对于克服平面四杆机构死点位置的方法研究

陈杰(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110000)

厉杰(沈阳理工大学机械工程学院，山东 日照 276800)

对于克服平面四杆机构死点位置的方法研究

陈杰(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110000)

厉杰(沈阳理工大学机械工程学院，山东 日照 276800)

平面连杆机构是在相互平行的平面内若干个刚性构件通过低副连接而成的运动机构。因此平面连杆机构也被称为平面低副机构。[1]平面连杆机构由于具有能够实现运动形式的转换，实现预定运动规律和曲线轨迹以及形状简单，制造方便等显著的特点，被运用到人们生活中的各种机械中，为人们提供了不少便利。

平面连杆机构；死点位置；摇杆；主动

1 平面四杆机构

1.1 平面四杆机构的基本形式

最简单的平面连杆机构是两杆机构，因为他只有一个运动构件，因此不能进行运动的转换作用。平面连杆机构的最基本的形式是平面四杆机构，即平面四杆机构。这也是最常见的形式，同时也是组成多杆机构的基础。

1.2 平面四杆机构的判别

平面四杆机构的基本特性有运动特性和传力特性。这些特性反映了机构传递和变换运动与力的性能

1.2.1 整转副存在的条件

（1）由格拉晓夫准则及判别式:最长杆和最短杆的和小于等于其他两杆的和。

（2）连架杆或机架之一为最短杆，其中机架邻杆最短为曲柄摇杆机构，这里主要讨论曲柄摇杆机构的死点位置，其他不再叙述。

1.3 曲柄摇杆机构的急回特性

摇杆在两极限位置间的夹角成为摇杆的摆角。由于摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角不同；当曲柄主动匀速转动时，其对应的时间也不同，从而反映了摇杆往复摆动的快慢不同。快的行程就是空回行程，慢的就是空回行程；这种急回特性缩短了非生产时间，提高了生产率。

1.4 压力角和传动角

压力角就是从动件上的驱动力F与该力作用点绝对速度V之间的夹角（锐角）。

传动角就是连杆与从动摇杆之间所夹锐角，也就是压力角F的余角。所以可得出压力角和传动角成反比关系，即：压力角越小，传动角越大，传力性能越好，效率越高。由于曲柄转角的变化范围是0-180度，传动角是锐角，所以曲柄摇杆机构的最小传动角必然出现在曲柄与机架共线的位置。

2 死点位置

以曲柄连杆机构为研究对象，转换主动件，使摇杆作为原动件，曲柄为从动件，当摇杆摆到两个极限位置时，连杆和曲柄共线，从动件曲柄传动角为0（压力角为90度）。这一瞬间连杆加给从动件曲柄的力经过曲柄中心，这个力不能对曲柄中心产生力矩，正因为如此，曲柄不能转动。

3 克服点位置的方法研究

3.1 反急回特性方法

作往复运动（往复摆动或移动）的构件，其往复运动区间的两个极端位置为极限位置。工程实际中往往要求机器中作往复运动的的从动件在工作行程时速度慢点，而在空回行程时快点，以缩短辅助时间，提高生产效率，这种特性就是急回特性。

在平面四杆机构（曲柄摇杆机构）中，以曲柄为主动件，则不会出现死点位置，同一机构以摇杆为主动件时会出现死点位置；因此，可以利用急回特性的特点，在死点位置附近施加不同的速度，使得构件在惯性力的作用下成功越过死点位置。

3.2 死点位置转移法

3.2.1 改变连杆形状

由于曲柄摇杆机构中，以摇杆为主动件时，机构的死点位置处传动角为0，压力角为90度；压力角和传动角互为余角，所以只要改变压力角，（即速度方向和作用力的方向夹角）就可以改变压力角，也随之改变了传动角；只要传动角不是0度，那么死点位置就可以克服了。可以将连杆变成曲线杆，但保持曲柄摇杆机构结构不变。在原始死点位置处死点位置的传动角不再是0度。所以死点位置就克服了。

3.2.2 改变曲柄形状

在曲柄摇杆机构中，可以将曲柄换成曲线杆，当摇杆主动时，曲柄从动时，在摇杆的极限位置上存在死点位置，因此，可以将曲柄换成曲线杆时，原死点位置的压力角发生变化，传动角也因此发生变化。所以，原死点位置不再是死点位置，死点位置不在摇杆极限位置，所以死点位置可以克服。

3.3 辅助从动曲炳法

在死点位置处，从动曲柄不能继续转动，运动不确定，所以可以考虑为曲柄在死点位置处添加一个动力，辅助曲柄越过死点位置，所以，我考虑使用棘轮机构，在曲柄铰链中心处安装一个同轴转动的棘轮，棘齿焊接在摇杆处，当摇杆到达极限位置时，棘齿正好和棘轮接触，使棘轮越过死点位置，然后棘齿和棘轮脱离，所以死点位置就可以超越。

还有就是可以在摇杆的轴向链接两个同向的曲线杆，使得他们在要摇杆极限位置时恰好帮助曲柄越过传动角为0度的位置。之后脱离曲柄，不影响原机构的运动状态。

3.4 其他方法

除了上述方法以外，还可以采用其他方法来完成这个工作。

3.4.1 电磁控制法

可以在曲柄铰链中心处，安装一个电动机，控制阀安装在摇杆的极限位置处，在摇杆到达极限位置处，触发控制开关，电动机转动带动曲柄转动。

3.4.2 四杆机构联动法

在平行四杆机构中，利用两组柄滑块机构相互错开90度（或其他不为零度的角度），互相帮助越过死点位置。如火车的车轮结构就是利用这种方式。或是采用两个曲柄摇杆机构互相错开一定角度。同时转动互相帮助。

还有就是在曲柄处安装一个飞轮，在死点位置处，通过飞轮的惯性帮助机构越过死点位置。缝纫机脚踏板驱动机构就是利用下带轮的惯性来渡过死点位置的。

4 结语

本论文主要研究了平面四杆机构，摇杆主动时，对于克服死点位置的方法研究，方法结合现代设计技术和机械设计的创新方法论，对渡过死点位置的方法进行了研究。收获颇丰。

[1]杨可帧主编 机械设计基础高等教育出版社第五版.

[2]孙志礼等主编机械设计 科学出版社第一版.

陈杰（1990-），男，籍贯：甘肃平凉；专业：机械设计制造及其自动化；院校：沈阳理工大学；

厉杰（1993-），男；籍贯：山东省日照市开发区；专业：工业工程；院校：沈阳理工大学机械工程学院。

在平面连杆机构的研究中有一个运动瓶颈，那就是死点位置，由于死点位置的运动不确定性，使得一些比较精密的机器在运转时出现不确定性。因此，觉得有必要研究一下克服死点位置的方法，为一些机器改良做一些铺垫。