孔雀开屏机构机械结构之四杆机构设计

孔雀开屏机构机械结构之四杆机构设计

李莎

李莎LISha

（长江职业学院，武汉430074）

（ChangjiangVocationalCollege，Wuhan430074，China）

摘要：“孔雀开屏”机构是由电机驱动，链传动带动齿轮运动，齿轮运动带动四杆机构运动，四杆带动叶片，最后达到开屏的效果。其关键技术为四杆机构带动叶片开、收屏。本文介绍了四杆机构的设计方案与具体实施方法。

Abstract:The"peacock"agencyisdrivenbyamotor,chaindrivenanddrivesgearmovement,gearmovementdrivesfour-baragencymovement,four-bardrivesblade,andfinallyreachedthepeacockeffect.Thekeytechnologyisfour-baragencydrivesbladeopen,closed.Thispaperdescribesthedesignofthefour-barmechanismandspecificimplementationmethods.

关键词：四杆机构；极位夹角；传动角

Keywords:four-baragency；extremepositionangle；transmissionangle

中图分类号：TH112文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）14-0046-02

1孔雀开屏机构总体结构设计

1.1方案分析

1.1.1设计方案该机构为孔雀开屏机构，现在市面上还没有运用机械原理来完成孔雀开屏的机构。

开屏方案设想如下：方案一：通过扇形内齿轮传动实现开屏；方案二：通过齿轮齿条机构实现开屏；方案三：用四杆机构实现开屏。

经过反复比较、衡量，最终选择了方案三，即通过四杆机构的运动来实现开屏。四杆机构的运行由齿轮传动来带动，再用链传动带动齿轮。因为要求开屏的速度很低，所以可在电机和链传动的中间增加一个减速器，达到部分减速效果，另一部分减速量通过变频来控制。

1.1.2难点和关键①因尾部孔雀收屏时尺寸限制，单片扇叶宽度及厚度尺寸不可过大。②收屏后传动机构要隐藏于壳体之内，开屏张角要大，这就限制了四杆机构的起点与终点位置。③开屏与收屏的速度要保持基本一致，四杆机构的极位夹角就需要尽可能地小。④因同时要避开四杆的死点位，且没有现成的公式可套用，所以四杆机构的设计就成了本次设计的最难点。⑤由于壳体尺寸的限制，左右两边扇叶运动的反向问题由惰轮来解决，同时轴上的非标链轮设计就变得很重要，这也是本次设计的难点之一。

1.1.3主要方法首先制订出了大致的外形结构和尺寸。利用电机连接减速器带动链传动[1]，再带动齿轮传动[2]，齿轮带动四杆机构，四杆机构随之带动了叶片，从而实现孔雀开屏。针对这个孔雀开屏机构，大量查阅图书馆文献及资料和网上资料，先进行理论分析和计算，再进行重点校核；充分利用应用软件AutoCAD、Pro/E和机械设计手册（软件版）进行辅助设计。

1.2总体设计首先根据设想产品完成各部件的大体尺寸及位置。其次初步估算功率和转矩，初选电机。利用估算的功率和转矩来设计计算齿轮和链传动。再来计算轴和轴承，再进行重点校核。

2四杆机构设计

平面连杆机构是由若干构件通过低副联接而成的平面机构，也称为平面低副机构，而平面四杆机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是多杆机构的基础。其主要优点是：①由于运动副是低副，面接触，传力时压强小，磨损较轻，承载能力较高；②构件的形状简单，易于加工，构件之间的接触由构件本身的几何约束来保持，故工作可靠；③可实现多种运动形式及其转换，满足多种运动规律的要求；④利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求。四杆机构能够简便地实现给定的运动规律或运动轨迹再现，完成预定的运动要求。

2.1四杆尺寸的确定四杆的尺寸在设计时对四杆的极位夹角[3]、摆角[4]的大小，摇杆起始位置的角度都有一定的要求。首先，四杆机构的极位夹角要尽可能的小。为了能够更好的表现出孔雀开屏的特性，也为了机构更加美观，所以设计时摆角的角度要大于90°，同时为了能够很好把四杆收拢，要确保摆角起始位置的角度小于10°。

综合以上各种条件，进过了反复的计算及仿真试验，四杆的尺寸分别确定如下80、100、481、500。

2.2极位夹角的确定

①极位夹角θ：

θ=∠C2AD-∠C1AD（1）

=ARCCOS(AD2+AC22-C1D2/2*AD*AC2)-ARCCOS(AD2+AC12-C1D2/2*AD*AC1)

=ARCCOS(5612+5002-1002/2*561*500)-ARCCOS(5002+4012-1002/2*500*401)=8.58°-1.81°=6.77°

为了表明急回运动的急回程度，可用行程速比系数或行程速度变化系数K来衡量，即

K=（180°+θ）/（180°-θ）（2）

已知θ=6.77°故K=(180°+6.77°)/(180°-6.77°)=1.08

②摇杆起始角及摆角：

摇杆起始角∠ADC1=ARCCOS(AD2+DC12-AC12/2*AD*DC1)（3）

=ARCCOS(5002+1002-4012/2*500*100)=7.26°

摇杆的摆角∠C2DC1=∠ADC2-∠ADC1（4）

=ARCCOS(AD2+DC22-AC22/2*AD*DC2)-∠ADC1

=ARCCOS(5002+1002-5612/2*500*100)-∠ADC1

=123.18°-7.26°=115.92°

2.3传动角的确定已知四杆机构四杆长分别为80、100、481、500。最短杆与最长杆之和-其他两杆之和=（500+80）-（481+100）=-1<0，且最短杆为连架杆。故此机构为曲柄摇杆机构，对于曲柄摇杆机构，γmin出现在主动曲柄与机架共线的两个位置之一处：

γ1=∠AC1D=ARCCOS(B1C12+DC12-B1D2/2*B1C1*DC1)（5）

=ARCCOS(4812+1002-5802/2*481*100)=171.09°

γ2=∠AC2D=ARCCOS(B2C22+DC22-B2D2/2*B2C2*DC2)（6）

=ARCCOS(4812+1002-4202/2*481*100)=47.52°

故γmin=47.52°

2.4四杆机构仿真运动图（图3）

当四杆的速度为最小时，它的加速度最大，由此可以看出避开了死点位置。

3结束语

机械连杆机构是我们设计的孔雀开屏机构的一个创新点。在设计中通过四杆机构的运动来实现开屏，解决了孔雀收屏时的尺寸限制，收屏与开屏速度一致，避开死点位等设计难点。

参考文献：

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册单行本（带传动和链传动）[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]西北大学机械原理及机零教研主编.机械设计[M].北京:高等教育出版社,1988.

[4]孙桓,陈作模,葛文杰编著,机械原理[M].北京高等教育出版社,2006.