曲柄搖桿機構的應用

馬小軍， 王繼忠， 劉丹丹

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽471039）

0 引言

在軸承擺動試驗機構的設計中，要求能使內徑為20～50 mm的向心球軸承在受純徑向載荷的條件下作擺動試驗，擺動頻率為0～200 min-1（可調節(jié)），擺角為0°～90°（可調節(jié)）。本文采用鉸鏈四桿機構中的對心型曲柄搖桿機構來實現(xiàn)此擺動機構的設計。

曲柄搖桿機構是鉸鏈四桿機構中最為常見的形式之一，而其中的對心型機構又因具有行程速比系數(shù)K=1的特征有特殊的應用意義。對心型曲柄搖桿機構有更多的限制，在傳力性能方面也有自己的特點。

1 擺角90°時曲柄搖桿機構的設計

由于設計要求的最大擺角為90°，而擺角太大，相應最小傳動角會很小。搖桿機構的傳動角愈大對機構工作愈有利，通常使傳動角γ≥40°。為了使傳動角達到設計要求，在搖桿擺角為90°時，采用對心型曲柄搖桿機構。

1.1 各桿長的確定

圖1所示為對心型曲柄搖桿機構。曲柄AB為原動件，搖桿擺角ψ=90°。該機構的幾何特征是，當搖桿處于DC1、DC2兩個極限位置時，鉸鏈點C1、C2的連線通過回轉中心A，故行程速比系數(shù)K=1。

取曲柄長度為a，其余各桿長度分別為b、c、d，如圖1所示。按曲柄存在和對心型條件，各桿長應滿足下列公式：

由圖1可導出對心型曲柄搖桿機構中搖桿擺角ψ僅與曲柄長度a和搖桿長度c的比值有關，即

綜上所述，各桿長可按下面步驟確定：1）選取曲柄長度 a=60 mm；2）選取機架長度 d=200 mm（d＞a）；3）取搖桿擺角 ψ=90°，按 ψ=2arcsin（a/c）求得 c=84.853 mm；4）根據(jù)c值，由式（3）知計算出 b＝190.788 mm。

圖1 對心型曲柄搖桿機構幾何特征

1.2 最小傳動角分析

當機構運轉時，其傳動角的大小是變化的，將機構運動循環(huán)中的最小傳動角記作γmin，為了保證機構傳動良好，通常使γmin≥40°。γmin必發(fā)生在曲柄與機架共線位置，如圖2所示。由圖2中的△B1C1D、△B2C2D幾何關系和機構的對心型條件（3）可導出共線位置傳動角γ1、γ2的計算式。推導的結果表明，γ1、γ2的計算式具有相同的形式：

由式（5）計算出 γ1=γ2=γmin=42.162°＞40°。

圖2 對心型曲柄搖桿機構最小傳動角分析

2 用圖解法實現(xiàn)搖桿擺角的調整

在工程實踐中，采用圖解法是一種常用的設計方法。與解析法相比，圖解法直觀、速度快，但精度低。隨著計算機技術的發(fā)展與計算機繪圖的普及及應用，使得高精度快速的圖解法設計成為現(xiàn)實。

如前所述，當搖桿擺角為90°時的對心型曲柄搖桿機構中搖桿擺角ψ僅與曲柄長度a和搖桿長度c的比值有關，有 ψ=2arcsin（a/c）。

現(xiàn)根據(jù)需要，搖桿擺角要從0°～90°可調節(jié)，在此采用了調節(jié)曲柄長度來達到調解搖桿擺角的目的。

現(xiàn)在電子圖版下用圖解法求搖桿擺角與曲柄長度關系。任取曲柄長度a′（a′＜a）,其余各桿的長度仍為b，c，d。如圖3所示。作圖如下：

1）以A點為圓心，以a′為半徑作圓。

4）連接 DC1′、DC2′，則∠C1′DC2′即為曲柄長度為 a′時的搖桿擺角。

圖3 搖桿擺角和曲柄半徑關系

應當說明的是，此時的機構不是對心型曲柄搖桿機構，僅是曲柄搖桿機構。

3 結論

采用對心型曲柄搖桿機構可以實現(xiàn)試驗機構的設計擺角，并可通過調整曲柄搖桿機構曲柄的長度來實現(xiàn)對擺角大小的控制。

［1］ 陳立德.機械設計基礎［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［2］ 鄒蕙君，張春林，李杞儀.機械原理［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 楊世偉.曲柄搖桿機構設計的解釋方法［J］.機械設計與制造，2006（4）：34-35.

［4］ 葛樂通.按行程速比系數(shù)設計曲柄搖桿機構的研究［J］.機械設計，2007，24（11）：40-42.

［5］ 張世民.機械原理［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1983：89-100.

［6］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［7］ 侯慕英，汪平，田野.按許用傳動角綜合對心型曲柄搖桿機構［J］.機械設計，1997（2）：20-23.

［8］ 韋光華.按 γmin≥［γ］設計對心型曲柄搖桿機構的圖表方法［J］.工程設計學報，2004，11（2）：96-98.

［9］ 盧治珍.對鉸鏈四桿機構極位夾角定義問題的探討［J］.機械設計與制造，2005(8)：86-87.

［10］ 孫桓，傅則紹.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，1996.