平面四杆机构的特性分析

一、急回特性

1.极位夹角

图6－30所示为一曲柄摇杆机构，其主动曲柄AB顺时针匀速转动时，从动摇杆CD在两个极限位置间做往复变速摆动。设从C1D到C2D的行程为工作行程，该行程克服生产阻力对外做功；从C2D到C1D的行程为空回行程，该行程只克服运动副中的摩擦力。C点在工作行程和空回行程的平均速度分别为v1和v2。由图看出曲柄AB在两行程中相应的两个转角φ1和φ2分别为

式中　θ——摇杆位于两个极限位置时曲柄在对应两位置所夹的锐角，称为极位夹角。

图6－30　曲柄摇杆机构的急回特性

2.急回运动特性

由于φ1＞φ2，所对应的时间t1＞t2，因而v1＜v2，即机构空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种特性称为急回运动特性。

急回运动特性可用行程速度变化系数（或行程速比系数）K表示，即

可求得极位夹角为

式（6－3）表明，当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角θ时，机构便具有急回运动特性。θ越大，K值越大，机构的急回运动特性也越显著。

对于对心式曲柄滑块机构，因θ＝0°，故这种机构无急回运动特性，偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构如图6－31和图6－32所示，由于不可能出现θ＝0°的情况，所以恒具有急回运动特性。急回运动特性能节省空回时间，提高生产效率，满足某些机械的工作要求。如牛头刨床和插床，工作行程要求速度慢并且均匀，以提高加工质量；空回行程要求速度快以缩短非工作时间，提高工作效率。

图6－31　偏置曲柄滑块机构的极位夹角

图6－32　摆动导杆机构的极位夹角

二、平面四杆机构的传力特性

在生产实际中，不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律并满足机器的运动要求，而且希望运转轻便、效率较高，即具有良好的传力性能。

1.压力角α

如图6－33所示的铰链四杆机构，以曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件。如果不计摩擦力、重力和惯性力，连杆BC为二力杆。任一瞬时曲柄通过连杆作用于从动件上的驱动力F均沿BC方向。受力点C的速度vC的方向垂直于CD杆。力F与速度vC之间所夹的锐角α为该点的压力角，则

式中　Ft——使从动件转动的有效分力；

Fn——仅对转动副C产生附加径向压力的有害分力。

显然，压力角α越小，有效分力Ft越大，对机构传动越有利。因此，压力角α是衡量机构传力性能的重要参数。

2.传动角γ(www.xing528.com)

在具体应用中，为度量方便，通常用连杆和从动件所夹的锐角γ来判断机构的传力性能，γ称为传动角。因传动角γ是压力角α的余角，所以压力角α越小，传动角γ越大，机构的传力性能越好；反之，α越大，γ越小，机构的传力性能越差，传动效率越低。

在机构运动过程中，传动角的大小是随机构位置而变化的。可以证明，如图6－33所示曲柄摇杆机构的γmin出现在曲柄AB与机架AD两次共线位置之一。为保证机构传力性能良好，设计时须规定最小传动角γmin。对于一般机械，通常取γmin≥40°～50°。

图6－33　压力角和传动角

图6－34　曲柄摇杆机构的死点位置

三、死点位置

如图6－34所示的曲柄摇杆机构，当摇杆CD为主动件且机构处于图中所示的两个位置时，连杆与曲柄共线，此时压力角α＝90°、传动角γ＝0°，主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，所以构件AB将不能转动，机构的这种位置称为死点位置。

对于传动机构而言，死点的存在是不利的，它使机构处于停顿或运动不确定状态，故必须采取适当的措施使机构顺利通过死点位置。

机构的死点位置也常常被用于实现特定的工作要求。如图6－35（a）所示的折叠椅，靠背AD可视为机架，靠背脚AB可视为主动件。使用时，机构处于图示死点位置，因而人坐、靠在椅子上，椅子不会自动松开或合拢；如图6－35（b）所示夹紧工件用的连杆式快速夹具，就是利用死点位置来夹紧工件的。工件夹紧后BCD成一条线，即使工件反力很大也不能使机构反转，从而使夹紧牢固可靠。

图6－35　机构死点位置的应用

（a）折叠椅；（b）连杆式快速夹具