四桿機構“死點”位置及其應用的再探討

2013-08-16 07:42:54郭平

鍛壓裝備與制造技術 2013年5期

郭平

（西安鐵路職業技術學院機電工程系，陜西西安 710014）

0 引言[1]

“死點”問題是平面四桿機構的基本特性之一，它與構件的運動和受力等情況密切相關。如果機構中出現“死點”位置問題，將出現整個機構“卡死”的現象，而且從動桿件轉動方向也不能確定，對傳動不利，應該加以排除。本文主要從平面四桿機構“死點”的定義、位置的判斷，“死點”位置的排除以及“死點”位置在工程機械上的應用等幾個方面，結合實際加以初步研究和討論。

1 機構“死點”位置分析

1.1 機構“死點”的定義[2]

圖1 機構死點

圖1所示的曲柄搖桿機構ABCD，如不考慮各構件的重量和摩擦力，則連桿BC為二力桿。當搖桿CD為主動件，在曲柄與連桿共線位置AB1C1D、AB2C2D中，主動件搖桿CD通過連桿BC作用于從動件曲柄AB上的力正好通過轉軸中心A，此時源于連桿的驅動力對從動件曲柄AB的轉動力矩為零，不論連桿BC對曲柄AB施加多大的作用力，都不能使AB桿轉動，整個機構處于靜止狀態，且轉動方向也不能確定。也就是說，曲柄AB在回轉一周的過程中，有兩次與連桿BC共線，此時傳動角r=0，壓力角θ=90。搖桿CD分別處在兩個極限位置：C1D、C2D，此時位置稱為機構的“死點”。

1.2 幾種狀態下的“死點”位置[3]

設：曲柄 AB=a，連桿 BC=b，搖桿 CD=c，機架AD=d。圖2a中，連桿BC為最長桿，則曲柄搖桿機構ABCD存在的條件是：a+b≤c+d，搖桿CD為主動件，則兩個“死點”位置為AB1C1D、AB3C3D；圖 2b 中，機架AD為最長桿，則曲柄搖桿機構ABCD存在的條件是：a+d≤b+c，搖桿CD為主動件，則兩個“死點”位置為AB1C1D、AB3C3D；圖2c中，搖桿CD為最長桿，則曲柄搖桿機構ABCD存在的條件是：a+c≤b+d，搖桿CD為主動件，則兩個“死點”位置為AB1C1D、AB3C3D；圖2d中，搖桿CD為最長桿且搖桿CD和機架AD等長即c=d，則曲柄搖桿機構ABCD存在的條件是：a+c≤b+d，搖桿CD為主動件，則兩個“死點”位置為AB1C1D、AB3C3D。

圖2 幾種狀態下的死點位置

1.3 機構“死點”位置的判斷

（1）從動件與連桿是否共線（從動件與連桿的位置是否重合）：如圖2所示幾種狀態下的“死點”位置可以看出，對于曲柄搖桿機構而言，若曲柄為主動件時，搖桿CD與連桿BC無共線位置，不會出現死點；當以搖桿為主動件時，曲柄AB與連桿BC有兩次共線位置，將會出現“死點”。

（2）用力矩判斷：如在曲柄搖桿機構中，當搖桿主動而曲柄處于和連桿成一條直線的兩個極限位置時，連桿傳給曲柄的力不能產生使曲柄回轉的力矩。

綜上所述，對于同一機構，選擇不同連架桿作為主動件，其機構有無死點位置的情況將會不一樣，關鍵問題是根據從動件是否與連桿共線（或位置重合）來判定。

1.4 機構“死點”與機構“極位”和“自鎖”的區別[4]

機構“死點”和機構“極位”實際上是機構的同一位置，不同的是機構的主動件不一樣。當從動件與連桿共線時為“死點”，機構在“死點”時，不論驅動力多大，都不能使機構起動。但如因沖擊、振動等原因使機構離開“死點”而可繼續運動時，從動件的運動方向卻是不確定的，既可能正轉也可能反轉，故機構的“死點”位置也是機構運動的轉折點，而當主動件與連桿共線時則為極位，在極位附近，由于從動件的速度接近于零，故可獲得很大的增力效果。

所謂機構“自鎖”，是指有些機構就其結構情況分析自由度大于零，因此只要加上足夠大的驅動力，按理就能夠沿著有效驅動力作用的方向運動，而實際上由于摩擦的存在，卻會出現無論該驅動力如何增大，即使增大到無窮大，也無法使它運動。這種現象稱機構的“自鎖”。機構之所以出現“自鎖”，是由于機構中存在著摩擦。而機構處于“死點”位置時，即使不存在摩擦，機構也不能運動，這是機構“死點”與機構自鎖之間的本質區別。

2 機構“死點”的排除與利用

2.1 機構“死點”位置的排除方法[5]

圖3 縫紉機的踏板機構

在工程上，為了使機構能夠順利通過“死點”而正常運轉，必須采用適當的措施，如發動機上安裝飛輪以加大慣性力，家用縫紉機（圖3所示）的踏板機構上采用較大的帶輪作為曲柄，利用帶輪的慣性使機構渡過死點，或利用機構的組合錯開死點位置。當一個機構處于“死點”位置時，可借助另一機構來越過死點位置。例如機車車輪的聯動裝置，圖4所示蒸汽機車車輪聯動機構，就是采用兩組相同機構錯開一定的角度布置，使兩組機構的死點位置相互錯開，當一個機構處于“死點”位置時，可借助于另一個機構越過“死點”，從而使曲軸獲得有效的驅動力，不會使車輪“卡死”。

圖4 蒸汽機車車輪聯動機構

2.2 “死點”位置在實踐中的應用[6]

2.2.1 飛機起落架

飛機起落架如圖5所示，就是利用“死點”位置使飛機降落安全可靠。飛機起落架機構是雙搖桿機構，通過主動搖桿DE可使輪子在飛機降落時放下，剛好是死點位置（BD桿與DE桿共線），巨大的著陸反力不會使主動搖桿DE轉動，以便于飛機安全著陸；起飛后在搖桿DE的擺動下，使輪子收起，以減小空氣阻力。

2.2.2 折疊家具

圖6所示折疊桌的撐起位置就是四桿機構ABCD的“死點”位置，折疊桌收合位置就是四桿機構ABCD機架、連架桿、連桿的共線位置。

圖5 飛機起落架機構

圖6 折疊桌折疊機構

圖7 電氣設備開關的分合閘機構

2.2.3 電氣設備開關的分合閘機構

電氣設備開關的分合閘機構應用的是鉸鏈四連桿機構“死點”位置合閘的原理，確保設備運行的安全可靠。圖7所示為原理圖，合閘時機構處于死點位置，此時觸頭結合力Q和彈簧力F對構件CD產生的力矩無論多大，也不能推動構件AB轉動而分閘；當超負荷需要分閘時，通過控制裝置（圖中未表示）產生較小的力來推動構件AB使機構離開死點位置，構件CD便能轉動從而達到分閘的目的。如圖7中虛線所示。

2.2.4 在傘中的應用

圖8所示，傘的撐合機構是一個擺動導桿機構，撐起的位置就是機構的“死點”位置。

2.2.5 在夾緊器械中的應用[7]

（1）垂直式夾具垂直式夾具應用的是鉸鏈四連桿機構的原理，如圖9所示。夾緊狀態下即機構“死點”位置。

（2）杠桿式夾緊鉗

杠桿式夾緊鉗應用的是鉸鏈四連桿機構的原理，如圖10所示。當AB與BC處于同一直線時，夾緊鉗就處于“死點”位置，此時將手把松開，所夾的東西依然處在夾緊狀態。通過調整螺釘可改變張開的大小，從而使夾緊鉗處于“死點”位置。