靠自身助力实现状态转换的四连杆机构的设计

朱家洪，杨加春，祝 鸣，杨 铖，李广伟

(1.零八一电子集团 四川红轮机械有限公司，四川 广元 628003；2.中国人民解放军驻广元地区军代室，四川 广元 628000)

靠自身助力实现状态转换的四连杆机构的设计

朱家洪1*，杨加春1，祝 鸣1，杨 铖1，李广伟2

(1.零八一电子集团 四川红轮机械有限公司，四川 广元 628003；2.中国人民解放军驻广元地区军代室，四川 广元 628000)

为简化传动机构的运动过程，减少机构运动时对外力的依赖，介绍一种靠四连杆某一枢轴自身产生的能量助力该机构实现状态转换的设计方法。通过在四连杆机构的一个枢轴内布置弹性扭杆，控制机构状态转换时扭杆的弹性势能存储与释放使之为机构的运动趋方向提供运动能，达到省力的目的。经过大量实践证明此技术可以普及到诸多机构状态转换的场合。

四连杆机构；状态转换；顶盖开合机构；扭杆

目前，在许多机构设备上均用到状态转换机构。如公交车双开门的平行四边形机构、送料机的连杆机构、小型汽车的天窗开启机构等。能自动实现状态转换的机构有一个共同点，就是需要提供气动、液压、电动等动力源。如果设计一种在状态转换过程中自我驱动的机构，将有助于机构运动过程的能源节省，由机构自身提供的运动能可减小外力驱动的配置，大大提高机构的可靠性。本文设计了一种靠机构自身助力实现状态转换的四连杆机构。

1 机构运动原理分析

以某装备的顶盖开合机构(如图1所示)设计为例。其原理是在连杆机构其中一个铰接点设计一个轴向的弹性扭转杆。连杆机构恢复运动所需的动能正好来自扭转杆转动时的弹性势能[1-2]。顶盖开合的四连杆机构运动学过程分析如图2所示，其中：①为扭杆处于中性层位置时，四连杆机构所处状态；②为顶盖闭合时，四连杆机构所处状态；③为顶盖翻转到位时，四连杆机构所处状态。

图1 顶盖开合机构示意图

图2 四连杆机构运动学分析

顶盖开合机构动力学过程分析分别如图3所示，其中：①为扭杆机构处于中性层位置时，四连杆机构所处状态；②→①→③在四连杆机构上施以外力P，此时顶盖在P及扭杆弹性扭矩M的作用下打开到状态③；③→①→②在四连杆机构上施以外力(一人站在地面单手作用力)P′，此时，顶盖在P′及扭杆弹性扭矩M′的作用下关闭至状态②。如果此处不加装扭杆，翻转顶盖就需要两人同时双手向上推，且需配备操作台为人员提供安全保障。

图3 四连杆机构动力学分析

2 扭杆设计

2.1 扭杆的工作状况

扭杆中性轴线与水平面呈81°夹角，顶盖关闭时，扭杆扭转-81°；顶盖开启时，扭杆扭转+81°。

2.2 扭杆参数的选定

根据机构使用条件，选定扭杆参数如图4所示。

图4 扭杆尺寸图

2.3 扭杆强度计算

为保证顶盖能正常开闭到位，扭杆需转±81°。此状态下扭杆不应断裂，两端花键不应破裂。这就要求扭杆有足够的刚度与强度，按等强度设计的两端花键，其强度不得低于扭杆部位的强度。

1)扭杆的最大工作扭矩

当扭杆扭转±81°时扭杆的工作扭矩达到最大，即：

(1)

其中：φmax为扭杆最大工作转角；G=78 000 MPa，为扭杆的剪切弹性模量；Ip=π·d4mm4，为扭杆的极惯性矩；L为扭杆的有效工作长度。将扭杆参数代入得：Tmax≈380 Nm。

2)扭杆的安全使用条件

设扭杆的允许转角为[φ]，扭杆的允许扭矩为[T]，小端花键的允许扭矩[M小]，大端花键的允许扭矩[M大]。

则扭杆的安全使用条件为：φmax≤[φ]；Tmax≤[T]；Tmax≤[M小]，Tmax≤[M大][4]。

3)扭杆的允许转角[φ]和允许扭矩[T]

扭杆的[φ]和[T]都随扭杆热处理硬度的增大而增大。一般扭杆弹簧热处理硬度在50 HRC左右。考虑到扭杆的工作幅度较大，选定扭杆硬度范围为42～45 HRC。根据50CrVA钢回火温度与机械性能的关系(如表1所示)查得：当回火温度为400 ℃时，扭杆的硬度为45 HRC，Ip=930 MPa。由于顶盖开关由人工手动操作，扭杆扭转速度慢，无冲击载荷，故取安全系数为1.3，则得扭杆的允许剪切力为：[τ]=720 MPa。计算可得：

表1 50CrVA钢回火温度与机械性能的关系

2.4 扭杆两端花键的允许转矩

按GB 3478.1—2008《圆柱直齿渐开线花键(米制模数 齿侧配合)第1部分：总论》[5]确定扭杆两端花键采用直齿渐开线花键，相关参数为：大端花键：Z大=32，m大=1，压力角45°，精度等级6h，花键齿工作长度L1=25 mm；小端花键：Z小=36，m小=1，压力角45°，精度等级6，花键齿工作长度L2=22 mm。

1)确定花键的允许比压[P]

花键的[P]与花键的加工和使用情况有关。花键的表面光洁度和加工尺寸精度都能提高[P]。另外，扭杆在工作过程中花键始终处于齿合状态，花键齿面间无轴向移动，属于静连接[6]。按静连接类的中等加工使用情况，查机械加工手册，选定花键的允许比压为：[P]=100 MPa。

2)求花键的允许转矩[M大]、[M小]

(2)

式中：f=0.8，为载荷不均匀系数；Z为花键齿数；l为花键齿工作长度；Dm=df=m·z，为花键的平均直径等于分度圆直径；m1为花键齿的模数；h=0.8m1，为花键齿工作高度。

将相关参数代入式(2)得：

[M大]=820 Nm；[M小]=680 Nm。

2.5 扭杆设计小结

1)扭杆的允许转角大于扭杆的最大工作转角，即[φ]=122.7°>φmax=81°。

2)扭杆的允许转矩大于扭杆的最大工作转矩，即[T]=580 Nm>Tmax=380 Nm。

3)扭杆两端花键的允许转矩大于扭杆的最大工作转矩，即：

[M大]=820 Nm>Tmax=380 Nm；

[M小]=680 Nm>Tmax=380 Nm。

说明扭杆设计符合顶盖翻转工况使用要求。

3 结语

综上所述，靠自身助力实现状态转换的四连杆机构设计时主要是巧妙地运用了扭杆设计。在机构中嵌入扭杆后顶盖翻转时机构的自身的力平衡效能较高，所需外力较小。在实际工作中，已成功运用于多套装备上。

[1] 徐灏,邱宣怀,蔡春源.机械设计手册:第4卷[M].2版.北京:机械工业出版社,2000:32-89.

[2] 徐灏,严隽琪,汪恺.机械设计手册:第1卷[M].2版.北京:机械工业出版社,2000:3-1000.

[3] 董均果,王景,杨家斌.实用材料手册[M].北京:冶金工业出版社,2000:4-120.

[4] 赵明生,单平,朱梦周.机械工程师手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2003:5-317.

[5] 全国机器轴与附件标准化技术委员会.圆柱直齿渐开线花键(米制模数 齿侧配合)第1部分:总论:GB 3478.1—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[6] 汪恺.机械工业基础标准应用手册[M].北京:机械工业出版社,2001:3-431.

A State Under Their Own Power to Realize the Transformation of the Design for Four Bar Linkage

ZHUJiahong1*,YANGJiachun1,ZHUMing1,YANGCheng1,LIGuangwei2

(1.The 081 Electronics Group, Sichuan Red Round Machinery Co. LTD, Guangyuan 628003, China;2.The Military Representative Office of People’s Liberation Army in the Guangyuan Area,Guangyuan 628000,China)

Four bar mechanical linkage in engineering practice is widely used as a kind of mechanical principle. In this paper, a design is introduced by which the state transition is achieved using a four connecting rod through a pivot. And its purpose is to simplify the transmission mechanism motion process. At the same time, it reduces the dependence on external force mechanism motion. It arranges elastic torsion bar to control mechanism. When the state transition starts, it releases torsion bar elastic potential energy storage and movement. This energy provides the organization movement towards the direction of movement and the goal of energy saving is achieved.

four bar linkage ；state transition ； lid opening and closing mechanism；torsion bar

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.04.010

2015-06-22

朱家洪(1976— )，男(汉族)，四川西充人，高级工程师，研究方向：特种车辆改装，机械加工，通信作者邮箱：honglun@vip.163.com。 杨加春(1978— )，男(汉族)，四川荣县人，工程师，研究方向：特种车辆改装，机械加工。

TH13

A

2095-5383(2015)04-0031-03