基于平面四連桿機構的垃圾桶桶蓋開合設計

朱恩旭 張磊 周飛宇 王磊 唐政坤 唐珊

摘要：針對智能垃圾桶桶蓋自動開合的需求，基于平面四連桿機構中的曲柄搖桿機構，設計了能夠滿足動作需求的機械運動系統。所設計系統簡單可靠，能夠滿足桶蓋末端件的運動形式，提高了垃圾桶的自動化程度，為推動智能社區管理、垃圾分類提供了助力。

關鍵詞 平面四連桿 曲柄搖桿 桶蓋開合

0引言

近年隨著我國經濟社會的發展，城鎮化進程不斷加快，垃圾處理問題變得日益突出。據統計，我國城市生活垃圾清運量已從1979年的2508萬噸增至2017年的20546.8萬噸，并且還在以每年接近10%的強勁速度增長，每年因垃圾處理帶來的經濟損失高達300億人民幣。統計數字觸目驚心！為了走出“垃圾圍城”的困境，人們開始認真應對垃圾處理問題。進行垃圾分類是行之有效的處理途徑之一，而智能化的垃圾桶則是進行垃圾分類的助推器。扔對垃圾，從垃圾桶設計開始。本文即是基于平面四連桿機構，提出一種可以電動開合桶蓋的垃圾桶設計方案，為實施垃圾分類大數據管理、垃圾筒物聯、智能社區管理奠定基礎。

1桶蓋開合原理設計

1.1設計要求

如圖1中雙點劃線所示為市面通用的一種垃圾桶外形示意圖。使用垃圾桶時，需要人力掀開垃圾桶的桶蓋進行垃圾投擲。由于采用人力開啟桶蓋，不便于進行垃圾投擲者識別、垃圾投擲量稱重等數據統計，且垃圾分類完全依靠人的主觀自覺性，不便于進行提醒和監督。為推進智能社區管理，將垃圾桶設計為電動開合式，投擲垃圾流程為：垃圾投擲者采用外部觸發（人臉識別、刷卡掃碼等）打開垃圾桶進行垃圾投擲，控制器借此記錄所有垃圾投擲信息并發送給控制中心。此過程中，要求垃圾桶在接收到有效觸發指令后，桶蓋打開 角;垃圾投擲完畢后，桶蓋關閉 角。因此，開合角度 為基本設計參數。

1.2基于平面四連桿機構的開合設計

欲使桶蓋開合 角，首先考慮將 視為四連桿機構擺桿的擺角。然而，由于垃圾桶經常要被拖運和傾倒垃圾，故不宜直接將桶蓋作為擺桿;因此圖1中E點所在的鉸鏈轉動副不能作為四連桿的機架， 角也不能作為擺桿擺角。基于這種考慮，四連桿驅動的開合機構需要獨立垃圾桶存在。考慮在垃圾桶后設置立柱用于安置四連桿機構，如圖1所示。

由于桶蓋合上的情形，即水平位置是桶蓋的一個極限位置，故將此位置作為擺桿的極限位置，在F1E的延長線上設計一轉動鉸鏈副D;D鉸鏈安裝在立柱（機架）上，如圖1（a）所示。C1點的確定要考慮立柱的尺寸，DC1桿為四連桿擺桿初始設計長度，記為c。考慮桶蓋的另一極限位置，即將桶蓋打開 角，采用作圖法，作出如圖1（b）所示圖形。此極限位置與桶蓋水平極限位置所夾角 滿足設計要求 角， 角為所設計四連桿機構擺角。

由圖1（a）和圖1（b），擺桿的極限位置已經確定。由四連桿機構運行規律，所設計四連桿機構是一曲柄搖桿機構，擺桿的極限位置分別出現在曲柄和連桿拉直共線和重疊共線的位置。由作圖法可以確定A點和B1、B2點位置，如圖1（a） 和1（b）所示。此時，各桿件尺寸應滿足四連桿的桿長和條件：即最短桿與最長桿之和不大于其它兩構件長度之和。為了保證A鉸鏈副為整轉副，a設計為最短桿。

以上即完成了基于平面四連桿機構的垃圾桶桶蓋開合設計。考慮DF2長，即e為一定長，桶蓋在開合過程中，F點要沿桶蓋在F1F2區間滑動，故F點應設計為滑動副。

2結語

平面四連桿機構可實現末端件的多種運動形式和運動規律，具有運動副單位面積受壓小、便于潤滑，設計過程簡潔等優點，因此在機械設計上得到了廣泛應用。本文所進行的垃圾桶桶蓋開合運動設計就是基于平面四連桿機構中的曲柄搖桿機構完成的，設計簡潔實用，可以在垃圾分類、智能社區管理中推廣使用。

基金項目：大學生實踐創新訓練計劃項目（項目編號：xcx2018108）。

作者簡介：朱恩旭（1997.4-）男，漢族，江蘇連云港人，在讀本科生;通訊作者：張磊（1978.12-）男，漢族，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向：精密機械質量控制。

參考文獻

[1] 吳越.扔對垃圾，從垃圾桶設計開始[N].解放日報，2019-04-01（009）.

[2] 周克春.常州市區生活垃圾分類治理問題研究[D].南京：南京理工大學，2018.