机构_死点_分析及其应用

机构“死点”分析及其应用 马学勤 (广东韶关职工大学 ,广东 韶关 512031) 摘 　要 :分析机构死点的实质、存在位置、死点与机构极位、死点与机构自锁的异同等主要特性和克服方法 ,探 讨机构死点在实践中的应用 ,研究表明机构死点可以设法克服 ,其存在着较大地应用空间. 关键词 :机构 ;死点 ;极位 ;自锁 ;克服 ;应用 中图分类号 : T H112. 1 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1009 - 1432 (2006) 05 - 0027 - 02 Analysis and Application of the Mechanism′s Dead Point MA Xue2qin (Shaoguan Staff and Workers University ,Shaoguan , Guangdong 512031 , China) Abstract :This paper analyzes the main characters and location of the mechanism’s dead point ,tells the differences and simi2 larities between the dead point and the polar space and the self2lock , put s forward some overcoming methods , and studies the application of the mechanism’s dead point to engineering practice. Key words :mechanism ;dead point ;polar space ;self lock ;overcoming ;application 　　“死点”是平面连杆机构的四大主要特性之一 ,与机构 构件的运动和受力情况密切有关 ,它既可使一些机构出现 卡死或运动不确定的现象 ,对机构的传动不利 ,也可帮助 某些机构实现其特定的工作要求. 本文主要就机构死点的 机理和克服途径 ,以及机构死点在工程实践中的应用 ,结 合典型个例进行初步分析和探讨. 1 机构“死点”主要特性的分析 1 . 1 机构死点的简述 图 1 曲柄摇杆机构 图 1 [1 ] ( P124 ) 所示曲柄摇杆机构 ,当连杆 BC 运动至与 从动摇杆 CD 共线时 (虚线位置) ,如不计各运动副中的摩 擦和各杆件的质量 ,则主动曲柄 AB 通过连杆 B C 传给从 动摇杆 CD 的驱动力通过从动摇杆铰链的中心 ,此时驱动 力对从动摇杆 CD 的回转力矩等于零 ,无论施加多大的驱 动力 ,都无法使从动摇杆 CD 转动 ,而使整个机构处于静 止状态 ,且转向也不能确定. 机构所处的这种位置即为死 点位置. [2 ] (P93) 对传动而言 ,机构有死点是一大缺陷 ,需设 法加以克服 ,但是在有的机构中却要利用死点这一特性 , 以实现某些工作的特殊要求. 故应正确把握机构死点的机 理及其特性 ,以更科学的进行相关机构设计与应用. 1 . 2 机构存在死点位置的条件 图 2 [2 ] ( P 8 8 ) 为家用缝纫机踏板的曲柄摇杆机构 ,当 以踏板 CD (即摇杆) 为主动件时 ,连杆 BC 与曲轴 A B (即 曲柄) 将出现两次共线的死点位置 ;但若变换主动件 ,即 以曲轴 AB 为主动件 ,摇杆 CD 为从动件 ,则机构不存在从 动件与连杆共线的位置 ,没有死点. 由此可见 ,同一机构中 ,主动件不同 ,有无死点位置的 72 第 11 卷　第 5 期 株洲师范高等专科学校学报 Vol. 11 No. 5 　2006 年 10 月 J OU RNAL OF ZHU ZHOU TEACH ERS COLL EGE Oct . 2006 收稿日期 :2006 - 02 - 03 作者简介 :马学勤 (1968 - ) ,女 ,安徽天长人 ,广东韶关职工大学讲师 ,主要从事机械教学与研究 . E - mail : sgmxqzj @126. com 情况也不同. 即四杆机构是否存在死点位置 ,主要决定于 连杆能否运动至与转动从动件 (摇杆或曲柄) 共线或与移 动从动件移动导路垂直. 图 2 缝纫机踏板机构 1 . 3 常用四杆机构死点位置的分析 根据机构死点存在的条件 ,对常用四杆机构死点位置 情况分析如下 : [1 ] ( P124 ) (1)曲柄摇杆机构.当以曲柄为主动件时 ,机构不存在 连杆与从动件共线的位置 ,故无死点位置 ;当以摇杆为主 动件时 ,曲柄与连杆共线的两个位置是机构的死点位置. (2)双曲柄机构. 对平行四边形或反向平行双曲柄机 构 ,当机构运动至两曲柄与连杆共线的两处位置时 ,为机 构的死点位置 ,其余双曲柄机构无死点位置. (3)双摇杆机构. 当最短杆与最长杆长度之和小于其 余两杆长度之和 ,且连杆为最短杆时 ,两摇杆中任一杆为 主动件 ,机构都有一个死点位置 ,即连杆与从动摇杆共线 的位置. (4)偏置曲柄滑块机构. 当以曲柄为主动件时 ,机构无 死点位置 ;当以滑块为主动件时 ,机构有两个死点位置 ,即 连杆与从动曲柄共线的两处位置. (5)摆动导杆机构.当以曲柄为主动件时 ,机构无死点 位置 ;当以导杆为主动件时 ,机构有两个死点位置 ,即导杆 摆动的左、右两个极限位置 ,此时从动曲柄与导杆的位置 垂直. (6)移动导杆机构.曲柄或导杆为主动件时 ,机构均无 死点位置. 1 . 4 机构死点的两个异同分析 1 . 4 . 1 机构死点与机构极位的异同 　机构死点和 机构极位实际上是机构的同一位置 ,所不同的是机构的原 动件不一样. 当从动件与连杆共线时为死点 ,机构在死点 时根本不能运动 ,但如因冲击、振动等原因使机构离开死 点而可继续运动时 ,从动件的运动方向却是不确定的 ,既 可能正转也可能反转 ,故机构的死点位置也是机构运动的 转折点. 而当原动件与连杆共线时则为极位 ,在极位附近 , 由于从动件的速度接近于零 ,故可获得很大的增力效果. 1 . 4 . 2 机构死点与机构自锁的异同 　所谓机构自 锁 ,是指有些机构就其结构情况分析自由度大于零 ,因此 只要加上足够大的驱动力 ,按理就能够沿着有效驱动力作 用的方向运动 ,而实际上由于摩擦的存在 ,却会出现无论 该驱动力如何增大 ,即使增大到无穷大 ,也无法使它运动 的现象称机构的自锁. 机构之所以发生自锁 ,是因为机构中存在摩擦的缘 故 ,即机构工作时 ,由于摩擦的存在 ,总要损耗一部分功 , 所以机械效率总小于 1.如果输入功等于克服有害阻力所 作的功 ,如机构原来在运动 ,则仍能维持等速运转 ,但没有 功输出 ;如机构原来就静止 ,则不论驱动力多大 ,都不能使 机构产生运动 ,即机构发生自锁. 如果输入功小于克服有 害阻力所作的功 ,如机构原来在运动 ,则减速直到静止为 止 ;如机构原来就静止 ,则仍然保持静止 ,机构发生自 锁. [1 ] ( P90 ) 机构自锁的实质是驱动力的有效分力小于由驱 动力本身所产生的摩擦阻力. 而机构处于死点位置时 ,即 使不存在摩擦 ,机构也不能运动 ,这是机构死点与机构自 锁之间的本质区别. 2 机构死点位置的克服 2 . 1 克服对象的确定 主要指需连续运转而又存在死点位置的机构. 因为这 些机构如果存在死点位置 ,则机构在运动中到达死点位置 时 ,容易出现卡死或运动不确定的现象 ;如果机构启动时 正好处于死点位置 ,那么机构就无法运动起来. 即死点位 置的存在 ,将不利于机构的传动 ,故需设法加以克服. 2 . 2 克服的途径和方法 避免机构由死点位置开始起动 ,同时采取措施使机构 在运动过程中顺利通过死点位置并使从动件按预期方向 运动 ,而对双摇杆机构 ,则在设计时限制摇杆的摆动角度 , 以避免在死点位置工作 ,这是机构克服死点位置的基本途 径. 机构顺利通过死点位置的主要方法有 : 2 . 2 . 1 利用惯性通过死点 　对于连续运转的机器 , 可利用从动件的惯性 (必要时附加飞轮以增大惯性) 闯过 死点位置 .如家用缝纫机的踏板机构中 ,从动曲柄轴上安 装了兼有飞轮作用的大带轮 ,缝纫机可借助大带轮的惯性 通过死点位置并保持带轮转向不变 ,而当该机构正好停于 死点位置时 ,则需在人的帮助下用手转动带轮来实现由死 点位置的再次起动 ;手扶拖拉机用柴油机中的曲柄滑块机 构 ,通常也采用附加飞轮的方法 ,利用飞轮的惯性来使曲 轴顺利通过死点位置. 2 . 2 . 2 增设辅助构件　对平行四边形机构 ,可通过在 机构中增设辅助构件的方法 ,以防止机构在运动过程中变 为反向平行双曲柄机构. 图 3 蒸汽机车车轮的联动和错列装置 82 株洲师范高等专科学校学报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006 第 5 期 (总第 52 期) 图 3 [3 ]所示是蒸汽机车主动轮的联动装置 ,它利用平 行四边形机构两曲柄回转方向相同、角速度相等的特点 , 使从动轮与主动轮有完全相同的运动 ,保证各车轮的角速 度完全相同 ,但平行四边形机构在运动过程中 ,主动曲柄 每回转一周 ,两曲柄与连杆出现两次共线 ,此时会产生从 动曲柄运动的不确定现象 ,即主动曲柄的回转方向不变 , 而从动曲柄有可能正转 ,也可能反转 ,使机构变成反向平 行双曲柄机构 ,导致机构不能正常转动 ,为此 ,在机构中增 设一个曲柄 EF 的辅助构件 ,以避免出现这一现象. 2 . 2 . 3 机构错位排列 　将两个或多个机构组合起 来 ,使各机构的死点位置相互错开排列 ,实现非死点位置 运动机构对死点位置运动机构的带动.如图 3 所示蒸汽机 车车轮联动机构 ,以及 V 形发动机的四杆机构 ,都是使两 组曲柄滑块机构的曲柄位置相互错开 ,当一个机构处于死 点位置时 ,另一个机构则不在死点位置 ,从而保证了机构 的连续正常运转. 3 机构死点的应用 3 . 1 应用原理 由于机构在死点位置 ,无论驱动力有多大 ,机构都不 能运动 ,由此却起到“锁紧”的特有作用 ,工程中的许多场 合正是利用死点的这一特性以实现其特定的工作要求. 3 . 2 在工程实践中的应用 3 . 2 . 1 用于工件的夹紧机构 　当夹紧机构在死点 位置对工件实施夹紧时 ,可保持较大的锁紧力 ,无论反弹 力多大 ,也不能使机构运动 ,以保证工件在加工受力时不 松脱 ,实现可靠的夹紧 .利用这一特点 ,可将死点的原理用 于机床的夹紧机构中. 图 4 钻床夹紧机构 图 4 [1 ] ( P123 ) 所示的连杆式快速夹具 ,即为利用死点位 置夹紧工件的一种钻床夹具. 此时连杆 BC 与连架杆 CD 成一直线 ,机构位于死点位置 ,构件连架杆 1 的左端将工 件 2 夹紧 ,并且在撤去夹紧压力 F 后 ,无论工件上的反弹 力 Fn 多大 ,都不能使机构运动 ,以确保在钻削加工时工件 不会松脱 ;需要放松工件时 ,只要在连杆 3 上的手柄处加 上一个与力 F相反方向的外力 , 就可使机构脱出死点位 置 ,从而放松工件. 3 . 2 . 2 用于电气设备开关的分合闸机构 　电气 设备开关的分合闸机构应用的是死点位置合闸的原理 ,确 保设备运行的安全可靠。图 5 为电气设备开关分合闸机 构的原理图 ,合闸时机构处于死点位置 ,此时触头接合力 Q 和弹簧力 F 对构件 CD 产生的力矩无论多大 ,也不能推 动构件 AB 转动而分闸 ;当超负荷需要分闸时 ,通过控制 装置 (图中未标示) 产生较小的力来推动构件 AB 使机构 离开死点位置 ,构件 CD 便能转动从而达到分闸的目的 , 如图 5 中虚线所示 . [ 4 ] 图 5 电气设备开关的分合闸机构 3 . 2 . 3 用于飞机起落架的收放机构 　采用双摇杆 机构的飞机起落架收放机构 ,机轮放下时 ,机构便处于死 点位置 ,确保机轮着地时在巨大冲击力的作用下始终保持 支撑状态 ,使飞机的降落更加安全可靠. 3 结 语 综上分析表明 ,常用四杆机构存在死点位置的情况不 在少数 ,而机构死点又不同于机构的极位和自锁 ,对连续 运转机构的传动不利 ,针对机构实际工作情况而采取相应 的克服措施 ,可避免死点的不良影响 ,实现机构连续正常 地运转. 但机构在死点位置具有可靠地“锁紧”作用 ,在工 程实践中大有“用武之地”,以实现安全保护或其它特定功 能的要求 . 参考文献 : [1 ] 潘震苍. 机械原理[ M ] . 北京 :高等教育出版社 ,1992. 90 ,122 - 124. [2 ] 陈海魁. 机械基础[ M ] . 北京 :中国劳动社会保障出版 社 ,2001. 88 - 93. [3 ] 黄华梁 ,彭文生 ,刘 　凯 .机械设计基础 [ M ] . 长沙 :湖 南科学技术出版社 ,1992. 27. [4 ] 黄锡恺 ,郑伟文. 机械原理 [ M ] . 北京 :高等教育出版 社 ,1986. 93 - 94. (责任编辑 :曾广慈 　英文译校 :文爱军) 92 马学勤 :机构“死点”分析及其应用