无急回运动特性的曲柄摇杆机构的设计

齐晓霞

（湄洲湾职业技术学院 机械工程系，福建 莆田 351254）

0 引言

曲柄摇杆机构是铰链四杆机构的基本类型之一，在工程中具有广泛的应用前景。急回特性是铰链四杆机构的一个重要特性，可以缩短非生产时间，提高生产率。但是随着机械行业的发展，出现了许多在去程和回程都是工作行程的设备，如空调的摆风机构、电风扇的摇头机构、有株距要求的播种机机构等。因此，对无急回特性的曲柄摇杆机构的研究也变得非常有意义和有价值。

1 曲柄摇杆机构无急回运动特性的条件

连杆机构有无急回运动特性，完全取决于极位夹角θ。当极位夹角θ＝0°时，行程速度变化系数K＝1，机构没有急回运动特性。

在曲柄摇杆机构ABCD中，设曲柄AB为主动件，BC为连架杆，摇杆CD为从动件，AD为机架；各杆件的长度分别为AB＝a、BC＝b、CD＝c、AD＝d，摇杆CD的摆角为φ。机构无急回特性时，极位夹角θ＝0°，即CD处于两极限位置时，AB1C1和AB2C2共线，如图1所示。

图1 θ＝0°时的曲柄摇杆机构的极限位置

由图1中的几何关系可知：

作DE⊥C1C2，则有：

由式（1）、式（2）可知，无急回运动特性的曲柄摇杆机构存在的条件是：①连杆和摇杆的平方和等于曲柄和机架的平方和；②曲柄的长度a等于摇杆长度c和1/2摆角即φ/2的乘积；③最短杆与最长杆的长度和小于等于其余两杆的长度和。

2 无急回运动特性的曲柄摇杆机构的特点

无急回运动特性的曲柄摇杆机构的特点如下：（1）曲柄摇杆机构在某一瞬间会出现铰链中心A、B、C、D位于同一个圆上的情况，如图2所示。

图2 机构四杆长度间的关系

（2）当摇杆处于两个极限位置时，A、B1、B2、C1、C2共线。

3 用图解法设计无急回特性的曲柄摇杆机构

在给定行程速比系数K＝1，摆角φ和任意两杆长度时，设计平面曲柄摇杆机构的实质就是确定铰链中心A的位置。

3.1 已知摆角φ、曲柄长度a和摇杆长度c的设计

首先根据给定尺寸大小确定作图比例μ1。如图3所示，任选固定铰链中心D的位置，由摇杆长度c和摆角φ作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D。延长连线C2C1并在其上任选一点A作为铰链中心，以A为圆心，a为半径画圆，与C2C1的交点即为铰链中心B的两个极限位置B1、B2。连接AD两点即得机构杆长为：b＝μ1×AB1，d＝μ1×AD。

由于铰链中心A是任意选的，只要在C1C2连线上即可，故有无穷多解，必须给出辅助条件，才能得出确定的解。

3.2 已知摆角φ、连杆长度b和摇杆长度c的设计

如图4所示，连接C2C1并作其垂直平分线得交点E，由式（1）可知曲柄长度a＝C1E，μ1＝C2E，μ1。以C1为圆心，（b－a）/μ1为半径画弧，与C2C1的交点即为铰链中心A的位置。连接AD即得机架长度d。

3.3 已知摆角φ、曲柄长度a和连杆长度b的设计

如图 5 所 示，作C1C2＝2a/μ1，过C1C2作∠C1C2D＝∠C2C1D＝90°－φ/2，交点即为铰链中心D的位置。以C1为圆心，（b－a）/μ1为半径画弧，与C2C1的交点即为铰链中心A的位置。连接AD即得机构各构件长度。

图3 已知摆角φ、曲柄长度a和摇杆长度c的设计简图

图4 已知摆角φ、连杆长度b和摇杆长度c的设计简图

图5 已知摆角φ、曲柄长度a和连杆长度b的设计简图

4 结论

按照给定摆角φ和任意两杆长度，依据无急回特性曲柄摇杆机构的特性就可以确定其余各杆的长度，这种方法使得设计的曲柄摇杆机构具有合理的结构尺寸，而且使设计过程更加简单、灵活。

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