曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

馬小軍， 王繼忠， 劉丹丹

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽471039）

0 引言

在軸承擺動試驗機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，要求能使內(nèi)徑為20～50 mm的向心球軸承在受純徑向載荷的條件下作擺動試驗，擺動頻率為0～200 min-1（可調(diào)節(jié)），擺角為0°～90°（可調(diào)節(jié)）。本文采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)此擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最為常見的形式之一，而其中的對心型機(jī)構(gòu)又因具有行程速比系數(shù)K=1的特征有特殊的應(yīng)用意義。對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有更多的限制，在傳力性能方面也有自己的特點。

1 擺角90°時曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

由于設(shè)計要求的最大擺角為90°，而擺角太大，相應(yīng)最小傳動角會很小。搖桿機(jī)構(gòu)的傳動角愈大對機(jī)構(gòu)工作愈有利，通常使傳動角γ≥40°。為了使傳動角達(dá)到設(shè)計要求，在搖桿擺角為90°時，采用對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

1.1 各桿長的確定

圖1所示為對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄AB為原動件，搖桿擺角ψ=90°。該機(jī)構(gòu)的幾何特征是，當(dāng)搖桿處于DC1、DC2兩個極限位置時，鉸鏈點C1、C2的連線通過回轉(zhuǎn)中心A，故行程速比系數(shù)K=1。

取曲柄長度為a，其余各桿長度分別為b、c、d，如圖1所示。按曲柄存在和對心型條件，各桿長應(yīng)滿足下列公式：

由圖1可導(dǎo)出對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿擺角ψ僅與曲柄長度a和搖桿長度c的比值有關(guān)，即

綜上所述，各桿長可按下面步驟確定：1）選取曲柄長度 a=60 mm；2）選取機(jī)架長度 d=200 mm（d＞a）；3）取搖桿擺角 ψ=90°，按 ψ=2arcsin（a/c）求得 c=84.853 mm；4）根據(jù)c值，由式（3）知計算出 b＝190.788 mm。

圖1 對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)幾何特征

1.2 最小傳動角分析

當(dāng)機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)時，其傳動角的大小是變化的，將機(jī)構(gòu)運動循環(huán)中的最小傳動角記作γmin，為了保證機(jī)構(gòu)傳動良好，通常使γmin≥40°。γmin必發(fā)生在曲柄與機(jī)架共線位置，如圖2所示。由圖2中的△B1C1D、△B2C2D幾何關(guān)系和機(jī)構(gòu)的對心型條件（3）可導(dǎo)出共線位置傳動角γ1、γ2的計算式。推導(dǎo)的結(jié)果表明，γ1、γ2的計算式具有相同的形式：

由式（5）計算出 γ1=γ2=γmin=42.162°＞40°。

圖2 對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動角分析

2 用圖解法實現(xiàn)搖桿擺角的調(diào)整

在工程實踐中，采用圖解法是一種常用的設(shè)計方法。與解析法相比，圖解法直觀、速度快，但精度低。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與計算機(jī)繪圖的普及及應(yīng)用，使得高精度快速的圖解法設(shè)計成為現(xiàn)實。

如前所述，當(dāng)搖桿擺角為90°時的對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿擺角ψ僅與曲柄長度a和搖桿長度c的比值有關(guān)，有 ψ=2arcsin（a/c）。

現(xiàn)根據(jù)需要，搖桿擺角要從0°～90°可調(diào)節(jié)，在此采用了調(diào)節(jié)曲柄長度來達(dá)到調(diào)解搖桿擺角的目的。

現(xiàn)在電子圖版下用圖解法求搖桿擺角與曲柄長度關(guān)系。任取曲柄長度a′（a′＜a）,其余各桿的長度仍為b，c，d。如圖3所示。作圖如下：

1）以A點為圓心，以a′為半徑作圓。

4）連接 DC1′、DC2′，則∠C1′DC2′即為曲柄長度為 a′時的搖桿擺角。

圖3 搖桿擺角和曲柄半徑關(guān)系

應(yīng)當(dāng)說明的是，此時的機(jī)構(gòu)不是對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，僅是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)論

采用對心型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)試驗機(jī)構(gòu)的設(shè)計擺角，并可通過調(diào)整曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄的長度來實現(xiàn)對擺角大小的控制。

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