平面連桿機(jī)構(gòu)基本特性的教學(xué)解析*

曾亮華

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 廣東珠海 519085

平面連桿機(jī)構(gòu)基本特性的教學(xué)解析*

曾亮華

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 廣東珠海 519085

根據(jù)課堂實際，用簡潔直觀的語言總結(jié)整轉(zhuǎn)副和曲柄存在條件，并以偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，列表格直觀地分析急回特性且做了相關(guān)解析和探討。同時針對學(xué)生提出的問題，用數(shù)學(xué)解析方法加以證明。指出：在偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄處于豎直位置時，取得最小傳動角γmin。最后對死點位置進(jìn)行歸納總結(jié)。

連桿機(jī)構(gòu)；整轉(zhuǎn)副；急回特性；最小傳動角

Author’s address Zhuhai Col lege of Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Guangdong, China 519085

1 前言

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)是（近）機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)課程，它是學(xué)生以后從事機(jī)械相關(guān)行業(yè)工作的基礎(chǔ)，因此，該課程顯得非常重要。學(xué)生亦十分重視這門課程，但是原理性的內(nèi)容學(xué)生聽起來顯得相對枯燥。除了利用現(xiàn)代的教學(xué)手段和方法外（諸如動畫等），教師把知識點講深講透，用最普通的語言去解析相關(guān)原理，注重邏輯推理過程，方能吸引學(xué)生，調(diào)動學(xué)生的積極性。該課程中的平面連桿機(jī)構(gòu)在工程實際中應(yīng)用十分廣泛，像內(nèi)燃機(jī)、汽車轉(zhuǎn)向裝置、公交車門關(guān)門裝置等，掌握其基本特性對于后續(xù)設(shè)計和分析平面連桿機(jī)構(gòu)具有很大的幫助作用?；诖?，筆者根據(jù)自身課堂情況，對平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性進(jìn)行相關(guān)教學(xué)解析和證明，力爭為本課程的教學(xué)提供一定的參考和幫助。

2 整轉(zhuǎn)副條件總結(jié)

連桿機(jī)構(gòu)中，如何判定機(jī)構(gòu)中是否存在曲柄或者搖桿是設(shè)計的基礎(chǔ)。通常教材上以鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，通過運動過程中的特點和平面幾何關(guān)系來推理。為了證明整轉(zhuǎn)副存在條件，可以采用兩種證明方法：1）當(dāng)搖桿處于兩極限位置時，曲柄與連桿共線，所構(gòu)成的三角形需滿足三角形的兩邊之和大于第三邊；2）利用曲柄與機(jī)架處于共線時，四根桿所構(gòu)成的三角形，同樣利用三角形的兩邊之和大于第三邊條件。教材上的總結(jié)較為深奧，筆者對其進(jìn)行總結(jié)得出整轉(zhuǎn)副存在條件為：1）桿長條件，最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿之和；2）整轉(zhuǎn)副一定出現(xiàn)在最短桿的兩端。

根據(jù)定義，曲柄=整轉(zhuǎn)副+連架桿。所以依此得到曲柄存在條件：1）桿長條件；2）最短桿是機(jī)架或連架桿。

3 急回特性解析與討論

急回特性是指機(jī)構(gòu)在運動過程中空回行程的速度比工作行程大的現(xiàn)象，這有利于縮短非加工時間，進(jìn)而提高加工效率。牛頭刨床、往復(fù)式輸送機(jī)等都利用此特性。常見的機(jī)構(gòu)中具有急回特性的有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等?，F(xiàn)以偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（示意圖如圖1所示）為例，列表講述其急回特性。

設(shè)曲柄AB順時針勻角速度ω轉(zhuǎn)動，圖中C1、C2表示滑塊的兩極限位置，最大行程為S。從圖1注意到，當(dāng)滑塊處于兩極限位置時，曲柄AB與連桿BC兩次共線。在講述急回特性前首先需要掌握幾個基本概念。

極位：滑塊處于左右兩極限位置。

極位夾角：曲柄與連桿兩次共線時，曲柄之間的銳角夾角，如圖1中的θ。

工作行程：按照曲柄的轉(zhuǎn)動方向，定義曲柄由AB2轉(zhuǎn)到AB1時，機(jī)構(gòu)動作實現(xiàn)加工。

圖1 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

表1 工作行程與空回行程時間對比關(guān)系表

空回行程：按照曲柄的轉(zhuǎn)動方向，定義曲柄由AB1轉(zhuǎn)到AB2時，機(jī)構(gòu)復(fù)位（并不進(jìn)行加工），只為下一次加工做準(zhǔn)備。

工作行程與空回行程的所需時間對比關(guān)系見表1。很顯然，從表1可以看出，當(dāng)θ＞0時，t1＞t2，V1＜V2。亦即空回行程的速度大于工作行程，這就是連桿機(jī)構(gòu)的急回特性。通常用行程速比變化系數(shù)K來衡量急回特性，定義從中可反求在設(shè)計連桿機(jī)構(gòu)時常涉及反求極位夾角θ。

存在一種特殊情況，當(dāng)θ=0時，K=1，t1=t2，V1=V2，表示空回行程的速度與工作行程相等，所以此時機(jī)構(gòu)不存在急回特性，如對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

4 壓力角與傳動角討論

傳動角是衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞，一般教材上以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例推導(dǎo)出傳動角的極值出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架共線的位置。筆者在課堂上課時，有學(xué)生積極思考，提出問題：對于偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，最小傳動角會出現(xiàn)在什么位置？

根據(jù)定義，壓力角是指作用于從動件上的力與絕對速度的夾角，且壓力角的余角即為傳動角。現(xiàn)對如圖2所示的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，已知偏距DE=e，曲柄長度AB=l1，連桿長度BC=l2。

圖2 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動角

由于從動件滑塊的速度始終是沿水平方向，且連桿給滑塊的力沿著連桿BC方向，因此根據(jù)定義可作出機(jī)構(gòu)在該瞬時位置時的壓力角α和傳動角γ，如圖2所示。從圖2中發(fā)現(xiàn)，壓力角是力與水平方向的銳角夾角，傳動角則是力與豎直方向的銳角夾角。因此要使γ最小，則壓力角最大，也即連桿作用于滑塊的力F盡量向豎直方向傾斜，也即B點的位置盡可能地高?；诖?，猜想當(dāng)B點運動到圖2中的B3時，壓力角最大（傳動角最?。?。

證明：過B點作導(dǎo)路的垂線BE，垂足為E點。過A點作導(dǎo)路的平行線交直線BE于D點。顯然DE=e。設(shè)曲柄AB與導(dǎo)路方向（即水平方向）的夾角為φ。

在△BCE中，根據(jù)對頂角的定義，∠BCE=α。

BE=l2*sinα①

BE=BD+DE=BD+e ②

在△ABD中，BD=l1*sinφ③

聯(lián)解方程①②③得，l1*sinφ+e=l2*sinα

即sinα=l1*sinφ/l2+e/l2

顯然，在曲柄、連桿和偏距一定的情況下，當(dāng)j=90°時，壓力角α取到最大值，也即此時的傳動角最小。

從而得證。

參照圖2，易知對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動角取得極值的位置，當(dāng)曲柄與機(jī)架共線時，壓力角等于0°，此時的傳動角最大為90°。

5 死點位置總結(jié)

教材上以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例分析死點位置，當(dāng)取搖桿為主動件（而不是以曲柄為主動件，對此，學(xué)生往往沒太注意），當(dāng)主動件搖桿處于兩極限位置時，連桿與曲柄共線，此時連桿給從動件曲柄的力通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心，因此不能產(chǎn)生力矩作用，從而此時曲柄不能轉(zhuǎn)動。這種現(xiàn)象被稱為死點。此時的壓力角等于90°，傳動角等于0°。在實際工程中，死點有時在某種程度上是有利的，像飛機(jī)起落架、夾緊裝置等；有時死點又是不利的，由于作用力不產(chǎn)生力矩作用，所以往往需要利用慣性等來沖過此死點，整個機(jī)構(gòu)才能連續(xù)規(guī)律動作。

6 總結(jié)

針對平面連桿機(jī)構(gòu)的基本特性用樸實的語言進(jìn)行全面解析和總結(jié)，用圖表代替文字推導(dǎo)，顯得十分直觀簡便，增強(qiáng)課堂的邏輯性。以教材以外的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為藍(lán)本，論述其急回特性，并用數(shù)學(xué)方法證明其最小傳動角位置出現(xiàn)在曲柄處于豎直位置的時候，同時舉一反三，對對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動角極值位置進(jìn)行總結(jié)。最后對死點位置進(jìn)行論述和歸納。

[1]楊可楨,程光蘊(yùn),李仲生.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].5版.北京:高等教育出版社,2009.

Teaching Analysis of Basic Characteristics of Planar Linkage Mechanism//

Zeng Lianghua

According to the classroom practice, this paper concludes the existing condition of whole turn vice and crank with simple and intuitionistic language, and visual ly analyzes the quick-return characteristics with l isting as sl ider-crank mechanism for example, meanwhi le does some parsing and discussions. Mathematical analysis methods are used to solve students’ question. It points out that when the crank is in the upright position the of fset sl ider-crank mechanism achieves the minimum t ransmission angle. Final ly, it summarizes the location of dead point.

planar l inkage mechanism; whole turn vice; quick-return character istics; minimum t ransmission angle

G642.4

B

1671-489X(2012)21-0071-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.071

?項目資助：北京理工大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)械工程及自動化特色專業(yè)建設(shè)項目。

作者：曾亮華，助教，碩士研究生，研究方向為塑性成形及快速成形技術(shù)。