新型四杆机构设计

袁紫运

摘 要：由于常规的四杆机结构存在着一些参数上的问题，造成了其在使用性能以及使用功能上难以发挥出全力。随着机械自动化生产要求日益变高，对于四杆结构要求也将变得越来越高，文章针对新型四杆机结构设计进行研究，从参数设计、模型分析实现对常规四杆机结构改造与研究。

关键词：四杆机结构；参数设计；动力学特性

随着我国自动化技术研究不断深入，对于四杆机结构的设计与研究变得更加广泛，但是在控制参数方面却存在着严重的不足。即使不断优化结构参数，也仅能够确保在部分的时间内四杆机结构具有良好的控制特性，其他时间段内则可能出现失控问题，因此文章基于对四杆机结构参数设置控制进行分析和研究，提出了相应的四杆机结构改进措施。

1 四杆机结构设计研究发展现状

参数设计作为四杆机构设计重要思想，其在设计中属于一种新兴的CAD设计方法。设计过程中可以实现对生产产品进行全生命周期计算辅助设计，可以有效的促进产品的革新速度。然后通过用户友好界面来改善结构参数，以便完成四杆机结构的参数设计[1]。参数化设计在绘图、机械装配、图库参数生产等均可以实现参数化，建立起相应的参数化图库。随着先进机械产品生产技术的引进，对于检测设备、设计方法等要求更高，从根本上提升了机械设备的生产能力。传统的设计还存在着计算、结构优化、工程绘图等操作，在实际的参数化的时候，必须要将几何图形元素精确坐标尺寸。

实际生产制造过程中由于产品之间存在着很多相同、相似的零部件，设计时通过修改已经拥有的图形来实现参数化设计。但是传统的设计绘图系统之中，缺乏相应的参数设计功能，而且在进行图形尺寸处理的时候，往往还会引起图形发生很大的变化。很多不同的产品模型进行设计和造型，都无法支持产品相应的设计工作，使得产品的设计费用变得相对较高，设计的时间相对较长，不能够实现快速现代化市场需求。采用参数化模型，不断调整参数使得几何形状、参数控制等来实现产品的精确造型，新型的四杆机结构与传统的设计造型进行比较，其最大的不同之处就是在于产品的精确制造。参数化设计其主要使得工程设计人员在不考虑相应的考虑细节的时候，能尽快设计出草拟零件图[2]。

2 变参数四杆机结构设计步骤

变参数四杆机结构在设计的时候常常是对四杆机结构初始状态内的变曲率圆弧设计。对于四杆机结构初始状态进行变曲率圆弧设计，主要是对四杆机结构的角位置、初始杆长等运动参数进行设计。因此在设计的时候可以将四杆机结构变参数设计问题进行分化求解设计。

2.1 确定四杆机结构初始状态

设计四杆机结构初始状态的时候，如图1所示就是确定图中θA1的大小，AD与AB的杆长。

图 1 四杆机结构初始设计

沿着连杆的初始方向的角位置为θB1进行搜索，得出了|BC1|并且据此计算出|C1D|，搜索的时候必须要满足相应的瞬时动力指标，并且根据此计算出微分N多边形上的起点C1。曲柄AB旋转角度为△θA（θA+1，N-1），计算出BCi的角度位置θBi，则沿着BCi方向向前搜索△bi。计算瞬时等效四杆机构（AB，BCi+1，Ci+1，DA），根据等效四杆机构作为研究计算对象，使得曲柄AB旋转微小角度△θA则可以求得αi+1以及（AB，BCi+2，Ci+2，DA）。当曲柄AB绕着BCi转动180°时，可以求得瞬时的应力Ci=CA。

设计参数四杆机构的模型时，最为关键的是找出变曲率圆弧、挠性件的运动周期内切点变化情况。然后根据变参数机构的各个运动机构和运动学分析，将瞬时连续与渐变瞬时等效机制联系起来。

2.2 数学模型设计

从第i个设计瞬时四杆机构参数向着第i+1个瞬时四杆机构参数过渡的时候进行计算。例如，已知θAi、θBi、θDi、|AB|、|BCi|、|CiD|、△bi，计算得出|BCi+1|、|Ci+1D|、αi，βi。？驻bi/sin？茁=|Ci+1D|/sinαi，由此可得出：

sin？茁i=？驻bisinαi/|Ci+1D|，则：βi=arcsin{-△bisinθBicosθDi+△bisinθDi

cosθB/[△bi2+2△bi|CiD|（cosθBicosθDi+sinθBisinθDi）+|CiD|2]1/2}

通过变参设计计算出四杆机构的变曲率圆弧，其在下半个运动周期仅仅根据自己设计出的变曲率来对机构进行研究，针对结果对原来设计进行适当变动。数学模型的建立，可以有效改善变参设计在四杆机构中设置状况。

针对四杆机构在下半个运动周期中根据自己设计出变曲率圆弧，并且根据相应的设计对于原来的参数进行变动。

例如，已知|BCi+1|、|AB|、|Ci+1D|、αi、βi，求得θAi+1。由于γi=π-（αi+βi），θB1=θDi+1-γi，则可得XCi+1=XD+|Ci+1D|cosθDi+1。可根据式子进行瞬时等效机构对于曲柄位移以及其他参数结构反推。

3 变参四杆机结构的应用

在抽油机设计中常常会使用到变参四杆机结构，主要是从曲柄上来加强平衡使得电动机与减速箱在运动变化中负载趋于一定范围之中均衡。游梁式抽油机设计曲柄的时候，采用的变参数法，其结构存在着很多不同之处，主要是在连杆刚性件换成了挠性件，例如在实际应用中多采用钢丝绳、传动带等部件。游梁式抽油机的后臂将会装上一个供挠性件反复缠绕的变曲率圆弧，这个供挠性件的工作原理和常规的游梁式抽油机存在着很大的相同之处。如图2所示为变参数杆机结构抽油机工作原理图。

图2 变参数杆机结构抽油机工作原理图

游梁式抽油机载荷状况非常特殊，其主要的设计特征为驴头悬点载荷和油井液柱构成了弹性系统。上下行程的载荷变化相当大，通常抽油机的运动特性可以从其动力特性中得以体现，那么在衡量一台抽油机的性能好坏，就必须根据其耗能指标和动力指标来进行评价。抽油机耗能的指标代表了减速箱的有效输出情况，当电动机的有效输出功率减小时，则机械的耗能降低，所以抽油机的能耗也就直接影响其使用成本。

減速箱峰值Mmax最大负扭矩的绝对值等于抽油机动力指标代表参数。若其减速箱峰值过大，将会造成抽油机设计的时候，选用额定扭矩过大或者额定功率过大。若当Mmax过大则会造成抽油机设计过程中的选用额定扭矩较大、减速箱功能较大的电机。但是|-Mmax|过大则会造成减速箱中的工作齿轮出现反向冲击增大，将很大程度上影响减速箱的寿命、严重影响抽油机的工作可靠度。常规游梁式抽油机在设计中若减速箱的最小扭矩不为负，但是若仍然采用参数曲柄摇杆机构的异形游梁式抽油机，其可以有效的避免减速箱出现负工作扭矩。

4 结束语

随着科学技术不断发展，机械生产技术逐渐得到显著革新，传统控制技术以及机械设计理念逐渐被新型创新理念和设计方法所替代。四杆机构在机械生产中尤其是在参数化控制结构之中应用广泛。四杆机构的参数化、模块化、可视化等研究通过不断革新技术，将参数化合理的应用于机械设计制造之中效果显著。

参考文献

[1]徐春涛，廉哲满.基于矫正解的经过预定三位置的四杆机构设计[J].延边大学学报（自然科学版），2012，01：87-91.

[2]周大伟.CATIA草图辅助线及关系曲线在四杆机构设计中的应用[J].沈阳航空航天大学学报，2012，03：52-55.