新型四桿機構設計

袁紫運

摘 要：由于常規的四桿機結構存在著一些參數上的問題，造成了其在使用性能以及使用功能上難以發揮出全力。隨著機械自動化生產要求日益變高，對于四桿結構要求也將變得越來越高，文章針對新型四桿機結構設計進行研究，從參數設計、模型分析實現對常規四桿機結構改造與研究。

關鍵詞：四桿機結構；參數設計；動力學特性

隨著我國自動化技術研究不斷深入，對于四桿機結構的設計與研究變得更加廣泛，但是在控制參數方面卻存在著嚴重的不足。即使不斷優化結構參數，也僅能夠確保在部分的時間內四桿機結構具有良好的控制特性，其他時間段內則可能出現失控問題，因此文章基于對四桿機結構參數設置控制進行分析和研究，提出了相應的四桿機結構改進措施。

1 四桿機結構設計研究發展現狀

參數設計作為四桿機構設計重要思想，其在設計中屬于一種新興的CAD設計方法。設計過程中可以實現對生產產品進行全生命周期計算輔助設計，可以有效的促進產品的革新速度。然后通過用戶友好界面來改善結構參數，以便完成四桿機結構的參數設計[1]。參數化設計在繪圖、機械裝配、圖庫參數生產等均可以實現參數化，建立起相應的參數化圖庫。隨著先進機械產品生產技術的引進，對于檢測設備、設計方法等要求更高，從根本上提升了機械設備的生產能力。傳統的設計還存在著計算、結構優化、工程繪圖等操作，在實際的參數化的時候，必須要將幾何圖形元素精確坐標尺寸。

實際生產制造過程中由于產品之間存在著很多相同、相似的零部件，設計時通過修改已經擁有的圖形來實現參數化設計。但是傳統的設計繪圖系統之中，缺乏相應的參數設計功能，而且在進行圖形尺寸處理的時候，往往還會引起圖形發生很大的變化。很多不同的產品模型進行設計和造型，都無法支持產品相應的設計工作，使得產品的設計費用變得相對較高，設計的時間相對較長，不能夠實現快速現代化市場需求。采用參數化模型，不斷調整參數使得幾何形狀、參數控制等來實現產品的精確造型，新型的四桿機結構與傳統的設計造型進行比較，其最大的不同之處就是在于產品的精確制造。參數化設計其主要使得工程設計人員在不考慮相應的考慮細節的時候，能盡快設計出草擬零件圖[2]。

2 變參數四桿機結構設計步驟

變參數四桿機結構在設計的時候常常是對四桿機結構初始狀態內的變曲率圓弧設計。對于四桿機結構初始狀態進行變曲率圓弧設計，主要是對四桿機結構的角位置、初始桿長等運動參數進行設計。因此在設計的時候可以將四桿機結構變參數設計問題進行分化求解設計。

2.1 確定四桿機結構初始狀態

設計四桿機結構初始狀態的時候，如圖1所示就是確定圖中θA1的大小，AD與AB的桿長。

圖 1 四桿機結構初始設計

沿著連桿的初始方向的角位置為θB1進行搜索，得出了|BC1|并且據此計算出|C1D|，搜索的時候必須要滿足相應的瞬時動力指標，并且根據此計算出微分N多邊形上的起點C1。曲柄AB旋轉角度為△θA（θA+1，N-1），計算出BCi的角度位置θBi，則沿著BCi方向向前搜索△bi。計算瞬時等效四桿機構（AB，BCi+1，Ci+1，DA），根據等效四桿機構作為研究計算對象，使得曲柄AB旋轉微小角度△θA則可以求得αi+1以及（AB，BCi+2，Ci+2，DA）。當曲柄AB繞著BCi轉動180°時，可以求得瞬時的應力Ci=CA。

設計參數四桿機構的模型時，最為關鍵的是找出變曲率圓弧、撓性件的運動周期內切點變化情況。然后根據變參數機構的各個運動機構和運動學分析，將瞬時連續與漸變瞬時等效機制聯系起來。

2.2 數學模型設計

從第i個設計瞬時四桿機構參數向著第i+1個瞬時四桿機構參數過渡的時候進行計算。例如，已知θAi、θBi、θDi、|AB|、|BCi|、|CiD|、△bi，計算得出|BCi+1|、|Ci+1D|、αi，βi。？駐bi/sin？茁=|Ci+1D|/sinαi，由此可得出：

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

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

通過變參設計計算出四桿機構的變曲率圓弧，其在下半個運動周期僅僅根據自己設計出的變曲率來對機構進行研究，針對結果對原來設計進行適當變動。數學模型的建立，可以有效改善變參設計在四桿機構中設置狀況。

針對四桿機構在下半個運動周期中根據自己設計出變曲率圓弧，并且根據相應的設計對于原來的參數進行變動。

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，則可得XCi+1=XD+|Ci+1D|cosθDi+1。可根據式子進行瞬時等效機構對于曲柄位移以及其他參數結構反推。

3 變參四桿機結構的應用

在抽油機設計中常常會使用到變參四桿機結構，主要是從曲柄上來加強平衡使得電動機與減速箱在運動變化中負載趨于一定范圍之中均衡。游梁式抽油機設計曲柄的時候，采用的變參數法，其結構存在著很多不同之處，主要是在連桿剛性件換成了撓性件，例如在實際應用中多采用鋼絲繩、傳動帶等部件。游梁式抽油機的后臂將會裝上一個供撓性件反復纏繞的變曲率圓弧，這個供撓性件的工作原理和常規的游梁式抽油機存在著很大的相同之處。如圖2所示為變參數桿機結構抽油機工作原理圖。

圖2 變參數桿機結構抽油機工作原理圖

游梁式抽油機載荷狀況非常特殊，其主要的設計特征為驢頭懸點載荷和油井液柱構成了彈性系統。上下行程的載荷變化相當大，通常抽油機的運動特性可以從其動力特性中得以體現，那么在衡量一臺抽油機的性能好壞，就必須根據其耗能指標和動力指標來進行評價。抽油機耗能的指標代表了減速箱的有效輸出情況，當電動機的有效輸出功率減小時，則機械的耗能降低，所以抽油機的能耗也就直接影響其使用成本。

減速箱峰值Mmax最大負扭矩的絕對值等于抽油機動力指標代表參數。若其減速箱峰值過大，將會造成抽油機設計的時候，選用額定扭矩過大或者額定功率過大。若當Mmax過大則會造成抽油機設計過程中的選用額定扭矩較大、減速箱功能較大的電機。但是|-Mmax|過大則會造成減速箱中的工作齒輪出現反向沖擊增大，將很大程度上影響減速箱的壽命、嚴重影響抽油機的工作可靠度。常規游梁式抽油機在設計中若減速箱的最小扭矩不為負，但是若仍然采用參數曲柄搖桿機構的異形游梁式抽油機，其可以有效的避免減速箱出現負工作扭矩。

4 結束語

隨著科學技術不斷發展，機械生產技術逐漸得到顯著革新，傳統控制技術以及機械設計理念逐漸被新型創新理念和設計方法所替代。四桿機構在機械生產中尤其是在參數化控制結構之中應用廣泛。四桿機構的參數化、模塊化、可視化等研究通過不斷革新技術，將參數化合理的應用于機械設計制造之中效果顯著。

參考文獻

[1]徐春濤，廉哲滿.基于矯正解的經過預定三位置的四桿機構設計[J].延邊大學學報（自然科學版），2012，01：87-91.

[2]周大偉.CATIA草圖輔助線及關系曲線在四桿機構設計中的應用[J].沈陽航空航天大學學報，2012，03：52-55.