對于克服平面四桿機構死點位置的方法研究

陳杰(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110000)

厲杰(沈陽理工大學機械工程學院，山東 日照 276800)

對于克服平面四桿機構死點位置的方法研究

陳杰(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110000)

厲杰(沈陽理工大學機械工程學院，山東 日照 276800)

平面連桿機構是在相互平行的平面內若干個剛性構件通過低副連接而成的運動機構。因此平面連桿機構也被稱為平面低副機構。[1]平面連桿機構由于具有能夠實現運動形式的轉換，實現預定運動規律和曲線軌跡以及形狀簡單，制造方便等顯著的特點，被運用到人們生活中的各種機械中，為人們提供了不少便利。

平面連桿機構；死點位置；搖桿；主動

1 平面四桿機構

1.1 平面四桿機構的基本形式

最簡單的平面連桿機構是兩桿機構，因為他只有一個運動構件，因此不能進行運動的轉換作用。平面連桿機構的最基本的形式是平面四桿機構，即平面四桿機構。這也是最常見的形式，同時也是組成多桿機構的基礎。

1.2 平面四桿機構的判別

平面四桿機構的基本特性有運動特性和傳力特性。這些特性反映了機構傳遞和變換運動與力的性能

1.2.1 整轉副存在的條件

（1）由格拉曉夫準則及判別式:最長桿和最短桿的和小于等于其他兩桿的和。

（2）連架桿或機架之一為最短桿，其中機架鄰桿最短為曲柄搖桿機構，這里主要討論曲柄搖桿機構的死點位置，其他不再敘述。

1.3 曲柄搖桿機構的急回特性

搖桿在兩極限位置間的夾角成為搖桿的擺角。由于搖桿來回擺動的擺角相同，但對應的曲柄轉角不同；當曲柄主動勻速轉動時，其對應的時間也不同，從而反映了搖桿往復擺動的快慢不同。快的行程就是空回行程，慢的就是空回行程；這種急回特性縮短了非生產時間，提高了生產率。

1.4 壓力角和傳動角

壓力角就是從動件上的驅動力F與該力作用點絕對速度V之間的夾角（銳角）。

傳動角就是連桿與從動搖桿之間所夾銳角，也就是壓力角F的余角。所以可得出壓力角和傳動角成反比關系，即：壓力角越小，傳動角越大，傳力性能越好，效率越高。由于曲柄轉角的變化范圍是0-180度，傳動角是銳角，所以曲柄搖桿機構的最小傳動角必然出現在曲柄與機架共線的位置。

2 死點位置

以曲柄連桿機構為研究對象，轉換主動件，使搖桿作為原動件，曲柄為從動件，當搖桿擺到兩個極限位置時，連桿和曲柄共線，從動件曲柄傳動角為0（壓力角為90度）。這一瞬間連桿加給從動件曲柄的力經過曲柄中心，這個力不能對曲柄中心產生力矩，正因為如此，曲柄不能轉動。

3 克服點位置的方法研究

3.1 反急回特性方法

作往復運動（往復擺動或移動）的構件，其往復運動區間的兩個極端位置為極限位置。工程實際中往往要求機器中作往復運動的的從動件在工作行程時速度慢點，而在空回行程時快點，以縮短輔助時間，提高生產效率，這種特性就是急回特性。

在平面四桿機構（曲柄搖桿機構）中，以曲柄為主動件，則不會出現死點位置，同一機構以搖桿為主動件時會出現死點位置；因此，可以利用急回特性的特點，在死點位置附近施加不同的速度，使得構件在慣性力的作用下成功越過死點位置。

3.2 死點位置轉移法

3.2.1 改變連桿形狀

由于曲柄搖桿機構中，以搖桿為主動件時，機構的死點位置處傳動角為0，壓力角為90度；壓力角和傳動角互為余角，所以只要改變壓力角，（即速度方向和作用力的方向夾角）就可以改變壓力角，也隨之改變了傳動角；只要傳動角不是0度，那么死點位置就可以克服了。可以將連桿變成曲線桿，但保持曲柄搖桿機構結構不變。在原始死點位置處死點位置的傳動角不再是0度。所以死點位置就克服了。

3.2.2 改變曲柄形狀

在曲柄搖桿機構中，可以將曲柄換成曲線桿，當搖桿主動時，曲柄從動時，在搖桿的極限位置上存在死點位置，因此，可以將曲柄換成曲線桿時，原死點位置的壓力角發生變化，傳動角也因此發生變化。所以，原死點位置不再是死點位置，死點位置不在搖桿極限位置，所以死點位置可以克服。

3.3 輔助從動曲炳法

在死點位置處，從動曲柄不能繼續轉動，運動不確定，所以可以考慮為曲柄在死點位置處添加一個動力，輔助曲柄越過死點位置，所以，我考慮使用棘輪機構，在曲柄鉸鏈中心處安裝一個同軸轉動的棘輪，棘齒焊接在搖桿處，當搖桿到達極限位置時，棘齒正好和棘輪接觸，使棘輪越過死點位置，然后棘齒和棘輪脫離，所以死點位置就可以超越。

還有就是可以在搖桿的軸向鏈接兩個同向的曲線桿，使得他們在要搖桿極限位置時恰好幫助曲柄越過傳動角為0度的位置。之后脫離曲柄，不影響原機構的運動狀態。

3.4 其他方法

除了上述方法以外，還可以采用其他方法來完成這個工作。

3.4.1 電磁控制法

可以在曲柄鉸鏈中心處，安裝一個電動機，控制閥安裝在搖桿的極限位置處，在搖桿到達極限位置處，觸發控制開關，電動機轉動帶動曲柄轉動。

3.4.2 四桿機構聯動法

在平行四桿機構中，利用兩組柄滑塊機構相互錯開90度（或其他不為零度的角度），互相幫助越過死點位置。如火車的車輪結構就是利用這種方式。或是采用兩個曲柄搖桿機構互相錯開一定角度。同時轉動互相幫助。

還有就是在曲柄處安裝一個飛輪，在死點位置處，通過飛輪的慣性幫助機構越過死點位置。縫紉機腳踏板驅動機構就是利用下帶輪的慣性來渡過死點位置的。

4 結語

本論文主要研究了平面四桿機構，搖桿主動時，對于克服死點位置的方法研究，方法結合現代設計技術和機械設計的創新方法論，對渡過死點位置的方法進行了研究。收獲頗豐。

[1]楊可幀主編 機械設計基礎高等教育出版社第五版.

[2]孫志禮等主編機械設計 科學出版社第一版.

陳杰（1990-），男，籍貫：甘肅平涼；專業：機械設計制造及其自動化；院校：沈陽理工大學；

厲杰（1993-），男；籍貫：山東省日照市開發區；專業：工業工程；院校：沈陽理工大學機械工程學院。

在平面連桿機構的研究中有一個運動瓶頸，那就是死點位置，由于死點位置的運動不確定性，使得一些比較精密的機器在運轉時出現不確定性。因此，覺得有必要研究一下克服死點位置的方法，為一些機器改良做一些鋪墊。