四杆机构的创新设计研究

赵瑞朝

摘 要：连杆机构尤其是平面四杆机构常被应用于各种机械来实现已知轨迹的运动。由于死点位置的运动不确定性，使得一些比较精密的及其在运转时出现不确定性，因此有必要研究克服死点位置的方法。若想优化四杆机构的运动形式、进行创新设计，需要对其机构以及运动特性进行分析。

关键词：平面四杆机构 死点位置 创新设计研究

一、引言

平面连杆机构由于具有能够实现运动形式的转换，实现预定运动规律和曲线轨迹以及形状简单，制造方便等显著的特点，被运用到人们生活中的各种机械中，以实现已知轨迹的运动。它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。

二、四杆机构分析

2.1、曲柄摇杆机构

曲柄摇杆机构为四杆机构中的基本机构，可将曲柄摇杆机构分为Ⅰ型曲柄摇杆机构和Ⅱ型曲柄摇杆机构。

（1）Ⅰ型曲柄摇杆机构，AB=l1，BC=l2，CD=l3，AD=l4。AB1C1D和AB2C2D分别处于两种位置。其主要特征是摇杆慢行程摆动方向与曲柄转向相同，结构上A、D两点位于C2C2连线异侧，且构件尺寸为。

（2）Ⅱ型曲柄摇杆机构，其机构特征为摇杆的慢行程与曲柄的转向相反。结构上A、D两点位于连线同侧，且构件尺寸为。二者在结构上的差异也决定了功能的不同。

2.2、曲柄滑块机构

（1）对心曲柄滑块机构的分析

曲柄长为r，质量为m1，质心在曲柄中心处，连杆长度为L，质量为m2，质心距离曲柄末端为L1。曲柄与气缸轴线夹角为φ，连杆与气缸夹角为θ。设曲柄为匀速轉动。角速度为ω。滑块质量为m3，滑块最远，距离曲柄中心距离为x1。设滑块在此处位移为0，向左运动为正，设在某一时刻滑块位移为x。则滑块运动位移

x=x1-x2=L+r-（rcosφ+Lcosθ）（1）

（2）偏心曲柄滑块机构的分析

偏心距为e。

用相同的方法求得滑块位移

x=+rcosφ （2）

2.3、双曲柄机构

双曲柄机构按2个曲柄的长度关系.可分为等长双曲柄机构和不等长双曲柄机构。其中等长双曲柄机构较简单.在四杆共线时传动角为0，处于死点位置。不等长双曲柄机构传动角变化较多，具有急回特性。

三、死点位置及利用

3.1、位置

（1）曲柄摇杆机构死点位置

若曲柄摇杆机构以摇杆为主动件，而曲柄为从动件，当机构摇杆处于极限位置，连杆与曲柄共线，机构的这两个位置即为死点位置，死点数2个。若曲柄摇杆机构以曲柄为主动件，而摇杆为从动件，机构一般情况下连杆与摇杆不会出现共线，也就无死点位置即死点数为0。但有一种特别情况，当最短杆与最长杆的长度之和等于另外两杆长度之和时，以最短杆作连架杆时，机构为曲柄摇杆机构，该机构若以曲柄为主动件，根据最长杆的位置变化机构有1或2个死点位置；若以摇杆为主动件时，此曲柄摇杆机构将有3或4个死点位置。

（2）曲柄滑块机构死点位置

若曲柄滑块机构以滑块为主动件，而曲柄为从动件，当机构滑块处于两个极限位置，连杆与曲柄共线，机构的这两个位置即为死点位置，死点数2个。若曲柄滑块机构以曲柄为主动件，而滑块为从动件，机构运动中滑块受的作用力方向与运动方向不可能垂直，无死点位置即死点数0。

（3）双曲柄机构死点位置

双曲柄机构在运动中从动件与连杆一般没有共线位置故双曲柄机构死点数为0。但也有一种特别情况例外，平行双曲柄机构，此机构从动件CD与连杆BC有两个共线位置即有2个死点。

3.2、克服死点位置的方法

（1）反急回特性方法

在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件，则不会出现死点位置。同一机构以摇杆为主动件时会出现死点位置。因此可以利用急回特性的特点，在死点位置附近施加不同的速度，使得机构在惯性力的作用下成功越过死点位置。

（2）死点位置转移法

由于曲柄摇杆机构中，以摇杆为主动件时，死点位置处传动角为0，压力角为90°，压力角和传动角互为余角，所以只要改变压力角，也随之改变了传动角。只要传动角不为0，那么死点位置就可以克服。可

（3）辅助从动曲柄法

在死点位置处，从动曲柄不能继续转动，运动不确定，所以可以考虑为曲柄在死点位置处添加一个动力，辅助曲柄越过死点位置。

四、四杆机构的演化

四杆机构主要包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种基本形式，除此之外在机械装置中还广泛采用着其他的四杆机构。各种机构的外形虽然不相同，但运用演化原理对它们的设计和分析却是相似的。四杆机构的演化原理主要包括以下四种形式：

（1）改变构件的形状和运动尺寸，将曲柄摇杆机构的连架杆变成滑块演变为曲柄滑块机构。

（2）改变运动副的尺寸，将曲柄滑块机构的曲柄变成偏心轮演化为偏心轮滑块机构。

（3）选用不同的构件为机架，选用曲柄摇杆机构的曲柄为机架演化为双曲柄机构。

（4）运动副元素的逆换，将摆动导杆机构的移动副的构件进行逆换演变为曲柄摇块机构。

五、总结

通过此次阅读关于四杆机构的研究的文献，了解到了各种四杆机构的基本形式，以及死点存在的位置及解决的方法，并学习到了如何利用死点位置，应用于实际生活中。同时也知道了各种机构的外形虽然不相同，但运用演化原理对它们的设计和分析却是相似的。

参考文献：

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