淺析鉸鏈四桿機構的演化

王蕓

摘要:基于教學的實踐,本文針對大學生學習《機械設計基礎》課程之鉸鏈四桿機構的演化時存在的一些模糊概念,以及理解較為困難的演化方法等此類問題,實事求是的對演化過程進行了詳實的分析,總結出一些有效的學習方法和分析此類問題的技巧,從而提高該課程的教學質量和學生的學習效率。

關鍵詞:機構曲柄搖桿演化運動特性

中圖分類號:TH122 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0122-02

在各種機床和實際生產中廣泛應用著各種四桿機構,這些機構雖然具有不同的外形和構造,但都具有相同的運動特性,只要運動特性不變,機構中構件的形狀可以有好多種,而這些機構都可以看作是從鉸鏈四桿機構演化而來的,下面通過分類介紹平面四桿機構的演化方法與過程。

簡單而言,鉸鏈四桿機構的演化過程可以全部總結為下列兩種。

1 改變構件的形狀和尺寸,同時擴大轉動副,使轉動副變成移動副

1.1 曲柄搖桿機構演化曲柄滑塊機構

如圖1a)所示曲柄搖桿機構中,假定桿1為曲柄,桿3為搖桿,根據演化方法把桿3作成滑塊(結構變化),D點的轉動副擴大,桿4與機架相連,可轉化成環形槽,如圖1b)所示,演化之后3構件仍然以D為圓心做圓周擺動,2、3構件的相對運動未發生變化,3、4構件間的運動副類型也未發生變化,即機構的運動特性不變。由于稈3在環形槽的一部分中運動,因此,可將環形槽的多余部分出去,如圖1c)所示。如果再將槽的半徑增加到無窮大,轉動副D的中心移到無窮遠處,則環形槽變成了直槽,此時轉動副變成了移動副,如圖1d)所示,機構演化成偏置曲柄滑塊機構,e為偏置距,當e=0,稱為對心曲柄滑塊機構。

1.2 曲柄滑塊機構演化偏心輪機構

如圖2所示曲柄滑塊機構,假定桿1長度為L1,當曲柄較短時,如圖2a)所示,往往由于工藝,結構強度等方面的要求,將轉動副B的曲柄銷半徑逐漸擴大,如圖2b)所示,直到超過曲柄長度L1,如圖2c)所示,使曲柄成為繞A點轉動的偏心輪(運動副尺寸變化),由于偏心輪的幾何中心B與其回轉中心A的偏心距e等于曲柄長度L1,所以該機構各構件間的相對運動與曲柄滑塊機構沒有差別運動特性未發生變化。這種機構工程上用的較多,主要是因為此機構減少了曲柄的驅動力,增加了轉動副的尺寸,提高了曲柄的強度和剛度,廣泛應用于沖壓機構,破碎機等承受較大沖擊載荷的機械中。

2 改變機架

2.1 曲柄搖桿機構中取不同的構件為機架,可以得到不同的演化類型

如圖3a)所示,假定為曲柄搖桿機構,其中1構件為曲柄,3構件為搖桿,曲柄1相鄰的轉角度α和β可達360°,即滿足圓周轉動的條件,而搖桿3相鄰的轉角θ和δ均小于360°,不滿足整周轉動的條件。

據此,若以桿4或桿2為機架,其相鄰轉角分別為α和δ、β和θ,此時可得到曲柄搖桿機構(圖3a、c);若以桿1為機架,其相鄰轉角為α和β,故得到雙曲柄機構(圖3b);若以桿3為機架其相鄰轉角為δ和θ,此時可得到雙搖桿機構(圖3d)。

2.2 曲柄滑塊機構中取不同的構件為機架,同樣得到不同的類型

同理,對于曲柄滑塊機構來說,選取不同的機構為機架也可以的到不同形式的機構。如圖4a)所示,假定是以構件4為機架的曲柄滑塊機構,當以構件1為機架時,可得到導桿機構(圖4b),桿4為導桿,當桿2的長度L2＞L1時,構件2和構件4均能作整周轉動,稱為轉動導桿機構,小型刨床是它的應用實例。當桿2的長度L2＜L1時,導桿4只能作來回擺動,稱為擺動導桿機構。當以構件2為機架時,可演化成曲柄搖塊機構(圖4c),插齒機中的驅動機構是它的應用實例。當以構件3為機架時,可演化成移動導桿機構(圖4d),這種機構常應用于手搖唧筒中。

以上的演化方法及過程全面有效,如果采取一些針對性的教法,使得整個演化過程變得重點突出且具體,那么教育教學質量的提高就會顯著！

參考文獻

[1] 張建中.機械設計基礎.徐州:中國礦業大學出版社,2006.1.

[2] 楊可楨,程光蘊,李仲生.機械設計基礎.北京:高等教育出版社,2006.5.

[3] 劉躍南.機械基礎.北京:高等教育出版社,2010.6.