平面四桿機構急回特性的討論及應用

程引正

(武威職業學院，甘肅武威 733000)

1 引言

急回特性是平面四桿機構基本特性之一，急回運動的程度一般用行程速度變化系數K來比較。筆者主要從平面四桿機構的急回原理、表示方法、判斷條件、以及急回特性在工程機械上應用等方面，結合具體事例加以初步研究和討論，以便合理地進行機構設計和使用。

2 平面四桿機構急回特性的分析［1］

圖1所示為曲柄搖桿機構，當曲柄AB為原動件作等速回轉時，搖桿CD為從動件作往復變速擺動，曲柄AB在回轉一周的過程中有兩次與連桿BC共線，此時搖桿CD分別處于C1D和C2D兩個極限位置。搖桿CD在兩個極限位置的夾角ψ稱為擺角，曲柄AB與連桿BC兩次共線位置之間所夾銳角θ稱為極位夾角。

圖1 曲柄搖桿機構1.曲柄 2.連桿 3.搖桿 4.機架

當曲柄AB順時針以等角速度ω從AB1轉到AB2時，轉過角度 φ1=180°+θ，搖桿 CD從左極限位置C1D擺動到右極限位置C2D，即轉過擺角ψ，此行程若做功，則稱為工作行程，其所需時間為 t1，即t1=(180°+θ)/ω，即 C 點的平均速度 v1=C1C2/t1;

當曲柄AB繼續順時針從AB2位置轉到AB1時，轉過角度 φ2=180°-θ，搖桿 CD從 C2D又擺回到C1D，此行程若不做功，則稱為空回行程，其所需要時間為t2，即t2=(180°-θ)/ω，C 點的平均速度為 v2，即v2=C1C2/t2。

顯然 φ1＞φ2，于是 t1＞t2，故 v2＞v1，由此可知，當曲柄等速回轉時，搖桿往返擺動的速度不同，在擺回來時有較大的角速度，表明機構具有急回運動特性。

3 平面四桿機構急回特性的表示［2］

機構的急回特性可以用行程速度變化系數K來表達:

由上式可知，行程速度變化系數K與極位夾角θ的有關，θ越大，K越大，急回運動的性質也越顯著，機構的傳動平穩性下降。

由式(1)可得極位夾角:

由于0°≤θ≤90°，所以 1≤K≤3，上述公式限制了平面四桿機構的急回特性，其設計方法僅適用于K≤3的機構。

在設計具有急回性質的平面四桿機構時，通常根據工作需要選定K值，由式(2)可以計算出極位夾角θ，然后再確定各構件的尺寸。

4 平面四杠桿機構急回特性的判斷［3］

(1)判斷機構有無急回特性，關鍵是機構中哪個構件為主動件。從圖1機構位置分析可以看出，對于曲柄搖桿機構而言，當曲柄為原動件時，曲柄AB在回轉一周的過程中有兩次與連桿BC共線，搖桿CD分別處于C1D和C2D兩個極限位置，存在急回特性;當以搖桿為主動件時，曲柄與連桿雖然有兩次共線位置，不會出現急回特性，但是，會出現死點位置，應設法消除死點問題。

(2)機構的急回特性與行程速度變化系數K有關。由式(1)可知，極位夾角θ越大，行程速度變化系數K值越大，急回特性愈明顯，生產效率愈高。

(3)鉸鏈四桿機構有無急回運動特性取決于該機構有無極位夾角θ。當極位夾角θ=0°時，行程速度變化系數K=1，說明機構沒有急回特性。

如圖2所示的對心曲柄滑塊機構，偏心距е=0時，θ=0°，K=1，該機構沒有急回特性。

圖2 對心曲柄滑塊機構

綜上所述，對于同一機構，選擇不同連架桿作為原動件，則機構有無急回特性情況就不一樣，關鍵問題在平面四桿機構中，只有曲柄AB作為原動件時搖桿CD才有急回特性。具有急回特性的機構，除了曲柄搖桿機構外，還有偏置曲柄滑塊機構(如圖3所示，е≠0時，θ≠0°，K＞1)和擺動導桿機構(如圖4 所示)等。

圖3 偏置曲柄滑塊機構

圖4 擺動導桿機構

5 平面四桿機構急回特性的應用［4］

圖4所示的擺動導桿機構，就是牛頭刨床的主運動機構利用平面四桿機構急回特性工作的典型事例，將慢行程作為工作行程，快行程作為空回行程，既能保證工件質量，又能節省動力，縮短非生產時間，提高生產效率。

運動原理:當曲柄AB繞A點等角速度ω轉動時，擺桿BC以C為基點來回擺動。在曲柄AB轉動一整周的過程中，搖桿 BC分別有兩個極限位置B1C、B2C。此時機構的極位夾角等于擺角，即θ=ψ。當曲柄AB順時針等角速度ω從AB1轉到AB2時，轉過角度φ1=180°+θ，搖桿BC從左極限位置B1C擺動到右極限位置B2C，擺過角度為ψ，此行程為工作行程，其所需時間為 t1，即 t1=(180°+θ)/ω，B 點的平均速度v1;當曲柄AB繼續順時針從AB2位置轉到AB1時，轉過角度 φ2=180°-θ，搖桿 BC從 B2C又擺回到B1C，擺過角度仍為ψ，此行程為空回行程，其所需要時間為 t2，即 t2=(180°+θ)/ω B點的平均速度為v2。

顯然 φ1＞φ2，于是 t1＞t2，故 v2＞v1，表明搖桿在擺回過程中速度快，牛頭刨床的主運動機構具有急回運動特性。

6 結語

通過上述分析，在平面四桿機構中，曲柄搖桿機構、偏置曲柄滑塊機構、擺動導桿機構具有急回特性，而且急回特性的程度是固定不變的，對心曲柄滑塊機構則無急回特性。

只有系統地分析和研究平面四桿機構的急回特性，才能加深對機構基本特性的理解和掌握，提高我們運用平面四桿機構急回特性的能力，來縮短機械運行時的空載行程時間，以提高生產率。

［1］ 陳立德.機械設計基礎［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 羅玉福，王少巖.機械設計基礎［M］.大連:大連理工大學出版社，2008.

［3］ 黃錫愷.機械原理［M］.第6版.北京:高等教育出版社，1989.

［4］ 邊 巍.平面四桿機構急回特性分析［J］.機械工程師，2010(9):52-53.