具有急回特性的平面四桿機構的比較與應用研究

王美蓉

(西安鐵路職業技術學院機電工程系,陜西西安710014)

0 引言

急回特性是具有曲柄的平面四桿機構的重要特性,急回特性能提高機構在非工作行程中的速度,縮短非工作時間,提高工作效率,因此其在工程機械中得到廣泛應用[1]。目前對于各種典型的平面四桿機構的急回特性研究的比較多,但通過對具有急回特性的四桿機構進行比較,從而根據機構的不同特點,選用合適的機構用于工程實踐的研究還不多。本文在對具有急回特性的典型四桿機構特性進行比較的基礎上,總結出不同類型急回四桿機構的優缺點,可供工程機械上的選用提供理論依據。

1 幾種典型四桿機構的急回特性分析

急回特性是指當主動件曲柄做等速轉動時,從動件在兩極限位置間運動的平均速度不同,出現了速度差[2]。從定義可以看出具有急回特性的四桿機構一定具有曲柄,所以下面對幾種具有曲柄的四桿機構進行分析。

1.1 曲柄搖桿機構的急回特性

曲柄搖桿機構分為Ⅰ型、Ⅱ型兩種[3],如圖1所示。當曲柄AB為主動件時,在曲柄AB和搖桿CD共線的兩個位置,搖桿處于兩極限位置C1D和C2D,曲柄和搖桿的運動參數見表1。從表1中可知,在工作行程和空回行程中從動件搖桿擺動的角度均為ψ,弧長為C1C2,因此,空回行程C點的平均速度大于工作行程C點的平均速度,機構具有急回特性。

圖1 曲柄搖桿機構

表1 曲柄搖桿機構的運動參數

1.2 曲柄滑塊機構的急回特性

曲柄滑塊機構分為對心曲柄滑塊機構和偏置曲柄滑塊機構兩種[4],如圖2所示。曲柄滑塊機構的急回特性分析與曲柄搖桿機構相同,在圖2(a)所示的對心曲柄滑塊機構中,當搖桿BC處于兩極限位置時,曲柄AB轉過的角度相同,所用時間相同,滑塊在工作行程和空回行程的速度相同,因此無急回特性;而在圖2(b)所示的偏置曲柄滑塊機構中,當搖桿BC處于兩極限位置時,曲柄AB轉過的角度不同,所用時間不同,滑塊在工作行程和空回行程的速度不同,因此有急回特性。

圖2 曲柄滑塊機構

1.3 擺動導桿機構的急回特性

擺動導桿機構中當曲柄AC做整周轉動時,導桿BC僅能在一定的角度(ψ)范圍內往復擺動,則該機構為擺動導桿機構[5],如圖3所示。在此機構中當曲柄AC做一整周轉動時,導桿BC有兩個極限位置BC1、BC2,在機構運動的過程中,運動參數如表2所示,由于V2大于V1,即搖桿BC在擺回的過程中速度較快,因此,擺動導桿機構具有急回特性。

表2 擺動導桿機構的運動參數

圖3 擺動導桿機構

1.4 雙曲柄機構的急回特性

圖4(a)所示為一雙曲柄機構,AB以ω沿逆時針方向做整周等速轉動時,DC做變速整周轉動,為了分析機構的急回特性首先要找到從動件曲柄DC的兩個極限位置[6]。設主動曲柄AB從初始位置AB0轉過φ1＝180＋θ到AB1位置,從動件曲柄DC從DC0轉過180°到DC1位置,這一過程中所用時間AB繼續從 AB轉過 φ12＝180－θ回到 AB0,此時 DC 從 DC1轉過 180°回到 DC0,這一過程中所用時間,因為 φ>φ,t>121t2,所以V1

2 幾種平面四桿機構的比較及其在工程實踐中的應用

圖4 雙曲柄機構及其極限位置

2.1 幾種平面四桿機構的比較

1)急回特性的比較

從以上分析可以看出,曲柄搖桿機構、偏置曲柄滑塊機構、擺動導桿機構和雙曲柄機構都具有急回特性,能滿足工程上某些機械對急回的要求,同時這四種機構也存在差異,其中前三種機構一旦組成機構的各桿件尺寸確定了,則衡量機構急回特性的參數極位夾角θ和行程速比系數K是固定的,因此機構的急回特性不變。雙曲柄機構中衡量急回特性的參數極位夾角θ和行程速比系數K還與機構主動件起始位置有關,主動曲柄起始位置不同則兩參數不同,機構的急回程度也不同,也就是說雙曲柄機構的急回是可變的。

2)運動轉化的比較

具有急回特性的平面四桿機構主動件都是曲柄,機構運動時主動件繞機架做轉動,連桿一般做平面運動,從動件的運動形式根據機構類型不同有多種形式。曲柄搖桿機構和擺動導桿機構中從動件繞機架做來回擺動,即將主動件曲柄的旋轉運動轉化成從動件的擺動;偏置曲柄滑塊機構中從動件相對于機架做往復直線運動,即將曲柄的旋轉運動轉化成從動件的移動;雙曲柄機構中從動件仍然繞機架做旋轉運動,但將主動曲柄的等速轉動轉化成從動曲柄的變速轉動。

3)傳動角的比較

機構在工作時不僅要傳遞一定的運動,還要傳遞一定的動力,因此在了解這四種機構急回特性的基礎上,還需要進一步分析機構的傳力性能,機構的傳力性能取決于傳動角,傳動角指的是作用在從動件上的驅動力F與該力作用點絕對速度的垂線之間所夾的銳角γ[7]。圖5(a)同時表示曲柄搖桿機構和雙曲柄機構的傳動角,曲柄滑塊機構、擺動導桿機構的傳動角分別見圖5(b)(c)。從圖中不難看出在機構運動的過程中只有擺動導桿機構的傳動角可以保持不變,且為90°,機構的傳動平穩,傳動效率高。其他三種機構的傳動角均做變化,設計選用時要控制最小傳動角,以保證傳動效率。

圖5 四桿機構的傳動角

4)幾種平面四桿機構特性綜合

綜上所述四種具有急回特性的平面四桿機構在急回程度的可變性、運動變化及動力傳遞等方面均有所不同,見表3,在工程上使用時應充分考慮其不同。

表3 平面四桿機構的比較

2.2 幾種平面四桿機構在工程實踐中的應用

在工程實踐中選用機構時不僅要考慮機構的急回特性還要綜合考慮其他特性才能做出適當的選擇,比如牛頭刨床上為了實現刨削運動特性,同時縮短空回行程時間,提高生產效率,使用了擺動導桿機構與搖桿滑塊機構的組合機構,既滿足了工作中對急回的要求,并且傳力性能好、機構所占空間小。在牛頭刨床上沒有使用偏置滑塊機構,主要是因為雖然該機構結構更加簡單,但由于刨刀行程較大,需要有較長的曲柄,這會使得機構所占空間增大,并且隨著急回程度的增加,傳動角將會減小,使機構的傳力性能變差,而沒有使用曲柄搖桿機構和搖桿滑塊機構的組合機構原因也在于此。

3 結語

具有急回特性的平面四桿機構有很多,它們在急回特點、傳力性能及運動變化上有明顯的區別,在工程上選用這些機構時要充分綜合考慮其特點,選擇最佳機構滿足機械設備的性能要求、提高機械效益。

[1]邊巍.平面四桿機構急回特性分析[J].機械工程師,2010,9:52-53.

[2]熊勁松.平面四桿機構急回特性研究[J].自動化應用,2013,7:12-13.

[3]吳明遠,楊挺.具有急回特性曲柄搖桿機構的解析綜合[J].拖拉機與農用運輸機,2008,35(4):68-69.

[4]代禮前,李東和.機械基礎[M].北京:北京郵電大學出版社,2013.

[5]鄧銘瑤.機械基礎及機械實訓[M].北京:中國電力出版社,2011.

[6]劉平安,賴志剛,王丹.雙曲柄機構的急回特性研究[C].第十一屆全國機構學年會暨首屆青年機構學研討會論文集,1998:54-56.

[7]楊光輝,滕弘飛.機構傳動角新定義[J].大連理工大學學報,2010,50(1):67-69.