点位置。当一个机构处于“死点”位置时，可借助另一机构来越过死点位置。例如机车车轮的联动装置，图4所示蒸汽机车车轮联动机构，就是采用两组相同机构错开一定的角度布置，使两组机构的死点位置相互错开，当一个机构处于“死点”位置时，可借助于另一个机构越过“死点”，从而使曲轴获得有效的驱动力，不会使车轮“卡死”。

图4 蒸汽机车车轮联动机构

2.2 “死点”位置在实践中的应用[6]

2.2.1 飞机起落架

飞机起落架如图5所示，就是利用“死点”位置使飞机降落安全可靠。飞机起落架机构是双摇杆机构，通过主动摇杆DE可使轮子在飞机降落时放下，刚好是死点位置（BD杆与DE杆共线），巨大的着陆反力不会使主动摇杆DE转动，以便于飞机安全着陆；起飞后在摇杆DE的摆动下，使轮子收起，以减小空气阻力。

2.2.2 折叠家具

图6所示折叠桌的撑起位置就是四杆机构ABCD的“死点”位置，折叠桌收合位置就是四杆机构ABCD机架、连架杆、连杆的共线位置。

图5 飞机起落架机构

图6 折叠桌折叠机构

图7 电气设备开关的分合闸机构

2.2.3 电气设备开关的分合闸机构

电气设备开关的分合闸机构应用的是铰链四连杆机构“死点”位置合闸的原理，确保设备运行的安全可靠。图7所示为原理图，合闸时机构处于死点位置，此时触头结合力Q和弹簧力F对构件CD产生的力矩无论多大，也不能推动构件AB转动而分闸；当超负荷需要分闸时，通过控制装置（图中未表示）产生较小的力来推动构件AB使机构离开死点位置，构件CD便能转动从而达到分闸的目的。如图7中虚线所示。

2.2.4 在伞中的应用

图8所示，伞的撑合机构是一个摆动导杆机构，撑起的位置就是机构的“死点”位置。

2.2.5 在夹紧器械中的应用[7]

（1）垂直式夹具垂直式夹具应用的是铰链四连杆机构的原理，如图9所示。夹紧状态下即机构“死点”位置。

（2）杠杆式夹紧钳

杠杆式夹紧钳应用的是铰链四连杆机构的原理，如图10所示。当AB与BC处于同一直线时，夹紧钳就处于“死点”位置，此时将手把松开，所夹的东西依然处在夹紧状态。通过调整螺钉可改变张开的大小，从而使夹紧钳处于“死点”位置。